欽北高速公路擴(kuò)寬改擴(kuò)建橋梁排水設(shè)計(jì)分析

涂世倫，覃耀柳，張弋強(qiáng)，黎志謀，段凱亮

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧，530007)

0 引言

廣西欽州至北海高速公路竣工于1999年9月，舊路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，整體路基寬度為28 m，是廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的骨架公路，是國內(nèi)與東盟進(jìn)行經(jīng)濟(jì)貿(mào)易最便捷的大通道，是西部大開發(fā)區(qū)域、泛珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)、大西南經(jīng)濟(jì)區(qū)與“中國—東盟自由貿(mào)易區(qū)”、中越“兩廊一圈”、粵港澳大灣區(qū)進(jìn)行聯(lián)系的交通樞紐，也是我國東西部地區(qū)的出海大通道，在國家高速公路網(wǎng)中具有十分重要的地位和作用。隨著廣西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，欽北高速急需改擴(kuò)建為雙向八車道、路基寬度為42 m的高速公路。

1 欽北高速目前橋面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題分析

(1)欽北高速橋梁的排水設(shè)計(jì)，一般是將污水通過橋面橫坡和縱坡流入泄水口直接向下排放或匯集到排水管排至地面排水設(shè)施或河流中，對于跨越飲用水源的河流未做雨污水及危險(xiǎn)化學(xué)品的集水處理。這種常規(guī)的直排方式環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，一旦在橋上發(fā)生危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車輛翻車、泄漏等事故，危險(xiǎn)化學(xué)品徑流將通過橋面泄水管直接進(jìn)入水體，對飲用水源造成不可估量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

(2)欽北高速地形條件良好，全線無較大的地形起伏，整體縱坡較平緩，不利于縱向排水，尤其是進(jìn)行加寬改擴(kuò)建后，橋面匯水面積增加，原先的設(shè)計(jì)無法滿足改擴(kuò)建后的排水需求。

(3)欽北高速位于廣西南部沿海地區(qū)，受海洋氣候影響較大，降雨較多，公路路面的積水對行車的安全有不利的影響，拓寬改擴(kuò)建后需要尤為重視路面的排水。

(4)欽北高速橋梁原排水設(shè)計(jì)主要依據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ018-97)。設(shè)計(jì)主要從排水順暢和行車安全兩個(gè)方面考慮，規(guī)定橋面應(yīng)該有足夠的橫向和縱向坡度，使落在橋面上的降水迅速排向橋面行車道兩側(cè)，橋面上泄水口的數(shù)量和間距依據(jù)設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算，通常按照一定間距布設(shè)，規(guī)范規(guī)定最大間距不超過20 m，泄水管的孔徑、布置間距未做嚴(yán)格的計(jì)算。

(5)K2099～K2156段于2015年前期進(jìn)行過路面加鋪改造，部分橋梁進(jìn)行過集中排水的改造，設(shè)置有縱向排水管道、集水池，但設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)合理的計(jì)算，作用發(fā)揮有限。

2 欽北高速改擴(kuò)建橋面排水優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

通過分析，欽北高速原橋面排水存在多處不合理。改擴(kuò)建后隨著路基寬度的增加，橋面排水亦可能導(dǎo)致橋面排水能力不足。同時(shí)，隨著國家對于環(huán)保的重視，公路跨越飲用水源保護(hù)區(qū)，需要防止公路橋梁化學(xué)品泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染。以欽北改擴(kuò)建為例，通過嚴(yán)格的水文、水力計(jì)算，確定合理的泄水孔管徑、布置間距；在橋梁側(cè)面設(shè)置合理尺寸的縱向集水管，并依需要設(shè)置集水管縱坡；在橋梁兩側(cè)設(shè)置合理數(shù)量的雨污收集池，可有效地改善欽北高速的橋面排水設(shè)計(jì)。

3 橋面排水計(jì)算

3.1 水文計(jì)算

3.1.1 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期

按公路的重要程度，取設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5年。

3.1.2 匯水面積及徑流系數(shù)

設(shè)匯到泄水管范圍的橋面長度為l，則匯水面積為：F=lLs10-6km2。

查表得徑流系數(shù)ψ為0.95。

3.1.3 匯流歷時(shí)

(1)橋面匯水歷時(shí)t1

計(jì)算公式為式(1)：

(1)

式中：m1——地面粗糙度系數(shù)，需根據(jù)路面情況查表；

is——路面橫坡；

Ls——橋面長度。

(2)溝內(nèi)匯水歷時(shí)t2

溝內(nèi)(路線)縱坡i，計(jì)算平均流速v，v=20i0.6。

(3)總的匯水歷時(shí)：t=t1+t2。

3.1.4 降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度規(guī)范公式為：

q=cpctq5，10

(2)

式中：q5，10——5年重現(xiàn)期10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度；

cp——5年重現(xiàn)期時(shí)的重現(xiàn)轉(zhuǎn)換系數(shù)；

ct——tmin降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3.1.5 設(shè)計(jì)徑流量

Q=16.67ψqF

(3)

3.2 水力計(jì)算

3.2.1 驗(yàn)算過水?dāng)嗝娴乃鎸挾群退?/p>

水深：

h=(Qci1n/0.377i20.5)(3/8)

(4)

水面寬度：

B=i1/h

(5)

式中：i1——橋面的橫向坡度，水力坡度等于路線縱向坡度i2。

計(jì)算時(shí)，過水?dāng)嗝鎯?nèi)的水面，不得漫過右側(cè)車道外邊緣。

3.2.2 排水管水力計(jì)算

排水管的泄水能力按式(3)計(jì)算：

Qc=vA

(6)

式中：v——管內(nèi)平均流速。

v=R(2/3)I(1/2)/n

(7)

式中：n——管壁粗糙系數(shù)，PVC管的n=0.010；

R——水力半徑，圓管R=d/4；

I——水力坡度。

4 典型橋梁排水計(jì)算及設(shè)計(jì)

4.1 南流江大橋基本情況

K2153+723.07南流江大橋，原橋上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為30×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力先簡支后連續(xù)T梁，橋面總寬為28.0 m(含中央分隔帶)。南流江大橋規(guī)劃航道等級為Ⅵ級，雙孔單向通航孔凈空要求為單孔32×6 m，原橋不滿足通航凈空要求，改擴(kuò)建將原橋4～6跨改造成2×45 m作為通航孔。按照全線統(tǒng)一的四車道改八車道擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)，橋梁兩側(cè)對稱拼寬；因原橋欽州側(cè)路線拉高較大，且改擴(kuò)建施工過程中要雙向保通四車道，施工難度太大，因此在原橋欽州側(cè)增加1孔30 m箱梁；考慮施工期間要滿足雙向四車通行，且要預(yù)留檢修道，單側(cè)拼寬9.5 m，改擴(kuò)建后橋面總寬為47.0 m。改造后橋跨組合為4×30 m箱梁+2×45 m T梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁。

南流江大橋橋面縱坡情況為：0#臺至5#墩為+0.98%，5#墩至26跨跨中為-0.98%，26跨跨中至30#橋臺為-0.05%，橋面縱坡較緩。河流情況為：0#臺至4#墩為河漫灘，4#墩至15#墩為河流，水面常年有水，水面寬約380 m，15#墩中至30#橋臺為河漫灘，河漫灘僅在漲洪水期間有水漫過。

4.2 南流江大橋排水計(jì)算及設(shè)計(jì)

因南流江大橋位于飲用水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，結(jié)合橋面縱坡及橋下河流水面寬度的情況，選取可能的集中排水形式設(shè)置縱向集水管及雨污收集池，計(jì)算泄水管間距內(nèi)的橋面排水及縱向排水管所需的尺寸。

第7～16跨位于河流水面上，橋跨長300 m，橋梁縱坡為-0.98%，坡度較緩，采用適當(dāng)增加縱向排水管的設(shè)置坡度改善排水，1#、2#、6#橋墩排水管距離梁頂42.5 cm漸變至16#橋墩的93.5 cm，排水管的縱坡增大為-1.15%。通過計(jì)算如表1所示，設(shè)置2根φ35 cm的排水管是可以滿足要求的，縱向排水管的施工難度亦不大。見圖1。

表1 南流江大橋橋面排水計(jì)算表

圖1 南流江大橋縱向排水管設(shè)置示意圖(cm)

4.3 南流江大橋污水收集池的設(shè)計(jì)

污水收集池設(shè)計(jì)的目的在于應(yīng)用其具有能蓄納全部事故徑流的有效容積，在平常無事故、雨后正常徑流時(shí)，在池內(nèi)沉淀后排放；一旦橋上發(fā)生危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故時(shí)，能妥善收集危險(xiǎn)化學(xué)品徑流，不讓其流入南流江水源保護(hù)區(qū)，以便給公路管養(yǎng)部門處理事故爭取時(shí)間。

南流江大橋兩橋臺及第4、第16跨下設(shè)置4處集水池收集污水，集中排水池一般應(yīng)設(shè)置在橋梁正下方地面處。保證每個(gè)集水池的總有效容積≥50 m3，且正常排放口以下有效容積≥20 m3，正常排水口以上有效容積≥30 m3。

污水收集池的平立面圖如圖2所示，其工作原理及管養(yǎng)注意事項(xiàng)如下：

圖2 南流江大橋污水收集池平面圖(cm)

(1)橋面上一般雨水經(jīng)過沉砂池及油水分離池進(jìn)行沉淀過濾截污后再經(jīng)溢水壩排出，如遇橋上車輛運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)品泄漏時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉封閘閥A，避免危險(xiǎn)品對外排放。

(2)在消力檻頂上和溢水壩口各設(shè)置一道鐵絲網(wǎng)，以便攔截漂浮物，對于漂浮物、油污及沉砂等要定期派人及時(shí)清理干凈。

(3)設(shè)置安全警示牌于四周防護(hù)網(wǎng)(預(yù)留有門及鎖)上，標(biāo)識內(nèi)容：水深危禁止攀爬、環(huán)境應(yīng)急設(shè)置禁止破壞、責(zé)任公示牌(含應(yīng)急電話號碼)。

(4)A閘閥日常處于開啟狀態(tài)，事故狀態(tài)下關(guān)閉，B封閘閥日常處于關(guān)閉狀態(tài)，作為清理排空時(shí)使用。

目前，亦有研究事故徑流收集池的自動(dòng)控制問題，需要增加視頻監(jiān)控、現(xiàn)場電控柜等實(shí)現(xiàn)閥門、液位的自動(dòng)控制，同時(shí)亦需加強(qiáng)現(xiàn)場的管養(yǎng)以保證系統(tǒng)正常工作。

4.4 南流江大橋排水設(shè)計(jì)措施

南流江大橋所處路段路線縱坡較緩，橋梁跨越飲用水源保護(hù)區(qū)，改擴(kuò)建后需要改善橋梁的排水。由上表及計(jì)算可知，可采用以下措施：(1)在橋面高程較低側(cè)靠近防撞欄處沿縱橋向設(shè)置排水明溝，改善橋面縱向的排水；(2)跨河段可分兩側(cè)向兩河岸設(shè)置縱向排水管及集水管，第六跨縱向排水管設(shè)置反坡(見圖1)；(3)必要的情況下可采用加大縱向集水管管徑、增加縱向集水管數(shù)量(見圖2)的措施；(4)適當(dāng)增加縱向排水管縱坡，增大水頭，可有效改善縱向集水管的排水效率；(5)在兩橋臺及第4、第16跨下設(shè)置集水池收集污水，橋臺處的集水池兼顧橋梁兩頭路基段的污水收集，其他橋跨沿地面縱向設(shè)置排水溝連通污水收集池；(6)在0#、30#臺，3#、16#、18#、20#、22#、24#、26#、27#、28#、29#橋墩處設(shè)置豎向集水管，連通橋下的排水溝及收集池。

經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算，設(shè)置合理的泄水孔間距、泄水孔管徑、縱向排水管管徑及數(shù)量，適當(dāng)數(shù)量的集水池可有效地解決南流江大橋跨越飲用水源保護(hù)區(qū)的排水問題。

5 結(jié)語

根據(jù)對欽北高速公路改擴(kuò)建橋梁排水的詳細(xì)計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

(1)高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目因路面加寬后，橋梁排水問題尤需重視，需要重新對橋面徑流及縱向徑流收集系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

(2)隨著環(huán)保意識的加強(qiáng)和水土保持的需要，公路橋面排水措施越來越完善。如在橋梁側(cè)面設(shè)置縱向集水管，沿橋墩設(shè)置豎向排水管連接橋下排水溝，橋下設(shè)置污水收集池。

(3)對于跨越應(yīng)用水源保護(hù)區(qū)、河流較寬、橋面寬、縱坡小的橋尤為需要重視排水設(shè)計(jì)，重點(diǎn)可以采用加密泄水管孔、增加泄水管孔徑、加粗縱向排水管管徑、在梁高范圍內(nèi)適當(dāng)增加縱向排水管的縱坡、橋面設(shè)置明溝等改善排水等的措施；采用集中排水，設(shè)置污水收集池的方式避免對環(huán)境造成污染。