桥梁排水系统问题优化研究

徐小凯，杨友震，陈姝宁，裴元江

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250102；2.山东科技大学，山东 青岛 266590）

排水系统作为桥梁工程的重要组成部分之一，其设计和施工直接影响桥梁的使用寿命[1]。传统排水设施的施工难度大，泄水孔堵塞，易导致桥面积水等问题[2]，降低桥梁交通通行能力[3]，引发护栏破损、酥化及桥面铺装开裂等现象，影响桥梁的耐久性及使用寿命，威胁城市安全[4]，因此，桥梁排水系统的优化问题引起了学者们的广泛关注。

赵琴[5]通过化学危险品的运输车跨越饮用水源的现象，分析了高速公路桥梁桥面径流收集系统的技术缺陷；刘鹏等[6]对桥面排水系统进行了优化设计；杨自珍[7]以某桥梁桥面排水设计为研究对象，采用数值法分析了桥面纵、横坡、泄水口形式等参数对桥面泄水孔截水率的影响。当前大部分学者的研究均集中于排水系统参数的修正，对于系统整体的改善及优化研究不深入。

鉴于此，本文在对比分析传统排水设施的基础上，研发了一种装配式桥梁排水装置，能够有效运用风能带动风帽转动形成吸力，促进桥面排水，积极响应了新时代“双碳”政策。

基于此提出的装配式绿色排水新技术，不仅提高了施工效率，增加了单位时间内桥梁的泄水性能，而且能够有效防止泄水孔阻塞，保证桥梁排水通畅。

1 传统的桥梁排水技术

桥梁排水主要是通过桥面横坡与纵坡，将桥面积水汇集至行车道两侧后借助泄水孔和泄水管排出。然而常用的排水装置易出现泄水槽格栅板丢失、泄水孔堵塞、三通管道破裂等现象[8]，且部分排水管口搭接范围内出现绿苔[9-10]，表明排水系统的接口搭接不紧密，以泄水孔堵塞现象最为常见，如图1 所示。

图1 泄水孔病害图

为防止泄水管堵塞，通常在泄水孔上加盖金属篦子。而常用篦子的孔径小、密度大，排水效果不佳，且杂物堵塞后不易清理，导致频繁降雨时桥面出现长期积水。这不仅会影响人们的日常出行，还会对桥梁结构产生威胁。

如果雨水渗进桥梁内部并凝结成冰，容易引起结构内层破坏，甚至导致整个桥跨结构倾斜，极大降低了桥梁结构的整体性，易对周边建筑的稳定性造成威胁。因此，优化桥梁排水技术，对提高桥梁质量、促进城市正常排水具有重要的现实意义。

2 桥梁排水系统优化技术研究

2.1 新型装配式桥梁排水装置概述

为弥补常用金属篦子的缺陷、改善排水设施搭接不紧密的现象，本文提出了一种基于风能传动的装配式桥梁排水装置，如图2 所示。新型桥梁排水装置包括桥梁防堵泄水装置本体、可拆卸式风帽和泄水底座等。其中，风帽叶片具有一定弧度，不仅能够提高杂物的拦截率，而且在风荷载作用下，风帽转动形成吸力，提高了单位时间内桥面的排水能力。

图2 新型桥梁排水装置

此外，装置底部外圈裹覆的橡胶保护套保证了泄水装置与泄水口的紧密搭接。与传统排水技术相比，新型桥梁排水装置装配化程度高，且施工便捷度较高。

2.2 新型装配式桥梁排水装置的研发

本文提出的风能传动的装配式桥梁排水装置主要为了解决当前桥梁排水的常见问题。

桥面铺装上均匀布设若干泄水口，在泄水口中安装桥梁防堵泄水装置。此装置的高度应大于泄水口的深度，以确保风荷载能大面积作用于风帽叶片上，带动风帽转动，进而产生吸力加快积水排泄。当车辆在桥面行驶时，泄水装置会阻碍行车，而本文提出的装置中，泄水底座整体固定，当车辆荷载作用于风帽时，伸缩弹簧被压缩，风帽整体向下平动，保证车辆正常行驶。当车辆通行后，风帽本体受伸缩弹簧作用能够自动弹出并复位。

对于风帽而言，其本体上下两端分别设置了帽顶和中圈，风帽叶片在两者中间沿圆周呈均匀阵列布设。在中圈的内部焊接2 根相互垂直的支撑杆，其中间位置处的上方通过中圈轴承安装了风帽支撑空心杆，在其顶底部的中心位置处焊接连接板，在连接板底部的中心位置处焊接帽顶轴承，空心杆的顶端安装在轴承内部，用于实现风帽转动。对于泄水底座而言，在其脚圈底端的外壁上套有橡胶保护套，保证与泄水口紧固装配。此外，在脚圈的底部和内部分别焊接2 根相互垂直的支撑杆，称为脚圈上、下支撑杆，2 杆的竖直位置重合，以保证泄水底座的稳定性。上支撑杆的中心位置处竖直安装底座承插实心杆，其长度大于风帽支撑空心杆的长度，使得装配后的中圈与脚圈之间存在空隙，保证风帽顺利伸缩。

具体而言，排水装置中风帽叶片的形状应被设计为弧状，数量设为12 片，因此，在风荷载作用下，风帽发生转动，进而形成吸力，加速排水。风帽叶片的上端通过螺栓固定在帽顶的边缘位置处，底端通过铆钉固定在中圈的外壁上，叶片能够阻挡杂物进入泄水口。风帽本体易拆卸，能及时对泄水口的杂物进行清理。脚圈上支撑杆上方的底座承插实心杆顶端套接有伸缩弹簧，能够对风帽本体起到支撑作用，避免风帽支撑空心杆直接与泄水底座接触，增加风帽转动的活动性。排水装置的整体结构及其细部构造示意图如图3所示。

图3 装配式桥梁排水装置整体结构及其细部构造示意图

2.3 基于新型装配式桥梁排水装置的施工工艺

在具体应用时，将预制成形的各部件拼装后即可投入使用。就风帽的施工工艺而言，应先对每一片风帽叶片设置相同的弧度，通过帽顶螺栓将叶片上部固定在帽顶底部，再经中圈铆钉固定风帽叶片下部于中圈外侧，采用圆周阵列方式均布叶片。其中，帽顶螺栓孔应与中圈铆钉的锚固孔一一对应。然后通过焊接的方式将连接板、帽顶轴承与帽顶底部相连接，同理，焊接中圈支撑杆与中圈轴承为一体，再焊接风帽支撑空心杆与帽顶轴承和中圈轴承，形成风帽本体结构。在整个焊接过程中，应充分保证风帽本体结构能够以风帽支撑空心杆为中心转动。

脚圈、脚圈上下支撑杆及底座承插实心杆应通过焊接的方式连为整体，再将橡胶保护套固定于脚圈底部，并把伸缩弹簧安装在底座承插实心杆底部后，即可完成泄水底座的组装。最后，将风帽支撑空心杆套接在底座承插实心杆上，使得风帽与泄水底座共同形成桥梁防堵泄水装置。需要注意，实地安装此桥梁防堵泄水装置时，其高度应大于桥面铺装的施工厚度，以保证风能作用下风帽转动流畅，提高单位时间内桥面积水的排泄能力，弥补传统技术的缺陷。

对于桥梁防堵泄水装置的后期维修和养护工作，若风帽和泄水底座发生锈蚀损坏，可直接拆除相应结构，更换新部件，延长装置的使用寿命；若构件内伸缩弹簧损坏，亦可直接更换旧弹簧；若泄水口堵塞，可直接拔出风帽本体，清理杂物，极大地提高了工作效率。

2.4 桥面排水系统的其余改善措施

应从设计、施工、养护等多方面着手，实现桥面排水系统的全方位改进，具体如下。

设计方面：设计单位在进行桥梁工程整体结构设计时，对桥梁排水系统的设计要给予高度重视。设计是一个工程的源头，是决定排水系统发挥应有作用的基奠。

施工方面：在施工过程中，应严格控制施工质量，遵循事前、事中和事后控制的3 原则。保证施工质量，是降低安全事故、减小城市安全威胁的基本保障。

养护方面：在整个养护过程中，应提高对排水系统的重视，及时清孔，保证排水系统在雨天能发挥应有的作用。

3 结论

本文研发的装配式桥梁排水装置重点解决了传统篦子孔径小、密度大，且易被杂物堵塞造成排水不畅等难题，借助风能推动风帽转动，形成的吸力大幅提高了桥梁排水效率，为桥梁排水问题提供了新思路。从设计、施工、养护3 方面提出了助力桥梁排水的相关改进措施，实现对桥面排水系统的全方位改进。