西固黄河大桥雨水集流系统设计

曾志刚

(甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃兰州 730030)

0 引言

目前，在公路交通环境保护领域，由于危险品运输车辆发生事故而导致的危险化学品泄漏，致其径流进入敏感水体造成污染的问题一直受到相关部门的高度重视，对跨越敏感水体的桥梁，设计完善的桥面径流收集系统已经是公路环境保护设计中不可或缺的内容。近年来,与公路交通相关的一系列水体环境政策和法规相继出台。2007年，国家环境保护总局、国家发展和改革委员会及交通部等部门于联合颁发的《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》中明确规定，“公路建设应特别重视对饮用水水源地的保护，路线设计时，应尽量绕避饮用水水源保护区。为防范危险化学品运输带来的环境风险，对跨越饮用水水源二级保护区、准保护区和二类以上水体的桥梁，在确保安全和技术可行的前提下，应在桥梁上设置桥面径流收集系统，并在桥梁两侧设置沉淀池，对发生污染事故后的桥面径流进行处理，确保饮用水安全”。

1 集流系统组成分析

1.1 集流系统收集范围及功能

对跨越敏感水域桥梁所设置的桥面雨水集流系统，是指通过桥面泄水管及与其互通且设置有一定纵坡的纵向集流管等连通设施，将桥面径流收集至桥头端部，然后通过竖向集流管排至集流池达到沉淀分流处理的目的。因此，该系统各个组成部件应该满足如下两点功能：

（1）在正常降水情况下，能及时有效地将桥面雨水径流通过合理管径的集流管排至集水池；

（2）遇见突发危险化学品等泄漏事故时，能及时有效地排除事故径流和冲洗废液，且能在集流池部分进行废液收集、沉淀和分流。

1.2 集流系统组成形式

通过对桥面雨水集流系统功效的分析可知，该系统主要由集流管和集流池两大部分组成，此外，为满足将桥面雨水径流排空以随时准备接收事故径流的功能,集水池除将桥面径流集流管接入外,还应设置溢流管、排空管及配套闸阀等设施。为保证雨时池内多余雨水能有组织溢流至指定地点，减少水力冲刷，宜在溢口附近设置消力池和一定铺砌。在综合考虑以上功能的基础上，结合以往类似构造物的设计，现拟定桥面雨水集流系统的组成形式见图1。

图1中进水管与竖向集流管相接，集流池中的隔板将集流中的密度较大的污染物和杂物沉积在集水池底部，起到截污沉淀的作用，溢流管排水至附近的河道（在强降雨时溢流管发挥作用，溢出的水是雨水，不会对水体造成污染），如果降雨天发生危险品泄漏事故，因一般的化学危险品密度较水小，当雨水和危险品一起汇入集水池时，危险品浮在上层且被隔板挡住，不会随溢流水体流出集流池，起到了截留污染物的作用，在集流池容积足够容纳危险品数量的情况下，避免泄漏的危险品污染水源地。养护单位应定期对其进行清理，及时排空沉淀池的水，清除沉淀物，避免因管道阻塞、溢流不畅、集流池容积不足等造成污染水体事故的发生。

2 集流系统设计计算

2.1 工程概况

兰州南绕城高速公路于兰州市西固区经西固黄河大桥跨越黄河水源地保护区，按照环评要求需对该桥进行桥面径流收集系统的设计。西固黄河大桥斜跨黄河，其黄河南岸位于西固区上岸门村西约500 m处，北岸位于西固区柴家台村西，距柴家峡水电站下游约1.8 km，桥梁结构组成：2×40 m简支箱梁+（67+110+360+110+67）m斜拉桥+5×40 m连续箱梁，斜拉桥范围内设1.0%的纵向人字坡，桥面设1.5%人字横坡，半幅桥面集水宽度11.25 m，每隔3.5 m布置一个泄水管，桥梁总体布置见图2。桥址区域为兰州市饮用水源地一级保护区，拟在2号、7号墩处设置桥面雨水集流池，综合考虑初期雨水径流及事故污染物截流处置功能，按蓄纳一次事故污染物池容量设计,避免对水体的直接污染。

2.2 桥面径流集流管设计

（1）基本假定

a.事故径流较雨水径流小，按照排除雨水径流设计的集水管能满足充分排除突发事故泄漏的危险化学品径流的要求；

b.桥面雨水实际是从桥面最高处沿纵横坡的组合斜坡向流动，计算桥面雨水初始集流时间时将该过程简化为桥面横向漫流过程和桥面及护栏形成过水断面的纵向集流过程的组合。

（2）桥面雨水径流量计算

根据桥面雨水截流管极限强度设计理论，其设计流量Q的计算公式为

式中：Q——设计流量（L/s）；

φ——径流系数，水泥混凝土路面取0.9；

F——需收集桥面排水路段的面积（hm2）；

Ir——设计降雨强度（L/（s·hm2））。

甘肃省兰州市的暴雨强度公式为：

式中：P——设计重现期，高速公路取5 a；

t——设计降雨历时，即集流时间(min)。

结合式（1）、式（2）及文献[1]可知，具有收集个泄水管水流的集流管的流量计算公式为：

根据文献[7]推荐的计算方法，初始管段地面集雨时间tF1由桥面雨水横向漫流时间th及纵向汇水点最远处雨水流至第一个泄水孔所需时间tv两部分组成：

图1 桥面雨水集流系统（单位：cm）

图2 西固黄河大桥总体布置（单位：cm）

式中：m1——地表粗糙度系数，水泥混凝土路面取0.013；

ih——桥面横坡；

iv——桥面纵坡；

W——桥面雨水横向漫流宽度，取11.25 m；

L1——纵向汇水点最远处至第一个泄水口的距离，取3.5 m。

由水力学基本计算公式可知，集水管满流时流速和流量分别满足：

式中：Q——设计流量（L/s）；

v——平均流速（m/s）；

A——有效过水断面面积（m2）；

m——管壁粗糙系数，取0.010；

R——水力半径（m）；

I——集水管坡度，取桥面纵坡1.0%。

由式（4）计算可得 tF1=21.6 min，代入式（3）可得 Q1=1.06 L/s，将以上结果结合式（5）、式（6），即可确定出初始管段流速v1=0.924 m/s，由此计算出L1和 v1的比值 t12=3.79 s，将 t12代入式（3）得 Q2，并将 Q2代入式（5）、式（6）求得 t23，如此重复 101次，最终求得Q102=56.55 L/s。

（3）桥面集流管选定

将（2）中的计算结果Q102=56.55 L/s代入式（6），求得末端集流管最小管径D102=187 mm。从理论上讲，按满流设计的雨水管，因各节管段内集流量不同，管径也应随排水距离的增加而增大，但实际设计中因考虑到施工安装的标准化及外部视觉效果，西固黄河大桥取集流管管径为200 mm。

考虑到化学危险泄漏液一般具有强腐蚀性，西固黄河大桥纵向集流管采用玻璃钢管。为了保证桥梁纵向伸缩时集流管不因拉压损坏，在安装时集流管采用柔性接口，桥梁伸缩缝下方集流管需设置伸缩接头，并保证其伸缩量满足桥梁伸缩缝的伸缩要求。

2.3 集流池容积确定

桥梁雨水激流系统中集水池最重要的作用是收集事故径流,故其应能满足容纳一般化学危险品事故径流泄漏量的要求。经调查并结合相关文献资料中的数据,目前我国常见的运油品的槽罐车和化工液体运输车,其容积多在50 m3以下，西固黄河大桥桥面雨水集流系统设计时按极限情况考虑,假设危险品运输车辆所载危险品全部泄漏于桥面上,且泄漏后全部通过集流管截流后进入集水池（包括雨天发生危险品泄漏事故及用水冲洗桥面洒落危险品等情况下的废液），此外，考虑到黄河一级水源地保护区水体的环境敏感程度较高，集流池容积需兼备满足沉淀雨水径流中的悬浮物等污染物、净化雨水径流功能的要求，故集水池有效容积至少需50 m3，集流池的尺寸拟定为：5.0 m（长）×3.0 m（宽）×3.5 m（高）。

3 结论

西固黄河大桥位于黄河水源地保护区,该桥的桥面雨水集流系统既可以收集桥面雨水,又具有集流由于突发事故泄漏的危险化学品的作用,保证了兰州市饮用水源的安全和桥面的排水畅通，通过对该系统的设计计算得到如下结论:

（1）设计的西固黄河大桥集流系统在结构组成上能够满足排除桥面雨水和收集事故危险品径流的功能要求，能较为全面系统地进行“水”、“污”的收集、分离和处理。

（2）通过计算可知，西固黄河大桥集流系统采用直径为20 cm的纵向集流管能够满足规范规定重现期内该桥桥面雨水的截流功能要求，所设计的容积为50 m3的集流池能够满足一次通常性化学危险品泄漏事故中全部污染物收集的要求。

（3）西固黄河大桥集流系统采用的玻璃钢管材料及柔性接口和伸缩接头连接装置，保证了纵向集水管工作的耐久性和装置本身的安全性。

（4）为保证西固黄河大桥集流系统正常发挥其功能，在日常运行过程中需有专人负责管理，清理管道防止淤塞，清空集流池废液及沉淀物，发生危险品泄漏事故时，及时通知和协调消防、交管、环保、自来水、城管等部门，做好事故处理和善后工作。

[1]贺卫宁,胡远来,等.浅议污水截流井的设计优化[J].给水排水,2013(7):86-89.

[2]胡虎.公路桥面排水系统设计探讨[J].湖南交通科技,2007(4):66-68.

[3]李伟伟,周全.桥梁排水问题的探讨[J].城市道桥与防洪,2012(9):119-120.

[4]陈 莹,赵剑强.跨越敏感水域桥梁应急排水系统设计计算方法[J].长安大学学报(自然科学版),2008(5):81-85.

[5]薛英文,文倩倩.初期雨水截留池容积计算理论研究[J].中国农村水利水电,2009(7):36-38.

[6]于江.南运河西部截流系统雨水、污水分流设计[J].辽宁建材,2007(11):54-56.

[7]姚祖康.公路排水设计手册[M].北京:人民交通出版社,2001.