唐樂東，植凱欣

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著近些年城市降水量的增加，城市橋梁工程排水問題受到了人們的廣泛關(guān)注，城市橋梁的排水能力不僅關(guān)系城市交通體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也會(huì)影響橋梁的使用壽命。由于城市橋梁是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，橋梁規(guī)模越大，其在降水過程中收集的雨水就越多，如果排水能力和效率不足，會(huì)導(dǎo)致橋面積水增加，威脅城市交通安全和橋梁自身的穩(wěn)定性。

常規(guī)城市橋梁排水系統(tǒng)主要通過橋面的縱坡與橫坡將雨水集中到泄水孔，然后經(jīng)由排水管道排入城市雨水系統(tǒng)或者河流。而橋面排水坡度需要控制在0.5%～0.2%，并且考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式和具體狀況。在泄水孔的設(shè)計(jì)上，需要保障距離合理，上部覆蓋雨水篦子，確保其具有良好的集水和泄水能力。在管道設(shè)計(jì)上，需要管道直徑滿足排水需求，排布美觀。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的橋梁排水系統(tǒng)在強(qiáng)降水中泄水能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)大范圍積水甚至漫流現(xiàn)象。為此，排水能力強(qiáng)，效果優(yōu)秀的新型排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的研究價(jià)值。

2 橋面?zhèn)鹘y(tǒng)雨水排水系統(tǒng)類型與改良分析

從目前市政橋梁排水系統(tǒng)的發(fā)展來看，常見的排水系統(tǒng)類型可以根據(jù)其排水口的設(shè)計(jì)方式分為3種：進(jìn)水口接泄水管直接下排方式；防撞護(hù)欄外加排水槽排水方式；進(jìn)水口接排水管與落水管沿橋墩下排方式。3種方式均能實(shí)現(xiàn)常規(guī)橋面雨水排水，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)和排水需求進(jìn)行排水量設(shè)計(jì)。但是存在一些問題，有待改進(jìn)。

2.1 橋面?zhèn)鹘y(tǒng)雨水排水系統(tǒng)類型

2.1.1 進(jìn)水口接泄水管排水方式

這種排水方式主要使用在城市簡單高架橋上，且橋梁下部無車輛和行人通行的情況。橋面的雨水在橫坡與縱坡的作用下流向泄水孔，雨水通過連接進(jìn)水口的泄水管直接排放到橋下。這種排水方式主要問題在于其排放的雨水沒有進(jìn)行有效的集中處理，一些橋面污染物會(huì)隨著雨水排放到自然環(huán)境中，對(duì)環(huán)境造成惡劣影響。甚至由于直連的排水管設(shè)置不合理，導(dǎo)致雨水濺落在橋墩等其他橋梁構(gòu)件上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成腐蝕。圖1所示為常見進(jìn)水口接泄水管排水系統(tǒng)示意圖，泄水管直排雨水造成的不穩(wěn)定因素較多，在風(fēng)力等作用下極易腐蝕橋梁結(jié)構(gòu)。

圖1 進(jìn)水口接泄水管排水系統(tǒng)

2.1.2 防撞護(hù)欄外加排水槽形式

防撞護(hù)欄外加排水槽種橋梁排水系統(tǒng)形式是在橋梁防撞護(hù)欄的外側(cè)增設(shè)排水槽，在橋面雨水匯集到泄水孔后，通過連接泄水口的管道將雨水排放到護(hù)欄外側(cè)的雨水槽中，然后經(jīng)由雨水槽統(tǒng)一集中到落水管道內(nèi)，通過管道將雨水排入城市排水系統(tǒng)中。落水管道需要與橋梁結(jié)構(gòu)契合。這種排水系統(tǒng)可以避免雨水排到自然環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的統(tǒng)一收集處理，而且在管道堵塞后可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、疏通。缺點(diǎn)在于護(hù)欄外側(cè)設(shè)置雨水槽，施工成本增加，橋梁美觀性下降。如圖2所示，為防撞護(hù)欄外加排水槽排水系統(tǒng)，其需要采用大量的排水管道，施工難度與設(shè)計(jì)難度均有所提高。

圖2 防撞護(hù)欄外加排水槽

2.1.3 進(jìn)水口接排水管與落水管形式

進(jìn)水口接排水管與落水管這種排水方式與進(jìn)水口直接泄水管的方式原理基本相同，但是在其中加入了排水管與落水管，將直接排放到自然環(huán)境中的雨水通過管道進(jìn)行了收集，可以集中處理雨水，避免雨水對(duì)橋梁構(gòu)件造成破壞。在增加排水管道后，雖然解決了一些弊端，但是，管道尺寸和結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上影響排水效率和性能，加之橋面的泥沙較多，管道發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)更大。

2.2 傳統(tǒng)橋面雨水管道排水系統(tǒng)改良分析

在城市橋梁雨水管道設(shè)計(jì)中，橋面泄水流速和流量是非常重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)，由于我國橋梁排水設(shè)計(jì)規(guī)定排水坡度在0.5%～2%，所以，橋面的集水能力基本被限定，需要從排水系統(tǒng)入手，提高橋面的排水能力和效率。

通過分析與實(shí)踐證明，橋面雨水排水效率與雨水口設(shè)計(jì)尺寸、位置、間距等有密切關(guān)系。但是，橋梁排水設(shè)計(jì)規(guī)范要求：排水口寬度200～300 mm，設(shè)長度為300～400 mm的排水孔，并且上部需設(shè)置格柵蓋板，排水口間距不得大于20 m，并且設(shè)計(jì)要滿足橋面排水要求，避免出現(xiàn)不足或者浪費(fèi)[5]。這就在一定程度上限制了排水系統(tǒng)的排水能力。

除此之外，在橋面排水系統(tǒng)運(yùn)行中，雨水口內(nèi)旋流形成的摻氣、堵塞等問題，也會(huì)對(duì)其排水能力造成影響。所以，傳統(tǒng)橋梁排水系統(tǒng)改良優(yōu)化上，需要從排水方式上著手，傳統(tǒng)排水方式均可以看作是被動(dòng)式排水，依據(jù)水流重力完成集水與排水。通過改良和優(yōu)化，利用水流形成虹吸作用，可以實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的主動(dòng)排水，利用負(fù)壓快速排除橋面積水。而這一優(yōu)化的關(guān)鍵在于對(duì)內(nèi)旋流摻氣的處理，使其形成負(fù)壓，利用虹吸原理進(jìn)行排水。

3 新型橋面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 新型橋面排水系統(tǒng)概述

新型橋面排水系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，集水裝置與排水管道系統(tǒng)。集水裝飾包括格柵蓋板、集水井、雨水斗和沉沙槽。如圖3所示，降水時(shí)，橋面雨水會(huì)通過排水橫縱坡集中到集水井，格柵改變可以有效過濾較大雜物，雨水斗則是新型排水系統(tǒng)的核心，可以有效防止雨水旋流和空氣進(jìn)入排水系統(tǒng)中，利用水流重力實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流和整流的作用，減少排水過程中的摻氣量。在集水井中，雨水斗高度略高于井底，當(dāng)積水超過雨水斗時(shí)可以觸發(fā)虹吸排水，而泥沙則沉淀在集水井的沉沙槽中，防止泥沙進(jìn)入排水管道中造成堵塞。

圖3 橋面新型排水系統(tǒng)

3.2 橋面新型排水系統(tǒng)工作原理

降水時(shí)，隨著橋面雨水的增加，雨水會(huì)逐漸通過橋面的排水坡流入集水井中，集水井內(nèi)降水較少時(shí)，水流通過泄水孔流入管道內(nèi)，完成排水，橋面不會(huì)產(chǎn)生積水。水流中存在的空氣也不會(huì)對(duì)排水能力造成太大的影響，摻入的空氣不會(huì)造成排水系統(tǒng)工作能力下降。當(dāng)降水量過大時(shí)，自然流動(dòng)排水無法滿足排量要求，集水井中的積水高度增加，淹沒雨水斗，水流中摻入的空氣量降低，在雨水斗作用下形成虹吸排水結(jié)構(gòu)，在雨水重力作用下形成負(fù)壓，快速將集水井中的雨水抽入排水管道中。

3.3 新型橋面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行橋面新型排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)對(duì)雨水口的泄水能力進(jìn)行計(jì)算，使其滿足橋面排水性能要求。根據(jù)其工作原理分析，可以將泄水口排水看作兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。（1）降水量較小，雨水緩慢流入泄水口中，完成排水；（2）降水量大，集水井中的積水淹沒泄水口，形成負(fù)壓排水狀態(tài)。常規(guī)流量下，排水性能可以得到保障，因此，需要重點(diǎn)對(duì)負(fù)壓狀態(tài)下的排水能力進(jìn)行計(jì)算與分析，從而設(shè)計(jì)橋面排水系統(tǒng)。

在降水量極大，需要滿負(fù)荷排水時(shí)，排水形成的壓力不足以沖破水封狀態(tài)，排水管道內(nèi)會(huì)形成滿流狀態(tài)。負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生虹吸作用提高排水系統(tǒng)的抽吸能力，對(duì)集水井中的積水進(jìn)行主動(dòng)抽吸，其泄水能力將會(huì)大大提高。滿載狀態(tài)下的懸吊管與立管泄水由于規(guī)格相同，所以，能力是相同的，此時(shí)，將排水系統(tǒng)立管的末端與進(jìn)水口看作兩個(gè)排水?dāng)嗝?，根?jù)伯努利方程得到：

式中，H1為立管進(jìn)進(jìn)水口高差，m；H2立管末端高差，m；P1為水流受到進(jìn)水口管壁摩擦力，N/m2；P2為水流受到立管末端向上摩擦力，N/m2；V1為水流進(jìn)入立管進(jìn)水口的最大速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為水流密度，kg/m3，包括了沿程水頭損失與局部水頭損失；hw為管道水頭損失。

通過對(duì)公式的簡化，可以得到：

式中，ζ為排水系統(tǒng)的局部水頭損失系數(shù)；λ為排水管道沿程水頭損失系數(shù)；V2為水流在立管末端的最大速度，m/s；H為兩個(gè)排水?dāng)嗝嬷g的高差，m；l為排水管道的長度，m；d為排水管道的直徑，m。

最終得到排水系統(tǒng)的泄水流量為：

通過公式，可以對(duì)橋面排水系統(tǒng)滿負(fù)荷排水能力進(jìn)行計(jì)算，從而優(yōu)化橋面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，合理設(shè)置排水口間距、排水管道尺寸，提高橋面排水性能。

4 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前城市橋梁排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，對(duì)傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化和解決，提出了將建筑屋面虹吸式排水結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋梁排水系統(tǒng)中，在符合橋梁排水規(guī)范要求的情況下，提供了排水能力。通過分析計(jì)算得到了滿負(fù)荷運(yùn)行情況下虹吸式排水系統(tǒng)的排水量計(jì)算公式，為排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)了排水篦子會(huì)一定程度上影響排水系統(tǒng)集水速度，從而不利于橋面排水的通暢，需要及時(shí)對(duì)排水篦子過濾的雜物進(jìn)行清理，保障排水口通常暢整潔。