唐細(xì)彪

（1.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢430034）

0 引 言

近些年，隨著推進(jìn)資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)和發(fā)展，在要求保證工程建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，越來(lái)越注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，故而對(duì)跨越水質(zhì)要求高、重要敏感城市湖泊的橋梁排水，也越來(lái)越重視[1]。相關(guān)資料表明，在公路或城市橋梁運(yùn)營(yíng)期間，路面初期雨水徑流污染物成分復(fù)雜，降雨所產(chǎn)生的橋面徑流（尤其是初期徑流）含有一定數(shù)量的懸浮顆粒物、有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬等污染物，若未經(jīng)處理，直接排入河流、湖泊中，可能引起受納水體水質(zhì)變差。同時(shí)，各類(lèi)化學(xué)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)輛在敏感水域路段一旦發(fā)生事故導(dǎo)致危險(xiǎn)品直接泄入水體，對(duì)水環(huán)境也將產(chǎn)生極大危害，甚至破壞水生生態(tài)環(huán)境。另外，從國(guó)內(nèi)城市跨河流橋梁排水現(xiàn)狀來(lái)看，絕大多數(shù)舊橋橋梁都存在橋面排水設(shè)施缺失或不暢情況，橋面排水將通過(guò)橋面或豎向泄水孔直接流入江河體，極易對(duì)受納水體造成影響[2-5]。

因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，有必要設(shè)計(jì)一種舊橋橋面排水應(yīng)急改造系統(tǒng)，能夠?qū)形廴疚锏挠晁秃形；返挠晁M(jìn)行分離，并避免含有污染物或?；返挠晁苯恿魅虢芋w中。

1 工程背景

某大橋位于廣西柳州，跨越城市飲用水源頭——柳江。主橋?yàn)橐宦?lián)五跨變高度連續(xù)箱梁。大橋全長(zhǎng)605 m，橋面寬32.9 m。橋面縱橫向均為雙坡，橋上最大縱坡為2.49%。橫橋向坡度約為2%。

目前，橋面泄水孔情況良好，順橋向按間距15 m布置，橫橋向?qū)ΨQ(chēng)布置在防撞護(hù)欄側(cè)邊，預(yù)留孔管徑為φ100 mm，且基本處于疏通狀態(tài)，但橋梁豎向泄水管和縱向排水管缺失（見(jiàn)圖1），橋梁兩端均未設(shè)置收集池，道橋面排水通過(guò)泄水孔直排于柳江中，對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境有一定的影響。

圖1 實(shí)橋排水系統(tǒng)現(xiàn)狀照片

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)大橋排水現(xiàn)狀，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：沿大橋主橋安裝豎向泄水管、縱向排水管道，縱向管道每隔一段距離設(shè)置溢流管、沉沙箱和橡膠伸縮軟管三個(gè)裝置，分別實(shí)現(xiàn)縱向管道泄水、清理沙土和變形等功能。在大橋兩端頭設(shè)置應(yīng)急池。正常雨水時(shí)，利用現(xiàn)有橋面泄水管，通過(guò)縱向排水管，引導(dǎo)至地面排水管道，并分別通過(guò)調(diào)節(jié)池和隔油池，最后進(jìn)入市政管網(wǎng)。當(dāng)橋面雨水較大時(shí)，在保證初期雨水進(jìn)入市政管網(wǎng)的前提下，部分無(wú)污染雨水將通過(guò)溢流設(shè)施，直接排入柳江。當(dāng)橋面危化品運(yùn)輸車(chē)發(fā)生事故時(shí)，?；肺廴疚飳⒘魅肟v向排水管，并進(jìn)入地面排水管道。此時(shí)將被安裝在管道上的?；纷R(shí)別傳感器識(shí)別，并通過(guò)控制器將危化品引導(dǎo)至應(yīng)急池，以待后續(xù)集中處理。三種情況橋面排水系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2，整體布置見(jiàn)圖3。

圖2 三種情況下橋面排水系統(tǒng)流程圖

圖3 舊橋橋面排水和收集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3 縱向排水管道設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有橋面排水設(shè)計(jì)，分別設(shè)置DN100 HDPE 豎向落水管對(duì)已有泄水管進(jìn)行收集。橋梁兩腹板各設(shè)計(jì)一排HDPE 縱向排水主管與豎向落水管連接，縱向管采用支架進(jìn)行安裝固定，坡度與橋面坡度一致。

由于縱向排水管的管徑受暴雨強(qiáng)度和管道水力的影響，縱向排水管的管徑規(guī)格應(yīng)按照下列流程進(jìn)行計(jì)算：首先通過(guò)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50014—2006）》第3.2.1 條流量公式計(jì)算流量。

式中：Q 為設(shè)計(jì)流量；F 為匯流面積；φ 為徑流系數(shù)，取值0.90；q 為暴雨強(qiáng)度。

暴雨強(qiáng)度q 采用強(qiáng)度公式則依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50014—2006）》第3.2.3 條計(jì)算。以柳州市為例，暴雨強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：地面的徑流時(shí)間t 取5 min；重現(xiàn)期P 取5年。

管道水力計(jì)算則采用公式

式中：V 為流速；R 為水力半徑；I 為水力坡降；n 為管道內(nèi)的粗糙系數(shù)。

最終計(jì)算得到本橋縱向排水管管徑在200 ～450 mm 范圍?？紤]到增加排水系統(tǒng)對(duì)舊橋受力有一定的影響，本橋縱向排水管道將按計(jì)算下限取值，管徑取值為200 mm。

4 溢流管設(shè)計(jì)

由于降雨初期存在淋洗效應(yīng)，因此路面徑流的污染負(fù)荷主要集中于降水初期，而降水初期縱向排水管內(nèi)的流量還處于正常范圍內(nèi)，此時(shí)的雨水會(huì)被調(diào)節(jié)池、隔油池進(jìn)行處理，然后進(jìn)入市政管網(wǎng)。隨著雨量逐漸增大，縱向排水管泄水能力不能滿(mǎn)足，但此時(shí)，初期雨水已進(jìn)行處理，后期路面徑流的污染物較少，雨水可通過(guò)在縱向管設(shè)置的溢流管直接流入江中。

設(shè)計(jì)時(shí)，溢流管管材和規(guī)格與豎向落水管相同，采用DN100 HDPE，溢流管出口的最高高度高于縱向排水管頂部，具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 溢流管布置示意圖

5 沉沙箱設(shè)計(jì)

橋面的塵土等雜物常常較多，而這些物質(zhì)會(huì)隨著橋面雨水徑流流至縱向排水管內(nèi)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累堆積，將會(huì)大大影響縱向排水管的泄水能力，嚴(yán)重時(shí)，可能將縱向排水管堵塞。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可以解決該問(wèn)題的沉沙箱裝置。

沉沙箱兩側(cè)壁與縱向排水管相連，當(dāng)含有塵土等雜物的雨水通過(guò)縱向排水管流至沉沙箱時(shí)，大部分的塵土等雜物會(huì)沉淀至沉沙箱底，從而能夠保證排水效率。當(dāng)沉沙箱底部設(shè)置泄沙孔，頂部采用的是開(kāi)啟式箱門(mén)，橋梁管養(yǎng)人員可定期開(kāi)啟檢查；當(dāng)沉沙積滿(mǎn)而影響排水時(shí)，可通過(guò)泄沙孔定期清理。沉沙箱體采用鋼材，數(shù)量根據(jù)橋梁規(guī)模來(lái)定，一般建議每隔50 m布置一個(gè)，沉沙箱容積為0.5 m3，具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 沉沙箱布置示意圖

6 ?；纷R(shí)別傳感器設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)在落地管道上安裝?；纷R(shí)別傳感器。該傳感器包括電導(dǎo)率檢測(cè)傳感器、介電常數(shù)檢測(cè)傳感器、pH 值檢測(cè)傳感器和控制器四個(gè)構(gòu)件（見(jiàn)圖6）。其原理為：當(dāng)?；吠ㄟ^(guò)時(shí)，傳感器將識(shí)別到電導(dǎo)率、介電常數(shù)和pH 值中一個(gè)或多個(gè)超過(guò)預(yù)設(shè)臨界值，控制器將發(fā)出指令[6]，關(guān)閉后續(xù)通往市政管網(wǎng)的開(kāi)關(guān)，同時(shí)打開(kāi)通往應(yīng)急池的開(kāi)關(guān)，從而使?；繁皇占趹?yīng)急池內(nèi)，以待后續(xù)集中處理。

圖6 ?；纷R(shí)別傳感器示意圖

7 應(yīng)急池設(shè)計(jì)

7.1 應(yīng)急池容量

根據(jù)《事故狀態(tài)下水體污染的預(yù)防與控制技術(shù)要求》（Q/SY 1190—2009）和《化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50483—2009）的規(guī)定，對(duì)于一般的新建、擴(kuò)建、改建和技術(shù)改造的建設(shè)項(xiàng)目，其應(yīng)急事故池的容積可按照下列公式計(jì)算。

式中：V1為1 個(gè)最大容量的設(shè)備的物料儲(chǔ)存量；V2為裝置區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸和泄露事故時(shí)的最大消防用水量；V3為事故沖洗水量；V 為一輛運(yùn)輸有害液體的儲(chǔ)罐車(chē)的儲(chǔ)存量。

根據(jù)我國(guó)槽罐車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，槽罐車(chē)罐體長(zhǎng)9.2 m，長(zhǎng)軸2.38 m，短軸1.5 m，V1=罐體長(zhǎng)×長(zhǎng)軸×短軸×0.81 =26.6 m3。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014），V2取10 min 的消防用水量，流量為20 L/s，V2=20×10×60=12 m3。V3事故沖洗水量按照《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2009）中第3.1.10 條取3 L/m2，單座應(yīng)急事故池所需沖洗面積按照50 m 長(zhǎng)，橋?qū)挼囊话脒M(jìn)行計(jì)算。最終計(jì)算得到事故應(yīng)急池容量約50 m3。

7.2 應(yīng)急池構(gòu)造

應(yīng)急池[7]頂部設(shè)置進(jìn)人孔，底部設(shè)帶有控制閥排空管；應(yīng)急池底部坡度設(shè)置為1%。專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員可通過(guò)控制底部控制閥對(duì)?；愤M(jìn)行排泄收集處理，也可通過(guò)進(jìn)人孔進(jìn)入，人工處理，保證處理效果。在池頂部安裝?；芬何粋鞲衅鳎?dāng)液位傳感器檢測(cè)到?；芬何怀鲆欢ㄏ拗禃r(shí)，報(bào)警器將發(fā)出警報(bào)，提醒管理者做出相應(yīng)處理。具體布置見(jiàn)圖7。

圖7 應(yīng)急池布置示意圖

8 調(diào)節(jié)池和隔油池設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在落地管道分支連接調(diào)節(jié)池和隔油池。其中，調(diào)節(jié)池用于對(duì)管路雨水起緩沖作用，以防止處理池系統(tǒng)負(fù)荷的急劇變化；隔油池則利用油與水的比重差異，分離去除污水中顆粒較大的懸浮油，從而使經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池和隔油池的雨水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[8]。

在隔油池左側(cè)設(shè)置隔油壁，在隔油壁的壁板下部設(shè)置過(guò)水口。在隔油池的右側(cè)設(shè)置過(guò)水堰，以控制隔油池內(nèi)水位的高程，而且對(duì)排水負(fù)荷起著緩沖作用。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)橋面徑流排水最終出水管個(gè)數(shù)，可對(duì)進(jìn)水口個(gè)數(shù)和管徑適當(dāng)調(diào)整，保證排水全部進(jìn)入調(diào)節(jié)池和隔油池內(nèi)。另外，綜合考慮排水需求和建筑面積等因素，本橋隔油池容積定為6 m×1.8 m×2 m。具體布置見(jiàn)圖8。

圖8 隔油池布置示意圖

9 結(jié) 語(yǔ)

由于早期城市排水規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善等，國(guó)內(nèi)跨越重要城市飲用水源頭的舊橋梁，排水系統(tǒng)可能存在不足情況，橋面排水將通過(guò)泄水孔直接排入江中，對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。本文針對(duì)某舊橋設(shè)計(jì)了一種舊橋橋面應(yīng)急排水和收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置縱向排水管、?；纷R(shí)別傳感器、控制開(kāi)關(guān)、應(yīng)急池，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面初期雨水、橋面暴雨和橋面?；沸孤┑榷喾N情況的分流導(dǎo)排，一方面可以正常導(dǎo)排雨水至市政管網(wǎng)，另一方面也可收集因在橋梁上出現(xiàn)重大交通事故時(shí)引發(fā)危化品泄漏液，避免水體環(huán)境污染。另外，通過(guò)設(shè)置溢流管、沉沙箱和橡膠伸縮軟管等裝置，提高了系統(tǒng)的使用功能和壽命，相關(guān)成果可為類(lèi)似橋梁應(yīng)急排水設(shè)計(jì)提供參考。該系統(tǒng)于2019年9月安裝完成，目前運(yùn)行情況良好。