桥梁排水设计中透水混凝土应用

陈瑾

（江西赣北公路勘察设计院，江西九江 332000）

0 引言

当前在混凝土基础科学研究不断深入的背景下，在关注混凝土结构性能的基础上，桥梁排水工程不断追求混凝土的生态性、功能性及排水性。透水混凝土能够有效改善传统混凝土透水性能不足的问题，当前在桥梁排水工程中得到了广泛的应用，并且使用效果显著。

1 透水混凝土概述

透水混凝土材料组成成分比较特殊，主要含有少量的粗骨料，同时加入一些其他材料充分搅拌混合而成。与传统混凝土材料对比，透水混凝土内粗骨料含量较少，且没有细骨料，所以内部会有较多的空隙。此外，透水混凝土的自重比较轻，与内部空隙较多存在必然的联系。目前在我国的道路建设中，传统混凝土依然是主要的施工材料，其主要优势是结构强度高、耐久性好，但是明显的缺陷是排水性不足。因此，在道路建设施工中，需要合理地选择透水混凝土作为主要的施工材料，建设排水路面，在降雨后使路面的积水能迅速地排出。

2 透水混凝土路面与传统混凝土路面的比较

坚固耐用是传统混凝土路面的基本特点，但是从另一方面分析也反映出传统混凝土路面的透水性能差。因为传统混凝土路面排水主要是依托排水管实现排水功能，对路面排水造成很大的影响。倘若路面排水不及时就会出现路面积水，影响车辆通行的安全性。同时由于传统混凝土路面的积水往往会渗透到路面结构中，影响结构中钢筋的性能，久而久之结构钢筋会出现腐蚀等情况，同时在车辆荷载影响下很容易造成结构开裂或是下沉的情况。由于透水混凝土的材料特殊，透水混凝土中的细骨料非常少，在透水混凝土结构中雨水可以通过透水混凝土的粗骨料空隙实现快速排水。与传统混凝土比较，透水混凝土的排水功能更胜一筹。

3 桥梁人行道排水设计的现状

按照《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）规定，有人行通行需求的桥梁均需要设置人行道，并且人行道与车行道必须设置防撞护栏的结构。在这种条件下，针对桥面的排水防水需要按照排水的方向及安装位置做好排水形式的选择。根据现状而言，常见的排水防水可分为三种：第一种，行车道、人行道采用单独排水的方式。行车道与人行道边缘部位设置泄水孔，向下排水作业，然后进入市政排水管道。第二种，人行道设置集中排水的形式。在分隔护栏中，安装横向排水管，行车道中的雨水会直接进入人行道，再通过人行道的排水管排放到市政管道中。第三种，将人行道抬高，上部铺设人行道板。护栏以及边缘石铺设横向排水管，并且在下部安装排水管，将雨水及时排放到市政管道中。

上述三种方式都是目前广泛应用的道路排水形式，但是每种方式都有明显的不足，具体如下：

采用第一种方式，在大箱梁、悬臂的设计中，宽度通常在2.0～3.5m，而人行道宽度设计为2～4m。在行车道与人行道单独设计排水时，行车道的排水管主要集中在翼缘板根部的位置，对于纵向预应力管道设计会存在直接的影响，且有些人行道的宽度比较大，排水管还要设计在箱室内部。一旦出现排水管的损坏而导致的渗漏问题，极易造成结构内部钢筋发生锈蚀的危害，对于结构的耐久性造成不利的影响。且集水管的布置复杂性较高，对现场的施工、养护等都会存在严重的危害和影响。

采用第二种方式，夏季降雨发生之后，人行道内集中排水之下，容易在横向排水管内有较多的积水，极易导致人行道、非机动车道无法通行，造成较多的安全事故。

采用第三种方式，将人行道抬高，这时要设置人行道板的结构，所以道路组成形式较为复杂，增加项目建设的成本。横向排水管结构尺寸不能随意设置，受到路缘石的影响，极易产生垃圾、泥沙的淤积问题，而泄水孔布置在人行道下部，检修操作难度高，养护施工也难以顺利进行，维护成本升高。

4 工程概况

某桥梁项目在设计中，选择透水混凝土作为主要的施工材料。设计人员在布置桥梁人行道的环节，对排水设施进行创新，选择应用透水护栏的设计形式。因为该桥梁项目为二级公路的设计标准，桥面宽度为12m，人行道部位宽度为1.5m，主桥部位应用预应力连续钢构的结构形式，悬臂浇筑法施工，横断面为单箱单室内的结构形式，翼缘板悬臂宽度为2.75m。主桥的受力体系较为特殊，所以在现场布置预应力钢束的形式。在具体的排水设计环节，如果应用行车道、人行道单独排水的方式，在这种情况下，对翼缘板结构的下部会造成强度的不利影响，并且导致预应力钢束设置难以进行。因此，设计人员优先选择应用透水护栏的排水结构形式。在确定设计方案时，防撞栏底部的厚度设定为16cm，材料为C30 透水混凝土，行车道的护栏可以通过雨水，并且会蔓延到人行道内，再经过排水管进入集水管，有效地防止积水问题，对于提高人行道、非机动车道的安全性起到积极作用。

4.1 透水性混凝土透水率计算

在桥梁设计中，桥面排水的方式是利用桥面顶板横坡方式，将积水集中流入护栏的集水槽，再经过透水混凝土的基础部分进入人行道，经过人行道的纵坡、横坡把雨水排放到排水管内，经过集水管、落水管将积水排放到桥梁外部的空间。该桥梁项目的排水路径非常清晰，而排水效果直接受到透水混凝土的透水率、泄排水管直径、管道流量方面的影响，所以设计人员在确定方案时，要加强分析排水管、集水管、落水管的设计流量，以达到排水性能的要求。

因此，在设计人员确定设计方案时，准确计算透水混凝土的透水率就显得非常重要。在设计之前，设计人员遵循《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）中的条款要求，做好系数的选择，由于该项目按照公路二级标准建设，遵循降雨重现期3年作为标准进行计算，桥梁所在地区的重现期转换系数C取0.86；该桥梁设计为双向车道的形式，降水历时按5min 参数选取，根据设计规范可知，确定历时转换系数C为1.25，因此：

式（1）中：Q为设计重现期p年；

C为重现期转换系数，为常数；

C为降水历时转换系数，为常数；

q为5年一遇的10min 降雨强度。

项目设定为双车道形式，单向排水宽度4m，所以每延米泄水量为：

式（2）中：Q 为每延米的泄水量；

M 为每延米的汇水面积，可采用路面宽度进行计算。

4.2 设计方案的参数实现

以该桥梁项目的排水功能性要求，有效排水高度的确定，应该扣除人行道铺装后透水混凝土结构厚度，按10cm 计算，同时还要确定2 倍安全裕量，所以每延米的设计泄水量为：

混凝土的透水率：

根据当前的透水混凝土的排水性能要求，了解到技术性能标准，符合透水混凝土设计和运行的要求，并且分析以往工程成功经验，发现该设计方案的参数可以实现。为了能够使得桥面设计达到最优化，也能够指导其他项目的设计与施工，选取几种常见的桥面宽度尺寸分别计算。在数据计算的过程中，行车道宽度要结合车道数量得以简化设置，重现期根据5年计算，转换系数C取1.0，降水历时转换系数取C取1.25，降雨历时标准值按q为2.5mm/min 计算，该数据可以涵盖全国90%以上的区域。按照泄水量的2 倍确定安全系数，得出护栏基础最小透水率，见表1。

表1 护栏基础最小透水率

当前，我国在透水混凝土理论研究中，满足表1 透水率的理论研究较多，且相关的透水混凝土设计技术也相对成熟，能够达到桥梁排水的设计要求。

5 桥梁透水性混凝土设计建议

5.1 透水混凝土路面的应用，符合生态环保效益

虽然透水混凝土施工技术优势明显，并且经过很多工程的验证，但是我国的应用范围并不广泛，还没有达到普遍应用的效果。经过实际经验分析，透水混凝土较之传统混凝土结构来说，承载力相对不足，抗压性能比较差，所以如果将透水混凝土应用到主干道或者承载力要求高的道路，容易发生损坏等问题。景观道路是我国道路的主要形式，如果排水效果较差，积水问题严重，会导致道路损坏严重，所以将透水混凝土应用到景观道路中，及时排出积水，消除不利因素的影响。从工程材料市场分析，透水混凝土被划为新型的施工材料，是绿色生态环保型的施工材料，将其应用到城市道路中，生态效益明显，对于生态资源保护有重要的意义，实现城市环境的改善。

5.2 透水混凝土促进道路渗透性、存储性提升

将透水混凝土作为道路工程主要材料，施工后道路的渗透性、存储性都会有所提升，完全符合道路运行安全的标准。但是从工程实践分析，有些道路应用透水混凝土施工后，并不能达到上述的标准和要求，极易导致地下水径流过量，威胁城市运行的安全性。因此，在透水混凝土路面设计中，设计人员必须严格执行技术标准要求，准确计算渗透率参数，从而确保降水后能够及时把积水排放出去。假设透水混凝土施工后的路面渗透率为140L/（m·min），在这种渗透率的影响之下，要想达到设计要求的极限渗透参数，最低应容纳0.24cm/s 的降水。在降雨后，为了雨水不会从透水混凝土路面蒸发或者消失，应该在内部设置必要的存储能力，同时还可以向基土结构渗透，这就需要选择应用渗透率较高的土壤材料制作垫层，透水效果达到要求，排水性能合格。

5.3 透水混凝土在道路排水设计应用中的缺点

经过分析了解，透水混凝土作为路面施工材料，其透水性能良好，路面积水可以及时排出，避免道路出现交通安全事故，但是与传统的混凝土结构路面对比，透水混凝土路面的结构强度、抗压性方面有着很大的缺陷。透水混凝土的材料以及生产工艺与传统混凝土有差异，所以力学性能有明显不足。因此，在利用透水混凝土进行路面排水设计的环节，应该综合分析抗压强度参数。结合这一问题分析，当前我国的很多研究学者开始研究透水混凝土的配合比，选择合适的配合比方案，希望能够探寻出一种最佳的配比参数，使透水混凝土的性能合格，既能够达到路面透水性的要求，又能够确保抗压性能合格，满足运行标准要求。此外，因为在透水混凝土的城市道路项目中，运行效果极为重要，严格落实施工与养护管理措施尤为重要，以确保透水混凝土可以发挥出应有的作用。目前我国的透水混凝土施工材料并未广泛地应用于承载力要求较高的道路工程中，多数都是在景区的景观道路上使用。透水混凝土在设计时，还有一个非常突出的问题，就是随着投入运营时间的延长，透水混凝土的透水效果会不断降低。导致这一问题的原因是透水混凝土路面表面受到长期磨损的影响，有部分水泥组分发生脱落，随着雨水经过空隙而进入透水混凝土，造成透水通道发生堵塞的问题。我们都知道，透水混凝土之所以具备透水性，主要是因为其内部的空隙存在，如果发生空隙堵塞的问题，必然会造成透水性无法达到要求。除了这一因素的影响外，还有一项原因就是自然界存在的污物或者杂质，也会随着雨水进入到空隙内，从而导致透水效果的降低。因此，为了能够使得透水混凝土路面在长期运行中，不会出现透水性能下降的情况，未来还要进一步研发先进的维护保养设备，特别是能够清理透水混凝土空隙的设备，从而使得其透水效果恢复到正常的状态。

6 结论

其一，桥梁工程的排水设计是重要的内容，关系到道路交通运行的安全性，影响人们的生命健康安全。人行道排水设计复杂性较高，目前几种常见设计方案都有一定的不足，所以还要创新设计理念，以确保排水效果合格。其二，当前我国的高校、科研院所投入较大力量研究透水混凝土以及符合单车道排水率要求的混凝土，并且已经成功投入使用，满足透水效果的要求，符合道路交通运行的标准，强度、透水性都达到运行要求。其三，应用透水混凝土护栏的人行道排水方案具备非常高的排水效果，速度快，不会发生积水的问题，使得行人通行变得更加方便、安全。结合桥梁设计的试验以及研究，提出了透水混凝土设计要点，目的在于提升桥梁排水系统的透水率。