桥面径流收集系统在绿色公路桥梁工程中的应用

王 枫

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

随着我国高速公路的快速发展，公路建设不可避免地加剧了其影响范围内水资源环境的变化与污染。高速公路在施工阶段工期较短，对水资源环境的影响相对较小，但在高速公路通车运营阶段，雨水、雪水形成的桥面径流存在的时间相对较长，而且桥面径流所含污染物质种类更多，故采用桥梁桥面径流收集系统可以有效解决桥面径流对桥址处水环境破坏的问题。

本文以山西省阳蟒高速公路固隆河大桥桥面径流收集系统为例，介绍了绿色交通和生态设计理念在阳蟒高速公路桥梁工程设计中的具体应用，本文通过对桥梁桥面径流收集系统进行构造设计，并对不同管径的排水管进行水力学计算分析，综合比选分析得出不同管径PE排水管[1]在桥梁工程排水系统的适用性。

1 桥面径流收集系统构造

固隆河大桥为阳蟒高速公路在山西省阳城县岳家庄村东南约1 200 m处跨越固隆河而设。该桥位于整体式路基上，桥梁全长488 m，桥梁上部结构采用12-40 m装配式预应力混凝土连续T梁，桥梁中心桩号为K8+970，右前夹角为90°，共三联；下部结构桥台采用柱式台、肋板台，桥墩采用柱式墩、等截面空心墩，墩台均采用钻孔灌注桩基础。

固隆河属获泽河一级支流，该沟由西北向东南而流，在涧坡汇入获泽河。获泽河源于沁水县历山北麓小河湾，从董封水乡临涧村院坤庄进入阳城县境内，进董封、辽河、土涧、留昌、县城，在坪头村汇入沁河。固隆河流域面积为 72.44 km2，主河沟长16.51 km，主河沟平均纵坡为36.85‰。

依据环境影响评价一般性要求：对于执行Ⅰ、Ⅱ类[2-3]标准禁止外排的河流，或者位于饮用水源保护区的水系，需将该区域内桥梁的桥面径流引出河床，不得直接排入这类水域[4]。桥梁桥面径流汇水一般采用在桥梁纵向设置集中排水系统，横向分段设置出水口并把汇水引排至地面，同时在地面设置蒸发池，蒸发池设计容积应结合降雨历时、降雨量、产生的路面及桥面径流量来综合确定。

固隆河大桥桥面径流收集系统采用在桥面外侧每间隔5 m预留泄水孔，纵向排水管设置在泄水孔侧，管卡在三通及弯头连接处两侧按每间隔0.5 m设一道，其余沿排水管每间隔1 m设一道。桥梁纵向PE排水管穿过管卡连成整体后收集各泄水管中汇水，最后下排至地面蒸发池。桥梁集中排水构造见图 1、图 2。

图1 桥梁集中排水侧立面布置图

图2 桥梁集中排水纵向布置图

桥下蒸发池入口排水渠砂砾垫层厚度为10 cm，浆砌片石层厚度为25 cm。蒸发池底砂砾垫层厚度为10 cm，浆砌片石层厚度为30 cm，蒸发池开口长度×宽度为15 m×15 m。为保证安全蒸发池四周均设置刺铁丝隔离栅，隔离栅立柱采用C20混凝土预制，刺铁丝隔离栅采用12号镀锌刺铁丝，镀锌量应高于250 g/m2，刺间距100 mm。蒸发池的设计容积应按下述原则计算：a）蒸发池以控制初期桥面雨水径流污染为设计重点时，容积应按前期20～30 min的降雨历时进行计算；b）蒸发池以应急控制危化品为设计重点时，容积应取大值，一般取经验值[5]55 m3。蒸发池平面布置图见图3，蒸发池立面布置图见图4。

图3 蒸发池平面布置图（单位：cm）

图4 蒸发池立面布置图

定测外业勘察过程中对固隆河大桥桥址处地形进行详细的调查，施工图设计阶段结合桥梁纵坡及横坡选择在桥梁合适的位置设置蒸发池，在5号墩大桩号侧设置1号蒸发池，在12号台大桩号侧设置2号蒸发池。蒸发池平面布置图见图5。

图5 蒸发池平面布置图

2 桥梁纵向排水管水力学计算

2.1 泄水能力计算

桥梁工程桥面径流收集系统PE排水管常采用内径 100 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm等规格。排水管的泄水能力Qc可按水力学流量公式计算，见式（1）[6]。

式中：n为PE排水管壁粗糙系数，PE管n值取0.010；R为水力半径；I为水力坡度，可按桥梁纵坡取值，固隆河大桥纵坡为0.9%；A为过水断面面积。

分析计算时，按照最不利极限状态，则假定PE排水管满流，即R=0.5倍排水管内径，针对PE排水管不同管径时泄水能力Qc计算结果见表1。

表1 PE管Qc计算结果

2.2 桥梁桥面汇水面积及桥长计算

依据PE排水管泄水能力Qc计算推导出固隆河大桥对应的桥面汇水面积及桥梁长度，可按《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）[7]第 9.1.1 条公式计算，见式（2）。

式中：F为桥面汇水面积，km2；ψ为径流系数，沥青混凝土路面径流系数可取0.95；qp，t为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min，对于高速公路路面和路肩表面排水的设计降雨重现期可取5年，路面汇流历时可取5 min。

依据当地气象站观测资料，缺乏雨量实测资料时，可按现行规范要求进行转换计算，以桥址处山西阳城地区为例，qp，t可按《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）中9.1.7条公式计算，见式（3）。

式中：Cp为重现期转换系数，查表得到Cp=1.00；Ct为降雨历时转换系数，查表得到Ct=1.25；q5，10为5年重现期和10 min降雨历时的标准降雨强度，mm/min，依据《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012） 图 9.7.1-1 可 得 q5，10=1.65。 故 qp，t=1.00 ×1.25×1.65=2.0625 mm/min。

阳蟒高速公路为双向四车道高速公路，固隆河大桥位于整体式路基上，整体式路基宽度为25.5 m，桥梁左右幅桥面净宽度为11.5 m，桥面汇水面积及桥梁长度计算结果见表2。

表2 桥面径流汇水面积F及桥长L计算结果

由表2可知，对桥长较小的中小桥，可选用内径100 mm的排水管，而对桥长超过100 m的大桥或者特大桥则可选用内径250～400 mm的排水管。阳蟒高速公路固隆河大桥桥梁全长为488 m，故该桥采用内径250 mm的PE排水管满足排水要求。

3 结论

水资源保护问题是绿色公路建设过程中重点问题，桥梁工程设计时应重视所跨水体的保护。本文以山西省阳蟒高速公路固隆河大桥设置桥面径流收集系统为背景，介绍了绿色交通和生态设计理念在阳蟒高速公路桥梁工程设计中的具体应用，取得了以下结论：

依据不同管径的排水管泄水能力及对应桥长的计算结果可知，桥长较小的中小桥，可选用内径100 mm的排水管，而对桥长超过100 m的大桥或者特大桥则可选用内径250～400 mm的排水管。并依据对桥址处地形的调查以及桥梁纵坡、横坡选择合适位置设置桥梁桥面径流收集系统的蒸发池。桥面径流经处理后再排放，可以避免污染桥址处临近的水资源环境。