道路立交排水工程設計

張國堂

1 城市立交排水的特點及方式

1.1 城市立交排水的特點

1.1.1 重要性

道路立交排水是與道路系統(tǒng)密切相關的系統(tǒng)工程。排水系統(tǒng)運轉的正常與否,將直接關系到道路立交系統(tǒng)甚至較大范圍的道路交通系統(tǒng)運轉的正常與否。因此,道路立交排水是道路立交建設工程中十分重要的環(huán)節(jié),排水設計標準要高于一般道路。

1.1.2 復雜性

道路立交系統(tǒng),特別是下穿式立交范圍內(nèi),有可能出現(xiàn)自流排水系統(tǒng)、抽升排水系統(tǒng)、地下水排水系統(tǒng)、人工島地域的排水和區(qū)域(過境)排水系統(tǒng);同時多個排水系統(tǒng)又與道路、橋梁結構、鐵路涵洞以及其他配套市政管線等設計密切相關,因此,立交排水工程具有一定的復雜性。

1.1.3 特殊性

由于道路立交系統(tǒng)復雜,為確保橋梁、鐵路涵洞結構的安全,排水管道穿越其基礎或結構時,需要進行特殊加固處理,并征得對方的同意。由于立交排水系統(tǒng)較多,各個排水系統(tǒng)之間的連接方式與普通排水工程中的管道連接可能有所不同,有時候部分雨水抽升、地下水系統(tǒng)需要單獨獨立設置,有時需設置防止倒流設施。

1.2 城市立交排水的方式

1.2.1 自流排水

當?shù)缆妨⒔幌到y(tǒng)內(nèi),道路最低設計路面高程高于附近下游低點位置的設計水面(該點的設計水面系根據(jù)下游河湖水體20年一遇標準的洪水位推算并計算沿程水頭損失)0.5 m以上時,該立交的排水系統(tǒng)可采用自流排水方式。

北京市已建成的立交橋中,大部分上跨式立交和部分下穿式立交排水下游受納系統(tǒng)滿足自流排水要求,采用了自流排水方式。

在條件允許的前提下,自流排水是最經(jīng)濟、最安全的措施,在設計立交排水方案時,在總體規(guī)劃允許的范圍內(nèi)應盡可能推薦使用自流排水方式。

1.2.2 調蓄排水

一般來說調蓄排水,即在降雨洪峰時,排水下游受納系統(tǒng)的水位高于道路立交系統(tǒng)中最低點的路面高程,雨水不能自流排除,將洪峰期的雨水暫時收集至調蓄設施內(nèi),錯開歷時較短的洪峰,待下游受納系統(tǒng)水位回落后,再采用自流排除。

調蓄排水,要求進入調蓄設施內(nèi)的全部雨水都能夠自流排空,在立交匯水面積較小、周圍有較大的排水受納系統(tǒng),同時道路沒有地下水排水要求的工程中應用。

1.2.3 抽升排水

當?shù)缆妨⒔慌潘掠问芗{水體的水位無法滿足立交范圍內(nèi)雨水自流排水,同時又不具備調蓄排水的條件時,需要采用抽升排水的方式排除立交范圍內(nèi)的雨水。北京已經(jīng)建設的道路立交排水系統(tǒng)中,投資建了近百座抽升排水泵站,經(jīng)過十幾年的運轉,大部分抽升排水泵站在正常工作條件下運轉正常。

1.2.4 人工島地域的排水

某島的立交排水則基本屬于調蓄排水,立交雨水通過雨水口收集進入排水管道后再排入內(nèi)河淡水收集系統(tǒng),作為淡水源供有關部門使用,既起到調蓄作用,又有循環(huán)利用的經(jīng)濟價值,目前人造島地域區(qū)別于一般立交排水,均為上跨立交式,路面水被收集后進入生態(tài)系統(tǒng)加以利用。

1.2.5 區(qū)域(過境)排水系統(tǒng)

修建立交橋的道路系統(tǒng),往往是城市快速道路或主要干路系統(tǒng),通常情況下,該道路建設的同時需要敷設城市區(qū)域范圍內(nèi)的各種市政管道。因此,該范圍內(nèi)的排水系統(tǒng)管道(雨、污水管道)有可能穿越道路立交后,再進入下游受納系統(tǒng)中。

在道路立交范圍內(nèi),特別是下穿式立交范圍內(nèi),有可能出現(xiàn)區(qū)域排水管道高程與道路路面高程矛盾的現(xiàn)象。需要將區(qū)域的排水管道移出下穿式立交的范圍,以保證區(qū)域管道的自流排水。同時,該區(qū)域排水系統(tǒng)中的雨水干線,往往也是道路立交范圍內(nèi)雨水排除的下游受納管道,因此,在設計中,必須重視區(qū)域系統(tǒng)的總體設計,使道路立交范圍的各個排水系統(tǒng)能夠有機的結合。

2 立交排水管道設計

2.1 基礎資料

道路立交排水工程設計的基礎資料,主要包括相關立交工程的排水規(guī)劃(其中包含區(qū)域防洪標準、管道設計標準、下游受納系統(tǒng)出路)、下游受納河湖的控制水位、工程地區(qū)的地質勘察報告以及道路立交施工圖設計等。

2.2 雨水量計算

雨水設計流量公式:Q=ψ×q×F。其中,Q為雨水設計流量,L/s;ψ為綜合徑流系數(shù);F為匯水面積,hm2;q為設計暴雨強度,L/(s·hm2)。

根據(jù)北京市現(xiàn)行的防洪標準和通常的排水規(guī)劃要求,常規(guī)的道路立交系統(tǒng)的設計標準為:重現(xiàn)期不小于3年,重要區(qū)域標準可適當提高,立交范圍常用值為P=3;立交范圍內(nèi)鋪裝路面的徑流系數(shù)為 0.9;地面集水時間 t1=5 min～10 min。渤海灣地區(qū)某人造島地域目前多為上跨立交,采用重現(xiàn)期不小于2年,立交范圍常用值為P=2;立交范圍內(nèi)鋪裝路面的徑流系數(shù)為0.8～1.0;地面集水時間t1=5 min～10 min。在立交范圍內(nèi)由于地面坡度大,管內(nèi)流行時間不宜乘折減系數(shù)2。

2.3 管道水力計算

2.3.1 水力計算公式

流量公式:Q=A×V。其中,Q為流量,m3/s;A為水流有效斷面面積,m2;V為流速,m/s。

2.3.2 粗糙系數(shù)

排水管道的粗糙系數(shù)主要取決于不同管材管壁結膜和管底沉積情況,而這兩者又取決于水質及其流動情況。排水管渠多為重力流,一般均按粗糙型紊流考慮。水泥管道粗糙系數(shù) n值一般采用0.013,聚乙烯管道粗糙系數(shù)n值一般采用0.010。

2.3.3 流速范圍

最小設計流速:雨水管在滿流時最小設計流速為0.75 m/s;

最大設計流速:非金屬管道為5.0 m/s。

2.3.4 設計充滿度

雨水管道設計按滿流計算。

3 管材

雨水管道工程通常采用鋼筋混凝土管。根據(jù)北京市有關部門的文件規(guī)定,對于管徑小于600 mm管道的排水管道限制使用平口混凝土管道。通常可以采用企口混凝土管道或聚乙烯管材替代。對于管徑大于600 mm的雨水管道,仍采用鋼筋混凝土管道。

4 附屬構筑物

道路立交范圍內(nèi)路面高程低點必須設置雨水口,雨水管應滿足雨水口支管接入要求。由于立交道路縱坡較大,造成雨水的地面徑流流速較快,接近甚至超過管道排放的流速,在引道上設置雨水口效果并不理想,所以一般采取在立交最低點處設置多篦雨水口來收集雨水,就近排入泵站集水池。當?shù)缆房v坡較緩時,可適當在坡道上布置雨水口以減輕雨水大量集中匯于道路低點處,但是并不折減道路低點雨水口數(shù)量。多篦雨水口一般沿道路縱坡方向對稱布置于道路兩側的低點處,道路低點雨水口數(shù)量應按匯集到低點的雨水量計算,每個雨水口的泄水能力按15 L/s計算,實際布置的雨水口數(shù)量應增加20%～25%。

5 地基處理

不同道路立交工程,應根據(jù)相應的地質勘察報告,了解工程地質、地下水位情況,以確定是否需要對雨水管道施工現(xiàn)場進行地下降水和地基處理,以保證管道運行安全可靠,尤其像填海造地新興起的城市必定還會有許多問題。在穿越道路立交路面基礎或橋梁結構、其他管線基礎時,應根據(jù)實際情況,對雨水管道基礎進行校核,確定是否需要進行結構或管道基礎的加固處理。

6 結語

隨著城市高速發(fā)展,立交排水已經(jīng)愈來愈成為一項專門的工程技術而得到有關人員的關注,并且在立交橋整體的配套設計中,已經(jīng)成為重要的組成部分。立交排水設計的是否合理,可直接影響到日后立交橋的使用情況。以上從一般城市道路立交排水工程設計和新興島嶼城市道路立交排水工程設計方法與特點,提出了在設計工作中應根據(jù)不同立交的特點來選擇不同的排水方法。