西固黃河大橋雨水集流系統設計

曾志剛

(甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司，甘肅蘭州 730030)

0 引言

目前，在公路交通環境保護領域，由于危險品運輸車輛發生事故而導致的危險化學品泄漏，致其徑流進入敏感水體造成污染的問題一直受到相關部門的高度重視，對跨越敏感水體的橋梁，設計完善的橋面徑流收集系統已經是公路環境保護設計中不可或缺的內容。近年來,與公路交通相關的一系列水體環境政策和法規相繼出臺。2007年，國家環境保護總局、國家發展和改革委員會及交通部等部門于聯合頒發的《關于加強公路規劃和建設環境影響評價工作的通知》中明確規定，“公路建設應特別重視對飲用水水源地的保護，路線設計時，應盡量繞避飲用水水源保護區。為防范危險化學品運輸帶來的環境風險，對跨越飲用水水源二級保護區、準保護區和二類以上水體的橋梁，在確保安全和技術可行的前提下，應在橋梁上設置橋面徑流收集系統，并在橋梁兩側設置沉淀池，對發生污染事故后的橋面徑流進行處理，確保飲用水安全”。

1 集流系統組成分析

1.1 集流系統收集范圍及功能

對跨越敏感水域橋梁所設置的橋面雨水集流系統，是指通過橋面泄水管及與其互通且設置有一定縱坡的縱向集流管等連通設施，將橋面徑流收集至橋頭端部，然后通過豎向集流管排至集流池達到沉淀分流處理的目的。因此，該系統各個組成部件應該滿足如下兩點功能：

（1）在正常降水情況下，能及時有效地將橋面雨水徑流通過合理管徑的集流管排至集水池；

（2）遇見突發危險化學品等泄漏事故時，能及時有效地排除事故徑流和沖洗廢液，且能在集流池部分進行廢液收集、沉淀和分流。

1.2 集流系統組成形式

通過對橋面雨水集流系統功效的分析可知，該系統主要由集流管和集流池兩大部分組成，此外，為滿足將橋面雨水徑流排空以隨時準備接收事故徑流的功能,集水池除將橋面徑流集流管接入外,還應設置溢流管、排空管及配套閘閥等設施。為保證雨時池內多余雨水能有組織溢流至指定地點，減少水力沖刷，宜在溢口附近設置消力池和一定鋪砌。在綜合考慮以上功能的基礎上，結合以往類似構造物的設計，現擬定橋面雨水集流系統的組成形式見圖1。

圖1中進水管與豎向集流管相接，集流池中的隔板將集流中的密度較大的污染物和雜物沉積在集水池底部，起到截污沉淀的作用，溢流管排水至附近的河道（在強降雨時溢流管發揮作用，溢出的水是雨水，不會對水體造成污染），如果降雨天發生危險品泄漏事故，因一般的化學危險品密度較水小，當雨水和危險品一起匯入集水池時，危險品浮在上層且被隔板擋住，不會隨溢流水體流出集流池，起到了截留污染物的作用，在集流池容積足夠容納危險品數量的情況下，避免泄漏的危險品污染水源地。養護單位應定期對其進行清理，及時排空沉淀池的水，清除沉淀物，避免因管道阻塞、溢流不暢、集流池容積不足等造成污染水體事故的發生。

2 集流系統設計計算

2.1 工程概況

蘭州南繞城高速公路于蘭州市西固區經西固黃河大橋跨越黃河水源地保護區，按照環評要求需對該橋進行橋面徑流收集系統的設計。西固黃河大橋斜跨黃河，其黃河南岸位于西固區上岸門村西約500 m處，北岸位于西固區柴家臺村西，距柴家峽水電站下游約1.8 km，橋梁結構組成：2×40 m簡支箱梁+（67+110+360+110+67）m斜拉橋+5×40 m連續箱梁，斜拉橋范圍內設1.0%的縱向人字坡，橋面設1.5%人字橫坡，半幅橋面集水寬度11.25 m，每隔3.5 m布置一個泄水管，橋梁總體布置見圖2。橋址區域為蘭州市飲用水源地一級保護區，擬在2號、7號墩處設置橋面雨水集流池，綜合考慮初期雨水徑流及事故污染物截流處置功能，按蓄納一次事故污染物池容量設計,避免對水體的直接污染。

2.2 橋面徑流集流管設計

（1）基本假定

a.事故徑流較雨水徑流小，按照排除雨水徑流設計的集水管能滿足充分排除突發事故泄漏的危險化學品徑流的要求；

b.橋面雨水實際是從橋面最高處沿縱橫坡的組合斜坡向流動，計算橋面雨水初始集流時間時將該過程簡化為橋面橫向漫流過程和橋面及護欄形成過水斷面的縱向集流過程的組合。

（2）橋面雨水徑流量計算

根據橋面雨水截流管極限強度設計理論，其設計流量Q的計算公式為

式中：Q——設計流量（L/s）；

φ——徑流系數，水泥混凝土路面取0.9；

F——需收集橋面排水路段的面積（hm2）；

Ir——設計降雨強度（L/（s·hm2））。

甘肅省蘭州市的暴雨強度公式為：

式中：P——設計重現期，高速公路取5 a；

t——設計降雨歷時，即集流時間(min)。

結合式（1）、式（2）及文獻[1]可知，具有收集個泄水管水流的集流管的流量計算公式為：

根據文獻[7]推薦的計算方法，初始管段地面集雨時間tF1由橋面雨水橫向漫流時間th及縱向匯水點最遠處雨水流至第一個泄水孔所需時間tv兩部分組成：

圖1 橋面雨水集流系統（單位：cm）

圖2 西固黃河大橋總體布置（單位：cm）

式中：m1——地表粗糙度系數，水泥混凝土路面取0.013；

ih——橋面橫坡；

iv——橋面縱坡；

W——橋面雨水橫向漫流寬度，取11.25 m；

L1——縱向匯水點最遠處至第一個泄水口的距離，取3.5 m。

由水力學基本計算公式可知，集水管滿流時流速和流量分別滿足：

式中：Q——設計流量（L/s）；

v——平均流速（m/s）；

A——有效過水斷面面積（m2）；

m——管壁粗糙系數，取0.010；

R——水力半徑（m）；

I——集水管坡度，取橋面縱坡1.0%。

由式（4）計算可得 tF1=21.6 min，代入式（3）可得 Q1=1.06 L/s，將以上結果結合式（5）、式（6），即可確定出初始管段流速v1=0.924 m/s，由此計算出L1和 v1的比值 t12=3.79 s，將 t12代入式（3）得 Q2，并將 Q2代入式（5）、式（6）求得 t23，如此重復 101次，最終求得Q102=56.55 L/s。

（3）橋面集流管選定

將（2）中的計算結果Q102=56.55 L/s代入式（6），求得末端集流管最小管徑D102=187 mm。從理論上講，按滿流設計的雨水管，因各節管段內集流量不同，管徑也應隨排水距離的增加而增大，但實際設計中因考慮到施工安裝的標準化及外部視覺效果，西固黃河大橋取集流管管徑為200 mm。

考慮到化學危險泄漏液一般具有強腐蝕性，西固黃河大橋縱向集流管采用玻璃鋼管。為了保證橋梁縱向伸縮時集流管不因拉壓損壞，在安裝時集流管采用柔性接口，橋梁伸縮縫下方集流管需設置伸縮接頭，并保證其伸縮量滿足橋梁伸縮縫的伸縮要求。

2.3 集流池容積確定

橋梁雨水激流系統中集水池最重要的作用是收集事故徑流,故其應能滿足容納一般化學危險品事故徑流泄漏量的要求。經調查并結合相關文獻資料中的數據,目前我國常見的運油品的槽罐車和化工液體運輸車,其容積多在50 m3以下，西固黃河大橋橋面雨水集流系統設計時按極限情況考慮,假設危險品運輸車輛所載危險品全部泄漏于橋面上,且泄漏后全部通過集流管截流后進入集水池（包括雨天發生危險品泄漏事故及用水沖洗橋面灑落危險品等情況下的廢液），此外，考慮到黃河一級水源地保護區水體的環境敏感程度較高，集流池容積需兼備滿足沉淀雨水徑流中的懸浮物等污染物、凈化雨水徑流功能的要求，故集水池有效容積至少需50 m3，集流池的尺寸擬定為：5.0 m（長）×3.0 m（寬）×3.5 m（高）。

3 結論

西固黃河大橋位于黃河水源地保護區,該橋的橋面雨水集流系統既可以收集橋面雨水,又具有集流由于突發事故泄漏的危險化學品的作用,保證了蘭州市飲用水源的安全和橋面的排水暢通，通過對該系統的設計計算得到如下結論:

（1）設計的西固黃河大橋集流系統在結構組成上能夠滿足排除橋面雨水和收集事故危險品徑流的功能要求，能較為全面系統地進行“水”、“污”的收集、分離和處理。

（2）通過計算可知，西固黃河大橋集流系統采用直徑為20 cm的縱向集流管能夠滿足規范規定重現期內該橋橋面雨水的截流功能要求，所設計的容積為50 m3的集流池能夠滿足一次通常性化學危險品泄漏事故中全部污染物收集的要求。

（3）西固黃河大橋集流系統采用的玻璃鋼管材料及柔性接口和伸縮接頭連接裝置，保證了縱向集水管工作的耐久性和裝置本身的安全性。

（4）為保證西固黃河大橋集流系統正常發揮其功能，在日常運行過程中需有專人負責管理，清理管道防止淤塞，清空集流池廢液及沉淀物，發生危險品泄漏事故時，及時通知和協調消防、交管、環保、自來水、城管等部門，做好事故處理和善后工作。

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