跨越强降雨区公路桥梁U型槽防排水设计型式与计算

田强春，冯忠居，陈 杰，全超文，吴登睿，武 敏，陈慧芸

(1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510623；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

1 引 言

近年来随着我国公路桥梁事业的发展和交通量的迅速增长，强降雨区公路桥梁的防排水工程引起了人们的高度重视。但是传统的排水设施并未综合考虑地域差异，仅简单地遵循规范要求，以圬工材料砌筑为主，与近年来所提倡“绿色交通、生态公路”理念相违背，并且在实际设计中只强调了改善桥面质量和强度，而在排水设计方面存在一定的盲目性，由此引发的交通事故也随之增多。

目前国内学者针对桥梁排水的研究主要集中在桥梁防排水系统的设计、在桥梁排水设计中的材料应用以及桥梁排水设施的施工技术等方面[1]。冯忠居等结合生态边沟、排水沟的具体结构型式，推导了生态排水沟的设计计算理论公式，并对公式中的计算参数进行了对比分析[2-4]。赵琴结合对目前已经实施的桥面径流收集系统公路情况的调查，发现目前部分跨越饮用水源的桥梁排水系统设计存在不足，提出合理有效的桥梁应急排水系统应结合桥梁主体设计提前进行规划、设计[5]。倪建华通过实例提出了适合桥面径流收集的设计方法，介绍了事故池的工作流程、关键工艺以及运营管理的注意事项，给出了初期雨水径流量、最大消防水量等参数的确定方法[6]。侯钢以国道241、省道岗马线汾河水库段改线工程第二合同段桥梁为例，提出了采用沿桥长管道排水的径流收集方案，并在原基础上进行了滴水檐的加长设计，使其完全能够遮挡纵向雨水管[7]。杨文娟等在分析跨越敏感水域桥梁现有排水系统不足之处的基础上，探讨了初期降雨历时及桥面初期雨水径流量的估算方法，并在此基础上提出了径流收集池池容的设计方法[8-10]。郭洪涛对泄水管的布置、碎石盲沟的设置、防水层的设置以及跨越敏感水体桥梁排水系统设置进行了详细的论述，并提出针对不同的情况及不同降雨强度的合理的排水设计方案[11,12]。展斌等分析了桥梁防排水系统的缺陷及危害，结合工程实例，探讨了桥梁防排水施工技术及共应用策略，提出相应措施，实现对雨水的顺利排出，确保桥梁结构的稳固与可靠，类似桥梁防排水施工可从中得到借鉴与参考[13,14]。张秀华等总结了目前我国桥梁结构中桥面排水技术，并提出了桥梁结构的自防水是解决桥面渗水问题的关键[15]。

在国外，人们很早就认识到保持桥面干燥、排水顺畅的重要性，桥梁设计考虑了排水设施的布设，以减少水对桥梁使用安全的负面影响[16]。美国在上世纪60年代末70年代初就开始了排水方面的调查和经验总结工作[17]。德国研发了一种多管式复合排水系统，这种系统具有抗压强度高的特点，排水性能非常强，其波纹缝间的开孔设计使其具有良好的集水效果[18,19]。日本在《日本高速公路设计要领》中对相关标准规范、环境保护政策、技术措施方面，均做出了大量有益的探索[20]。

针对上述提出的桥面排水泄水管入水口布置间距取值单一和偏于保守，桥面内部结构未根据桥型、汇水排水条件进行针对性的排水设计，积聚于桥面上的雨水可能侵入桥面内部进而对桥面造成水损坏等问题。依托广东省湛江市环城高速南三岛大桥(坡头至南三岛段)工程，根据此地强降雨区的气象条件，对夹流大桥中U型槽的防排水计算、设计及施工工艺进行了介绍与分析。

2 工程概况及水文气象条件

2.1 工程概况

本项目路线起点桩号K0+000，终点桩号K16+147.500，路线总长16.148 km。其中夹流大桥全长105.6 m(含耳墙)，设计桩号范围为K2+695～K2+795，桥宽2×12.75 m。该桥跨越水渠，跨径组合为5×20 m，桩基统一采用钻孔灌注桩基础。

2.2 水文特征

夹流大桥地表水系不甚发育，多为短小溪流，地-表水系多呈东西向。一般水量勘察场区部分位置地处浅海潮汐带，本区潮汐属不规则半日潮，每日有两次涨退潮。

2.3 气象特征

夹流大桥属南亚热带海洋性季风，为强降雨区，日照时间长，温湿多雨。按《公路自然区划标准》(补充该标准的编号)，属华南沿海台风区(IV7)。

3 U型槽防排水计算及设计

3.1 U型槽防排水计算

(1)计算标准

根据夹流大桥当地工程概况及水文气象条件可知该桥桥面排水能力计算标准。

设计降雨重现期：10年(据《公路排水设计规范》JTG/TD33—2012)，设计降雨的重现期应根据公路等级和排水类型选取。

降雨历时：5 min(据《公路排水设计规范》JTG/TD33—2012)，计算路面表面排水时，单向三车道及以下的路面汇流历时可取5 min，设计总说明中南三岛夹流大桥工程道路设计为双向四车道，因此取降雨历时5 min。

(2)桥面水力计算范围内各项排水设施所需排泄的设计径流量

根据广东省湛江市气象局2015年10月制定的湛江市区暴雨强度公式及计算图表，10年设计降雨重现期和5 min降雨历时内的平均降雨强度为

=3.939 28 mm/min

(1)

沥青混凝土路面径流系数：

ψ=0.95

(2)

汇水面积

F=13×20=260×106km2

(3)

设计径流量

Q=16.67ψp,tF=16.67×0.95×3.539 28×0.000 26=0.014 573 m3/s

(4)

由此可知桥面水力计算范围内各项排水设施所需排泄的设计径流量Q为0.014 573 m3/s。

(3)U型槽排水沟的泄水能力

该项目U型槽大样图如图1所示。

图1 U型槽大样图(单位：mm)

根据《公路排水设计规范》JTG/TD33—2012，沟或管的泄水能力为

=0.028 388 m3/s

(5)

由此可知

Qc>Q

(6)

U型槽排水沟的泄水能力满足排水要求，建议选用宽180 mm的预制式树脂混凝土排水沟。

(4)竖向排水管泄水能力

目前确定竖向排水管泄水能力的方法主要有两种， 一是根据 《建筑给水排水设计规范》查表得知，二是根据水力学中实际液体恒定总流的能量方程计算竖向排水管的出水流速，进而求得竖向排水管的泄水能力。

①根据规范，D125的PVC管(壁厚3.7 mm)最大泄流量为18.00L/s，等于0.018 m3/s，界面内所需排泄的设计径流量0.014 573 m3/s。由此可知，每跨设置一个D150的竖向排水管是可靠的。

②水力学中实际液体恒定总流的能量方程如下。

(7)

求得竖向排水管的出水流速，进而求得竖向排水管的泄水能力。

竖向排水管中局部水头损失系数为：

进口：

ζ进=0.5

(8)

120°弯头(1，2)：

ζ1,2=0.29×0.83=0.240 7

(9)

90°弯头(3，4)：

ζ3,4=0.29

(10)

出口(淹没出流)：

ζ出=1

(11)

四个弯头和进口的水头总损失：

(12)

桥墩墩高2.583 m，箱梁高1.4 m，因此两过水断面的高差

z1-z2=2.586+1.4=3.983 m

(13)

两断面间距

l=6.558 m

(14)

根据曼宁公式可求谢才系数：

(15)

达西系数

(16)

总水头损失

(17)

由此列出能量方程：

(18)

得出：

v2=4.666 3 m/s

(19)

竖向排水管的泄水能力(满负荷泄水)：

(20)

由此可知

Qc2>Q

(21)

由以上两种方法可知竖向排水管的泄水能力能够满足排水要求。

3.2 U型槽防排水设计

(1)防水设计

U型槽防水设计从根本上影响着结构本身的安全使用。防水设计应秉持“合理经济，设防完备”的关键原则，U型槽防水设计主要包括结构本身防水、缝隙防水和管线防水三部分。

①结构本身防水主要是通过采用调配混凝土配合比或掺杂外加剂形成防渗混凝土，类似于一种防水屏障，以增强结构本身承重、围护和抗渗的能力。

②缝隙防水主要是指对施工建筑中形成的连接缝、施工缝和变形缝等部位选用合适、正确的防水密封材料进行严密封堵的施工措施，并且能调整自身的变形以适用缝隙产生的位移变化，且之后能恢复自身原有性能。

③管线防水主要是指U型槽边墙横穿桥面最低处的排水管线、管道和其它纵向穿过端隔板的管线、管道的防水处理。做好防水工作难度很大，需要共同努力积极配合，每个步骤都不能有差错。

(2)排水设计

夹流大桥的排水系统由桥面U型截面明式纵向排水沟(U型槽)、埋入式桥墩竖向排水管、地面排水系统构成。也就是说我们需将桥面汇集的雨水，沿桥面横坡流入U型截面明式纵向排水沟，继而沿纵坡引至埋置在桥墩内的竖向排水管，从竖向排水管沿排至地表排水系统，其中U型截面明式纵向排水沟(U型槽)设置在墙式护栏与桥面之间宽度为30 cm处，为保证行车安全，排水沟顶部设置篦子，如图2所示。

图2 U型排水沟篦子示意图

4 U型槽的预制及施工工序

4.1 制作设备

U型槽混凝土预制件的制作采用节水防渗渠道成形机械LZYB-1型混凝土构件成形机。

4.2 U型构件的制作

(1)制作场地

U型槽的制作采用现场预制或集中预制。预制前选择一块宽阔的平地，最好建在施工场地的旁边，且要接近水、电资源，其交通便利，便于取材。

(2)制作工艺

U型槽的预制程序为：备砂石料-细粒混凝土拌合-成形机压制U型槽-脱模放置凝结-取垫板洒水养护。

4.3 U形槽渠道的施工工艺

U型槽施工工艺主要包括渠槽开挖、安装U型槽预制件及使用养护三部分。

5 结 论

本文依托广东省湛江市环城高速南三岛大桥工程中的夹流大桥，根据当地的桥梁设计型式及强降雨气象条件，计算了其桥面排水需求，计算并验证了U型槽排水设计型式的排水能力，主要得出以下结论。

(1)夹流大桥桥面各项排水设施所需排泄的最大设计径流量Q为0.014 573 m3/s，U形槽的泄水量为0.015 358 m3/s，故U型槽的排水能力满足夹流大桥桥面排水要求，可在类似强降雨区桥面排水设计型式中借鉴应用。

(2)设计的U型槽防排水结构位于宽度为30 cm的墙式护栏与桥面之间，桥面积水沿桥面横坡流入U型槽，继而沿泄水孔排入竖向排水管，从竖向排水管沿排至地表排水系统。该设计克服了传统排水设施设计型式单一、间距设计保守及设施损坏较快等缺点，符合新时代公路桥梁建设提倡的“绿色交通、生态公路”的新理念。

(3)U型槽的制作采用集中预制或现场预制，利用全站仪(经纬仪)确定渠道中线，此后人工开挖、清理、修整渠槽，将预制好的U型槽装入渠槽护肩、养护即可。