跨敏感水体公路桥梁桥面径流排水系统相关研究综述与分析.pdf

作 者 简 介：蒋 文 文（），男，江 西 南 昌 人，本 科 学 历，工 程 师，主 要 从 事 高 速 公 路 养 护 管 理 工 作。跨敏感水体公路桥梁桥面径流排水系统相关研究综述与分析蒋 文 文（江 西 省 交 通 投 资 集 团 有 限 责 任 公 司 南 昌 东 管 理 中 心，江 西 南 昌）摘要：文 章 围 绕 桥 面 径 流 排 水 系 统 优 化 设 计 要 点，从 桥 面 排 水 方 式、水 力 计 算 方 法、排 水 管 材 的选 取方 面 展 开，综 合 评 价 各 种 桥 面 排 水 方 式 的 优 势 与 不 足，总 结 常 用 的 桥 面 径 流 排 水 系 统 设 计 计算 方 法，对 比 金 属 与 非 金 属 排 水 管 材 的 性 能。指 出 目 前 桥 面 径 流 排 水 系 统 存 在 着 排 水 方 式 不 合理、系 统 设 计 缺 乏 相 关 设 计 标 准 与 验 证、管 理 养 护 缺 失 等 问 题，为 桥 面 径 流 排 水 系 统 优 化 提 供 思 路和 借 鉴。关 键 词：跨 越 水 体；桥 面 排 水；排 水 方 式；水 力 计 算；管 材 选 用前言桥 梁 跨 越 水 体 的 环 保 要 求 越 来 越 高，年 发布 关 于 加 强 公 路 规 划 和 建 设 环 境 影 响 评 价 工 作 的通 知 后，行 业 专 家 就 桥 面 径 流 排 水 系 统 的 重 要 性达 成 普 遍 共 识 并 围 绕 其 设 计 及 施 工 开 展 了 大 量 的研 究，国 内 跨 越 敏 感 水 体 的 桥 梁 基 本 实 施 了 桥 面 径流 排 水 系 统 的 设 计 和 安 装，然 而，目 前 仍 缺 少 可 参考 的 设 计 规 范，很 多 方 面 均 未 形 成 统 一 认 识，包 括排 水 方 式、排 水 管 的 材 料 及 结 构 形 式、功 能。本 文参 考 国 内 外 桥 面 径 流 排 水 系 统 的 研 究 进 展 资 料，总结 常 见 的 桥 面 排 水 形 式、桥 面 排 水 系 统 设 计 方 法、桥 面 排 水 管 材 应 用 现 状，并 对 桥 面 排 水 系 统 存 在 的问 题 进 行 了 简 要 分 析。常 见 的 桥 面 排 水 形 式仅 纵 向 管 道 排 水该 设 计 理 念 是 完 全 通 过 竖 向 泄 水 管 将 雨 水 汇入 纵 向 水 管 进 行 排 水，这 种 排 水 方 式 的 优 点 是 可 以将 桥 面 上 的 降 水 或 危 险 化 学 品 运 输 事 故 造 成 的 消防 污 水 引 流 排 放 至 指 定 位 置，缺 点 是 由 于 汇 水 面 积大、管 线 长、纵 坡 小，导 致 纵 向 管 径 大，需 要 在 桥 面下 设 置 专 门 的 支 撑 装 置，桥 梁 景 观 效 果 欠 佳。利 用 桥 面 停 车 带 排 水该 排 水 方 式 适 用 于 桥 梁 外 侧 设 有 紧 急 停 车 带的 工 况，通 过 取 消 紧 急 停 车 带 上 面 层 沥 青 混 合 料，形 成 桥 面 排 水 沟 进 行 排 水。优 点 是 避 免 在 桥 梁 悬臂 外 缘 设 置 纵 向 排 水 管，桥 梁 美 观 的 同 时 解 决 了 超长 桥 梁 排 水 环 保 设 计 中 存 在 的 问 题；缺 点 是 桥 梁 必须 设 有 紧 急 停 车 带，且 必 须 结 构 连 续，不 能 有 伸 缩装 置。宁 常 高 速 公 路 卧 龙 湖 大 桥 上 部 结 构 采 用 现 浇预 应 力 混 凝 土型 支 撑 连 续 箱 梁，采 用 了 桥 面 外 侧 紧 急 停 车 带 形 成 的 桥 面 排 水 沟 进 行 桥 面排 水。纵 向 排 水 管 与 排 水 槽 相 结 合 排 水该 设 计 理 念 主 要 是 针 对 高 速 公 路 外 侧 设 置 有双 层 防 撞 护 栏 的 情 况，利 用 双 层 护 栏 间 缓 冲 区 域 排水，如 果 桥 梁 太 长 造 成 桥 头 处 排 水 槽 内 雨 水 会 外 溢至 行 车 道，此 时 可 以 考 虑 采 用 增 设 纵 向 排 水 管，利用 纵 向 排 水 管 与 桥 面 纵 坡 的 坡 差，将 排 水 口 位 置 提至 流 水 面 以 上。广 东 省 汕 头 至 湛 江 高 速 公 路 揭 西 大 溪 至 博 罗石 坝 段 项 目 东 江 特 大 桥 采 用 了 纵 向 排 水 管 与 排 水槽 相 结 合 的 排 水 方 式。“初 期 收 集直 接 排 放”相 结 合 排 水该 排 水 方 式 采 用“低 位”和“高 位”两 层 的 排 水系 统，初 期 降 雨 时，雨 水 径 流 由 低 位 排 水 系 统 排 放至 堤 外 进 行 收 集 处 理；随 着 降 雨 持 续，桥 面 径 流 深度 逐 渐 变 大，径 流 污 染 物 浓 度 降 低，此 时 雨 水 径 流会 由 高 位 的 排 水 系 统 直 接 流 向 周 边 水 体。这 种 桥面 排 水 设 计 区 分 了 初 期 雨 水 和 中 后 期 雨 水，有 效 防止 危 化 品 泄 露 引 发 的 水 污 染，同 时 提 高 了 较 长 桥 梁的 排 水 效 率，缺 点 是 由 于 低 位 与 高 位 的 排 水 口 标 高不 一 致，雨 量 较 大 时 会 出 现 水 流 受 阻 排 水 不 畅 的 情况，也 可 能 会 出 现 初 期 雨 水 从 高 位 排 水 口 排 出 的 情况，此 外 桥 面 景 观 效 果 也 因 排 水 口 个 数 多 而 欠 佳。宁 常 高 速 公 路 滆 湖 大 桥、内 蒙 古 昭 君 黄 河 大桥、溧 河 洼 特 大 桥等 均 采 用 了“初 期 收 集直接 排 放”的 排 水 设 计。“纵 主 侧 辅”组 合 式 排 水当 桥 梁 外 侧 护 栏 具 备 设 置 水 平 排 水 管 的 条 件时，可 以 考 虑 采 用 本 方 案，即 在 桥 梁 上 设 置 纵 向 收集 排 水 系 统 的 同 时，在 桥 梁 外 侧 护 栏 高 出 桥 面 一 定高 度 处 设 置 水 平 排 水 管。在 常 规 降 雨 或 发 生 事故 危 险 品 泄 漏 这 种 小 流 量 条 件 下，雨 水 仅 从 桥 梁 主体 纵 向 收 集 排 水 系 统 排 放，而 在 暴 雨 及 以 上 降 雨 条件 下，护 栏 侧 向 排 水 管 可 作 为 辅 助 措 施 将 雨 水 及 时排 放 掉。该 方 案 的 优 点 是 提 高 排 水 效 率，可 减 小 纵向 排 水 管 直 径；缺 点 是 对 护 栏 的 阻 拦 作 用 产 生 一 定的 削 弱 影 响，且 景 观 效 果 稍 差。隐 式 组 合 排 水该 设 计 理 念 是 在 保 证 具 良 好 排 水 能 力 的 同 时，统 筹 考 虑 了 桥 梁 整 体 景 观 效 果，提 出型 截 面 明 式纵 向 排 水 沟 和 墙 式 护 栏 底 部 暗 埋 管 式 纵 向 排 水 管组 合 的 桥 面 排 水 体 系，避 免 了 外 挂 式 排 水 管 存 在 老化 脱 落 的 问 题，更 好 适 应 雨 量 充 沛 区 域 的 排 水需 求。湛 江 环 城 高 速 南 三 岛（坡 头 至 南 三 岛 段）大 桥采 用 了 桥 面型 截 面 明 式 纵 向 排 水 沟、墙 式 护 栏 底部 暗 埋 管 式 纵 向 排 水 管、埋 入 式 桥 墩 竖 向 排 水 管、地 面 排 水 系 统 组 合 的 绿 色 排 水 体 系。桥 面 排 水 系 统 设 计 方 法纵 向 排 水 管 尺 寸 的 确 定 逐 段 计 算 法（）确 定 桥 面 汇 流 历 时。桥 面 雨 水 实 际 上 是 从桥 面 最 高 处 沿 纵 横 坡 的 合 成 坡 汇 流 至 泄 水 孔，再 经排 水 管（槽）排 出。因 此，汇 流 历 时 包 括 桥 面 汇 流 历时和 管 槽 汇 流 历 时。桥 面 汇 流 历 时 为 桥 面 最高 处 雨 水 流 至 第 一 个 泄 水 口 的 时 间，在 设 计 计 算时，根 据 公 路 排 水 设 计 规 范（），单 向 三 车 道 及 以 下 的 桥 面 汇 流 历 时 可 取，单 向 三 车 道 以 上 的 桥 面 汇 流 历 时和 管 槽 汇流 历 时计 算 公 式 分 别 为：（）()（）（）（）式（）和（）中：地 表 粗 糙 度 系 数，沥 青 路 面、水 泥 混 凝 土 路面 取；坡 面 流 的 长 度，一 般 为 桥 面 宽 度（单 向 坡）或 桥 面 宽 度 的 一 半（双 向 坡）；桥 面 的 横 坡 坡 度；管 段 的 长 度；管 槽 内 平 均 流 速。（）根 据 研 究 区 域 暴 雨 强 度 计 算 公 式 计 算 设 计重 现 期 初 始 管 段 设 计 降 雨 历 时 内 的 平 均 降 雨 强度，。（）先 后 按 照 式（）至（）计 算 设 计 流 量、设 计 管 径、平 均 流 速，水 流 流 行 时 间按 式（）计 算。，（）（）（）（）式（）至（）中：设 计 径 流 量，；径 流 系 数；，设 计 重 现 期 河 降 雨 历 时 内 的 平 均 降 雨 强度，；汇 水 面 积，；过 水 断 面 面 积，；糙 率 系 数；水 力 半 径，；水 力 坡 度；湿 周，。（）采 用 同 样 的 方 法，依 次 计 算 第，段管 段 的 设 计 流 量、设 计 管 径、平 均 流 速 及 流 行 时 间，直 至 计 算 完 全 部 管 段 为 止。简 化 计 算 法当 桥 梁 较 短 或 者 为 了 美 观 等 因 素，桥 梁 纵 向 排水 管 槽 可 采 用 相 同 管 径 或 断 面 尺 寸，计 算 过 程 可 简化 为 如 下 步 骤：（）采 用 公 式（）确 定 桥 面 汇 流 历 时。（）假 定 一 设 计 管 径 或 明 槽 断 面 及 水 深，管 道采 用 满 流 设 计、明 槽 采 用 明 渠 流 设 计，则 可 求 出 水力 半 径，进 而 根 据 曼 宁 公 式 可 求 出 管 槽 内 平 均 流 速和 过 水 能 力。（）采 用 公 式（）计 算 管 槽 汇 流 历 时。（）采 用 公 式（）计 算 设 计 径 流 量。（）比 较与，当 两 者 较 接 近 时，说 明（）假 定 的 管 槽 断 面 尺 寸 取 值 合 适，相 应 的 径 流 量 即 为最 大 设 计 径 流 量。收 集 池 容 积 的 确 定桥 面 径 流 污 染 物 成 分 复 杂，来 源 广 泛，且 与 路面 材 料、车 流 量 大 小、气 候 状 况、降 雨 特 征 等 诸 多 因素 有 关，具 有 随 机 性 和 不 确 定 性。相 关 研 究 表 明，降 雨 过 程 中 一 般 初 期 雨 水 污 染 物 浓 度 较 高，随 着 降雨 的 持 续，污 染 物 浓 度 逐 渐 降 低 并 趋 于 稳 定。虽 然已 有 研 究 成 果 使 大 家 对 初 期 雨 水 的 污 染 程 度 有 所认 识 并 引 起 了 重 视，但 初 期 雨 水 的 定 义 是 什 么，初期 雨 水 量 到 底 是 多 少，均 尚 未 形 成 统 一 认 识。为 有 效 防 范 危 化 品 泄 露 及 初 期 雨 水 直 排 对 受纳 水 体 的 污 染，设 置 收 集 池 是 目 前 最 常 用 的 防 护 措施，而 初 期 雨 水 径 流 量 是 影 响 收 集 池 设 计 的 关 键。在 实 际 工 程 中，主 要 形 成 了类 初 期 雨 水 界 定方 法：（）以 降 雨 径 流 量 来 界 定，有 学 者 建 议 将 一 场降 雨 径 流 量 的 前作 为 初 期 雨 水；（）以 降 雨 时 间 来 界 定，也 有 研 究 将 一 场 降 雨前的 径 流 作 为 初 期 雨 水；（）以 径 流 深 度 来 界 定。建 筑 与 小 区 雨 水 利用 工 程 技 术 规 范 （）中 规 定 初 期雨 水 径 流 量 应 按 照 下 垫 面 实 测 收 集 雨 水 的、色 度 等 污 染 物 浓 度 确 定，无 资 料 时 地 面 弃 流 可采 用 径 流 厚 度。刘 鹏将 降 雨 前 期降 水 深 度 的 径 流 作 为 初 期 雨 水 设 计 了 国 家 体育 场 雨 水 收 集 系 统 中 的 弃 流 池。何 强 等提 出 采用 最 优 分 割 模 式 识 别 初 期 冲 刷 现 象，结 果 表 明，对于 坡 度 不 明 显 的 混 凝 土 道 路 径 流，平 均 初 期 径 流 控制 量 为。杨 文 娟 等考 虑 到 桥 面 径 流 收 集 的意 义 在 于 避 免 污 染 物 浓 度 较 高 的 初 期 雨 水 直 排 至周 围 水 体，初 期 雨 水 量 不 应 随 降 雨 强 度 和 降 雨 历 时变 化，因 此 采 用 降 雨 前 期降 水 深 度 对 应 的 雨 水量 为 初 期 雨 水 量。王 文 菊 等参 照 建 筑 与 小 区雨 水 利 用 工 程 技 术 规 范 （）并 结 合项 目 实 际，采 用径 流 厚 度 对 应 的 雨 水 量 为 初 期雨 水 量。桥 面 排 水 管 材 应 用 现 状非 金 属 排 水 管 材目 前，在 实 际 工 程 中 可 用 于 桥 面 排 水 的 非 金 属管 材 主 要 有：、等，其 优 缺 点 具 体 如 表所 示。表非 金 属 排 水 管 材 性 能 对 比 汇 总 表序 号材 料 名 称材 质优 点缺 点管高 密 度 聚 乙 烯连 接 性 好，低 温 抗 冲 击 性 好，抗 应 力 开裂 性 好，耐 化 学 腐 蚀 性 好，耐 老 化，使用 寿 命 长，耐 磨 性 好，可 挠 性 好 等。质 量 较 重，比 管 有 很 大的 线 胀 系 数；阻 燃 性 差；力 学 性能 差，管 卡 及 吊 装 设 置 密 度 高。管三 型 聚 丙 烯无 规 共 聚 聚 丙 烯性 能 稳 定，耐 热 保 温，耐 腐 蚀，内 壁 光滑 不 结 垢、管 道 系 统 安 全 可 靠，并 不 渗透，使 用 寿 命 长。以 下 存 在 一 定 低 温 脆 性；受紫 外 线 照 射 易 老 化 降 解；线 膨 胀系 数 较 大。管聚 氯 乙 烯 树 脂传 统 非 金 属 管 材 材 质，应 用 范 围 广，具有 质 量 轻、耐 腐 蚀、耐 老 化、不 结 垢、施工 简 易 等。耐 温 度 性 能 差；刚 度 大，容 易 受到 破 坏，难 以 制 备 大 口 径 管。续 表序 号材 料 名 称材 质优 点缺 点 管聚 氯 乙 烯 树 脂比 更 柔 韧，线 膨 胀 系 数 低，耐热 性 能 强、受 温 度 影 响 小。耐 温 度 性 能 差；受 温 度（低 温）影响 大，刚 度 大，容 易 受 到 破 坏。玻 璃 钢 管（管）主 要 以 玻 璃 纤 维 及 其 制 品为 增 强 材 料，以 高 分 子 成分 的 不 饱 和 聚 酯 树 脂、环氧 树 脂 等 为 基 本 材 料，以石 英 砂 及 碳 酸 钙 等 无 机 非金 属 颗 粒 材 料 为 填 料 作 为主 要 原 料。防 腐 性 能 好，抗 老 化 性 能 和 耐 热 性 能好，抗 冻 性 能 好，内 壁 光 滑、输 送 能 力强，不 结 垢、不 生 锈、水 阻 小，耐 磨 性好，电 热 绝 缘 性 好，抗 高 压 性 强 等。质 量 重，刚 性 强，管 口 连 接 易松 动。铸 铁 管柔 性 接 口 铸 铁 排 水 管（以 下 简 称“铸 铁 管”）是目 前 最 为 常 用 的 金 属 排 水 管，其 材 料 强 度 高，承 压能 力 强，远 优 于管、管 及 管等 非 金 属 管，耐 热 性 能 好，抗 震 性 能 好，且 不 易 发 生渗 漏。但 同 时 也 存 在 质 量 大、易 腐 蚀、水 流 阻 力 大、可 挠 性 差 的 缺 点。结语尽 管 跨 敏 感 水 体 的 桥 梁 基 本 都 实 施 了 桥 面 排水 系 统 的 设 计 和 安 装，桥 面 排 水 系 统 的 设 计 仍 存 在以 下 问 题：（）桥 面 排 水 形 式 单 一，未 考 虑 地 域 差 异，大 部分 纵 向 排 水 管 为管，采 用 外 锚 式 设 置，对 于 大型 箱 梁 桥 在 其 腹 板 下 锚 固 排 水 管 施 工 难 度 大、不 便于 后 期 养 护，且 影 响 桥 梁 整 体 景 观 效 果 及 其 与 周 围环 境 的 协 调 性。（）在 纵 向 排 水 管 道、收 集 池 设 计 的 过 程 中，缺乏 相 关 标 准 规 范，设 计 的 科 学 性 与 合 理 性 缺 乏 验证，从 而 导 致 在 实 际 的 运 营 中 出 现 排 水 管 道 直 径 较小、收 集 池 容 积 过 大 等 诸 多 问 题，桥 面 排 水 系 统 也发 挥 不 了 应 有 的 作 用。（）排 水 系 统 管 理 养 护 缺 失，如 泄 水 管 堵 塞、排水 管 锈 蚀、收 集 池 未 及 时 处 理 等，达 不 到 预 期 排 水与 收 集 处 理 效 果。随 着 公 路 水 环 境 风 险 防 范 措 施 科 学 化 精 细 化智 能 化 程 度 的 提 高，对 桥 面 径 流 排 水 系 统 的 环 保 性和 耐 久 性 要 求 也 越 来 越 高。因 此 亟 需 从 桥 面 径 流排 水 系 统 水 动 力 学 分 析、桥 面 径 流 排 水 系 统 易 损 因素 识 别 与 分 析、桥 面 径 流 排 水 管 材 适 用 性 等 方 面 开展 研 究，形 成 一 系 列 可 指 导 实 际 工 程 的 标 准 规 范，为 公 路 水 环 境 风 险 防 范 措 施 建 设 提 供 技 术 支 撑。参 考 文 献：张 威 振跨 越 湿 地 水 体 的 城 市 景 观 桥 梁 排 水 方 式 研 究 给 水 排 水，（）：张 祚 龙，邓 熠，孙 同 波东 江 特 大 桥 桥 面 排 水 研 究 和 环 保设 计 公 路，（）：宋 广 龙，谭 昌 富内 蒙 昭 君 黄 河 特 大 桥 排 水 设 计 分 析 公 路，（）：于 晓 磊，殷 桂 芳基 于 环 保 理 念 的 溧 河 洼 特 大 桥 桥 面 排 水设 计 现 代 交 通 技 术，（）：林 龙，冯 忠 居，罗 新 才，等公 路 桥 梁 绿 色 排 水 体 系 设 计 计算 给 水 排 水，（）：，公 路 排 水 设 计 规 范 侯 文 硕，周 国 华，葛 铜 岗，等道 路 初 期 雨 水 界 定 及 弃 流 装置 研 究 进 展 给 水 排 水，（）：谭 显 英，张 鑫 武，张 欣公 路 排 水 系 统 初 期 雨 水 沉 淀 池 设计 给 水 排 水，（）：，建 筑 与 小 区 雨 水 利 用 工 程 技 术 规 范 刘 鹏，赵 昕初 期 雨 水 弃 流 量 的 理 论 分 析 给 水 排 水，（）：何 强，王 书 敏，艾 海 男，等城 市 暴 雨 径 流 初 期 冲 刷 现 象识 别 模 式 环 境 科 学 学 报，（）：杨 文 娟，陈 莹，吴 沛敏 感 水 体 公 路 桥 梁 桥 面 径 流 排 水 系统 设 计 方 法 长 安 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：王 文 菊，付 伟跨 水 源 地 桥 梁 排 水 及 水 处 理 池 的 设 计 探 讨公 路，（）：