穆英才

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030012)

0 引 言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展,大型橋梁穿越敏感水源地和飲用水水源保護(hù)地造成的污染問(wèn)題日益受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,相關(guān)研究表明,初期雨水徑流中含有相當(dāng)數(shù)量的污染物質(zhì),成分較為復(fù)雜,主要包括廢液、汽車尾氣及其煙塵污染物、泥沙、COD(化學(xué)需氧量)、SS(懸浮物)、油類、表面活性劑、重金屬及其他無(wú)機(jī)鹽類。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)此類污染物質(zhì)及初期雨水有效地收集和處理,就變得尤為重要。對(duì)于跨越敏感水域的特大型橋梁來(lái)說(shuō),設(shè)置橋面徑流系統(tǒng)有效地避免橋面污染物污染水源,已成為行業(yè)內(nèi)的通用做法。

近年來(lái),眾多專家學(xué)者對(duì)特大型橋梁的橋面徑流系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。彭曉彬[1]通過(guò)調(diào)研?；愤\(yùn)輸車輛和初期雨水污染物濃度,提出了橋面徑流收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)多種方法進(jìn)行了分析比較;周鋮[2]以橫跨拉薩河橋梁為例,對(duì)特大橋梁的橋面徑流收集處理系統(tǒng)提出了比選方案,解決排水與環(huán)保問(wèn)題的同時(shí),對(duì)橋面縱坡和結(jié)構(gòu)形式提出了合理的設(shè)計(jì)建議;張茂林[3]以興化至東臺(tái)高速公路泰東河特大橋和通榆河特大橋?yàn)楸尘?在水力計(jì)算的基礎(chǔ)上,得出相應(yīng)的排水管長(zhǎng)度、管徑大小及收集池容積;孫淅豪[4]以廣州市南沙區(qū)上橫瀝大橋?yàn)楸尘?探討了跨越敏感水域的橋梁路面徑流收集及事故應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

對(duì)于特大型橋梁來(lái)說(shuō),設(shè)置橋面徑流收集系統(tǒng)主要是為了橋面發(fā)生危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故時(shí)能夠有效收集事故徑流防止污染橋下水源;在未發(fā)生事故時(shí),可以通過(guò)縱向排水管將橋面初期雨水引至收集池,由于后續(xù)雨水污染物濃度較低可以通過(guò)溢流孔直接排放[5]。以臨猗黃河大橋主橋?yàn)槔?對(duì)不考慮溢流的集中排水系統(tǒng)和初期收集+溢出管排水系統(tǒng)兩種橋面徑流方案進(jìn)行了分析比較,經(jīng)過(guò)水力設(shè)計(jì)計(jì)算,得出主橋適用于縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統(tǒng),同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)為保證長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)縱向排水管在伸縮縫處能夠自由伸縮變形,在55#墩處設(shè)置3 m長(zhǎng)伸縮節(jié)。

1 工程背景

臨猗黃河大橋是跨越黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段的特大型橋梁,橋梁起點(diǎn)位于山西省臨猗縣孫吉鎮(zhèn)西里村西側(cè),終點(diǎn)位于陜西省合陽(yáng)縣百良鎮(zhèn)三汲村南側(cè)。橋梁全長(zhǎng)5 427 m,引橋采用40×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁,主橋劃分為2聯(lián),橋跨布置為(112+14×128)m+(14×128+120)m=3 816 m,橋面凈寬2×11.50 m,上部結(jié)構(gòu)采用等高連續(xù)鋼箱組合梁,采用雙側(cè)頂推法施工,下部結(jié)構(gòu)為單箱多室變截面薄壁空心墩接群樁基礎(chǔ),墩底設(shè)置破冰體,主橋平面內(nèi)無(wú)平彎,縱坡1.3%,設(shè)計(jì)洪水頻率1/300,按IV(3)級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度0.15g,橋梁抗震設(shè)防類別為A類,主橋橋跨布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 臨猗黃河大橋橋跨布置圖(單位:cm)

臨猗黃河大橋主橋穿越多種敏感保護(hù)區(qū),根據(jù)環(huán)評(píng)影響報(bào)告書和環(huán)評(píng)批復(fù)、黃河水源保護(hù)的相關(guān)要求,引橋采用橋面泄水孔直排式排水,主橋橋面污水不能直接排入黃河,同時(shí)要求收集雨水池設(shè)置在黃河保護(hù)區(qū)外,對(duì)于超過(guò)設(shè)計(jì)流量的雨水一部分可以直接經(jīng)雨水收集池排出保護(hù)區(qū)外,另一部分的雨水通過(guò)縱向排水管頂?shù)囊缌骺着懦?。該橋主橋共分兩?lián),聯(lián)長(zhǎng)為1 904 m和1 912 m,橋梁縱坡+1.3%(上坡),橋面徑流收集方案的設(shè)計(jì),需結(jié)合主體結(jié)構(gòu)合理確定徑流收集方式,同時(shí)對(duì)于單聯(lián)千米級(jí)的特大橋梁,還需根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)的地理位置、地形特點(diǎn)、暴雨特征、跨敏感水域特大橋構(gòu)造和污染物成分等特點(diǎn),因地制宜地提出橋面徑流處理方案[6]。

2 橋面徑流收集系統(tǒng)方案研究

根據(jù)相關(guān)資料,橋面徑流收集系統(tǒng)主要有集中排水系統(tǒng)、初期收集+直排排水系統(tǒng)、初期收集+溢出管排水系統(tǒng)、集水箱排水系統(tǒng)、橋面加寬設(shè)置路側(cè)排水槽等[7,8]。本橋根據(jù)黃河水源保護(hù)相關(guān)要求,主橋橋面污水不能直接排入黃河,因此初期收集+直排排水系統(tǒng)和集水箱排水系統(tǒng)不適用于本橋,同時(shí)全橋凈寬為2×11.50 m不設(shè)加寬,設(shè)置路側(cè)排水槽也不適用于本橋。因此在方案研究時(shí),僅針對(duì)不考慮溢流的集中排水系統(tǒng)和初期收集+溢出管排水系統(tǒng)這兩種方案進(jìn)行了分析比較研究。

2.1 方案一:不考慮溢流的集中排水系統(tǒng)

主橋縱向排水距離長(zhǎng)達(dá)3 816 m,完全集中排水的情況下,考慮收集整個(gè)降雨過(guò)程的雨污水全部經(jīng)縱向排水管收集后排入雨水收集池,根據(jù)高速公路和排水類型,暴雨重現(xiàn)期按5年計(jì)算,降雨歷時(shí)取30 min。

按《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D33—2012)[9]第9.1.1條,路面排泄設(shè)計(jì)徑流量按公式(1)計(jì)算確定。

Q=16.67ψqp,tF

(1)

式中:Q為設(shè)計(jì)徑流量,m3/s;qp,t為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度,mm/min;ψ為徑流系數(shù),瀝青混凝土路面取值為0.95;F為匯水面積,取值為F=3 696/1 000×11.75/1 000=0.043 428 km2。

管的排泄能力為

Qc=VA

(2)

式中:Qc為管的泄水能力,m3/s:V為管的平均流速,按《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T D33—2012第9.2.3條計(jì)算,m/s;A為過(guò)水?dāng)嗝娣e,m2。

要保證管的泄水能力,即Q≥Qc,將公式(1)和公式(2)代入得

VA≥16.67ψqp,tF

(3)

將匯水面積F=LB(Vt2·60)·10-6,代入公式(3)得

A≥16.67ψqp,tLB(t2·60)·10-6

(4)

式中:LB為橋面匯水寬度,m;t2為管內(nèi)匯流歷時(shí),min。

按《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D33—2012)第9.1.4款,計(jì)算單向三車道坡面匯流歷時(shí)按公式(5)計(jì)算確定,可不計(jì)溝管內(nèi)的匯流歷時(shí)。

(5)

式中:t1為坡面匯流歷時(shí),min;Lp為坡面匯流長(zhǎng)度,m;ip為坡面流的坡度,取值為0.02;s為地表粗度系數(shù),取值為0.013。

本橋主橋全長(zhǎng)3 816 m,全部采用統(tǒng)一的縱向排水管時(shí)管徑較大,會(huì)增加工程造價(jià),甚至?xí)绊懼黧w工程投資額,也較為浪費(fèi)。為節(jié)約工程造價(jià),計(jì)算時(shí)將主橋分為59#～69#墩、49#～59#、40#～49#墩分別進(jìn)行計(jì)算出管徑,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 方案一縱向排水管管徑計(jì)算表

經(jīng)過(guò)上述水文計(jì)算分析,若采用不考慮溢流的集中排水系統(tǒng),僅考慮收集降雨造成的污水就需要外徑達(dá)600 mm的縱向排水管,結(jié)合主梁實(shí)際情況,管徑過(guò)大會(huì)給施工帶來(lái)不便,維護(hù)難度大,一旦排水管堵塞就會(huì)造成橋面積水。因此,不考慮溢流的集中排水系統(tǒng)不適合本橋。

2.2 方案二:初期收集+溢出管排水系統(tǒng)

橋面徑流污染機(jī)理[10]認(rèn)為開(kāi)始下雨的時(shí)候,橋面污染物較多,因此初期雨水應(yīng)該收集并進(jìn)行污水處理,當(dāng)橋面已被雨水沖刷干凈以后,雨水可以直接排入河中。按暴雨重現(xiàn)期5年,降雨歷時(shí)30 min的降雨強(qiáng)度的條件下,按沖刷模型進(jìn)行計(jì)算在15 min 時(shí)污染物含量為50 mg/L,已達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以直接排放。

針對(duì)這個(gè)方案,進(jìn)行水文水力計(jì)算以確定管徑,滿足對(duì)初期15 min內(nèi)路面徑流進(jìn)行收集的要求。15 min后,隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng),雨水中污染物含量進(jìn)一步下降。一部分雨水依然通過(guò)縱向泄水管排入收集池,多余雨水通過(guò)溢流孔直接排入河中,水文計(jì)算過(guò)程如公式(6)～公式(8)所示。

縱向排水管充滿時(shí)間為

(6)

排除收集厚度的污水所需時(shí)間為

(7)

管道匯流時(shí)間(排盡管道水所需時(shí)間)為

(8)

公式(6)～公式(8)中,h為計(jì)算收集的橋面徑流厚度,m;F為橋面匯水面積,km2;Lp為坡面匯流長(zhǎng)度,m。

采用初期收集+溢出管排水系統(tǒng)方案,59#～69#墩所需要管徑140 mm,49#～59#墩所需要管徑290 mm,40#～49#墩所需要管徑390 mm,具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 方案二縱向排水管管徑計(jì)算表

根據(jù)兩種方案計(jì)算出的管徑,設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段不等徑的縱向排水管,以便能合理節(jié)約工程造價(jià)。即59#～69#墩可取設(shè)計(jì)管徑為400 mm,49#～59#墩可取設(shè)計(jì)管徑為450 mm,40#～49#墩可取設(shè)計(jì)管徑為500 mm,這樣50孔～69孔之間的橋面當(dāng)發(fā)生橋面徑流時(shí)就不會(huì)發(fā)生溢流。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到檢修時(shí)的便捷性,也一并設(shè)置了溢流孔,這樣溢流孔也兼具檢查孔的功能。

3 橋面徑流設(shè)計(jì)專項(xiàng)設(shè)計(jì)

3.1 縱向排水設(shè)計(jì)

根據(jù)臨猗黃河大橋橋型布置方案,泄水管采用豎向泄水管(HDPE)排水管形式,在橋梁的懸臂外側(cè)設(shè)置縱向排水管(HDPE),縱向排水管通過(guò)設(shè)置在墩臺(tái)處的豎向排水管引入橋面徑流處理系統(tǒng)中,為防止堵塞和淤積,泄水孔設(shè)置鑄鐵管蓋,縱向排水管每20 m設(shè)檢查口。根據(jù)縱向排水管與泄水管相對(duì)位置的不同,采用布設(shè)縱向排水管位于豎向泄水管正下方、泄水管直接通過(guò)三通與縱向排水管連接的布置方案。

該橋主橋縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統(tǒng),滿足對(duì)初期15 min內(nèi)路面徑流進(jìn)行收集的要求。15 min后,隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng),雨水中污染物含量進(jìn)一步下降。一部分雨水依然通過(guò)縱向泄水管排入收集池,多余雨水通過(guò)溢流孔直接排入河中?？v向排水設(shè)計(jì)第70孔雨水經(jīng)縱向排水管收集后沿69#墩豎向排入橋下沿黃公路排水溝,第69～41孔雨水經(jīng)縱向排水管收集后沿40#墩豎向排入雨水收集池。其中縱向排水管第70孔采用直徑250 mm的HDPE管,第60～69孔采用直徑400 mm的HDPE管,第50～59孔采用直徑450 mm的HDPE管,第41～49孔采用直徑500 mm的HDPE管。

豎向排水桿和排水管吊桿在縱向均以4 m為間距循環(huán)布置,排水管吊桿4 m范圍內(nèi)布置間距為(1.3+1.3+1.4)m,豎向排水管以4 m間距與排水管吊桿錯(cuò)開(kāi)0.65 m布置。在縱向排水管頂面每隔4～5 m位置設(shè)置D100溢流孔(如圖2所示),將大于設(shè)計(jì)流量的后期雨水自動(dòng)溢流;縱向排水管每隔20 m間隔設(shè)置配套HDPE管伸縮節(jié),自動(dòng)協(xié)調(diào)梁體與排水管道間因溫度產(chǎn)生的變形差。

圖2 溢流孔示意圖(單位:mm)

3.2 縱向排水管過(guò)伸縮縫設(shè)計(jì)

本橋主橋劃分為2聯(lián),單聯(lián)長(zhǎng)度分別為1 904 m和1 912 m,鋼箱梁梁端開(kāi)槽為3.2 m×0.57 m,梁端縫0.8 m,為保證長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠自由的伸縮變形,設(shè)計(jì)時(shí)考慮縱向排水管在55號(hào)墩伸縮縫處設(shè)置3 m長(zhǎng)伸縮節(jié),伸縮量±1 500 mm,外套D600 mm半圓不銹鋼套管,厚度為10 mm,長(zhǎng)8 m,排水管縱坡與橋面縱坡保持一致。

本橋主橋縱坡+1.3%,由于縱向排水管在55#墩處下穿伸縮縫,導(dǎo)致排水管吊桿增加570 mm,為保證伸縮縫梁端縱向排水管能夠自由的伸縮,設(shè)計(jì)時(shí)在伸縮縫兩端±8 m處設(shè)計(jì)變坡點(diǎn),±8 m范圍內(nèi)縱向排水管還維持1.3%的坡度,56#墩～55#墩其余范圍縱坡變?yōu)?.78%,54#墩～55#墩其余范圍縱坡變?yōu)?.83%,詳見(jiàn)圖3。

圖3 排水管縱坡示意圖(單位:mm)

4 總 結(jié)

通過(guò)對(duì)臨猗黃河大橋主橋橋面徑流系統(tǒng)的設(shè)計(jì),可以得到如下結(jié)論。

(1)以臨猗黃河大橋主橋橋面徑流收集系統(tǒng)為例,對(duì)不考慮溢流的集中排水系統(tǒng)和初期收集+溢出管排水系統(tǒng)兩種方案進(jìn)行了分析比較,經(jīng)過(guò)水力計(jì)算,得出主橋縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統(tǒng),能夠滿足對(duì)初期15 min內(nèi)路面徑流收集的要求,有效防止對(duì)橋下敏感水域的污染。

(2)本橋主橋單聯(lián)長(zhǎng)達(dá)1 900 m,為保證縱向排水管在55#墩處能夠自由的伸縮變形,設(shè)計(jì)時(shí)在55#墩處設(shè)置3 m長(zhǎng)伸縮節(jié),同時(shí)調(diào)整54#～56#墩縱向排水管坡率,是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

(3)對(duì)于單聯(lián)千米級(jí)特大橋來(lái)說(shuō),雖然橋面徑流收集系統(tǒng)屬整個(gè)橋梁的附屬工程,但該方案的選擇與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān),應(yīng)進(jìn)行橋面徑流收集系統(tǒng)的總體研究和專項(xiàng)設(shè)計(jì)。