跨敏感水域桥梁泄水管结构研究

1.孙歌2.徐圣奇3.王丽荣4.吴蔚然

4.湖南大学土木工程学院土木工程专业湖南长沙410012

摘要:随着我国高速公路的快速发展，公路建设及运营对饮用水源的保护及影响问题日益受到社会各界的广泛的关注，跨越具有较高水功能区划的饮用水源等敏感水体公路越来越多。我国部分高速公路对跨越重要饮用水源保护区的桥梁进行桥面水收集，但是缺少系统性的研究和规范性的文件，本文在分析桥面径流水质特性的基础上，通过对应急泄水管工艺流程、平面布置及功能单元容积、转换装置及控制系统进行优化设计，实现了危化品事故径流与雨水径流分别处置，并提出了高速公路危险化学品运输事故应急泄水管与桥面雨水径流处理设施一体化设计思路。

【关键词】桥面径流；公路；污染物；收集；处理

引言

危险化学品（以下简称危化品）运输事故泄露产生的水环境安全风险是集中式生活饮用水水源地及水源保护区、II类及以上地表水体等水环境敏感区高速公路运营期的主要环境风险。在水环境敏感区路段尤其是跨水体桥梁上一旦发生危化品运输事故泄露，将造成重大人员伤亡和财产损失，更会对周边环境尤其是水环境造成严重破坏。为防范公路运营期危化品运输事故环境风险，原国家环境保护总局、国家发展和改革委员会及原交通运输部等三部委联合下发的《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》（环发[2007]184号）要求，对跨越敏感水域的桥梁，在确保安全和技术可行的前提下，应在桥梁上设置桥面径流水收集系统，并在桥梁两侧设置沉淀池，对发生污染事故后的桥面径流进行处理，以确保饮用水安全。目前，高速公路危险化学品运输事故应急泄水管与桥面雨水径流处理设施一体化的设计具有非常重要的意义。

1工程背景

在分析跨越敏感水域桥梁雨水集流系统集流范围和功能的基础上,参考以往设计经验和成果，分析确定了集流系统的组成及布置形式，研究并总结了截流管管径及急流槽容积的计算方法，以跨越嫩江水源地保护区的科洛河为背景，计算确定了该桥集流系统相关参数的取值，设计的集流系统能较为合理的满足桥梁排水和排污要求，确保桥面雨水径流及时排出、减轻水污物径流对水域的污染、规避环境风险，为日后设计跨越敏感水体桥梁桥面雨水径流和桥上化学危险品泄漏事故径流的有效收集提供有益参考。

2危化品运输事故泄水管结构研究

若该桥桥址处于敏感水域，对其敏感水域的保护显得尤为重要，为防止载有化学危险品的车辆在桥上发生事故，化学危险品泄漏入科洛河，严重污染当地水源，所以对跨敏感水域的桥梁进行基于环保理念的桥面排水系统的设计[1]。

2.1设计流量的确定

据雨水管道设计原理，排除桥面雨水的截流管采用极限强度理论设计，即设计暴雨强度、降雨历时、汇水面积均取相应的极限值，设计流量Q的计算式为

（2.1）

式中：Q——设计流量；

F——径流系数，按《公路排水设计规范》中推荐的径流系数参考值进行选取，取0.95；

F——汇水面积，等于路面宽度W和排水路段长度L的乘积(hm²)；

I——暴雨强度，对应集流时间的降雨强度（L/(s•hm²))。

查阅相关气象资料，黑河市地区的暴雨强度公式为：

（2.2）

其中：P——设计降雨频率标准,即重现期(年)，根据《公路排水设计手册》高速、一级公路取5年；

t——设计降雨历时，即集流时间，设计降雨历时是指所设计管道对应的汇面积中最远的一点到达集水点的雨水流行时间。

2.2排水管道水力计算

图2.1推荐方案桥型布置

本设计假定0号桥台(左侧)处为起点，桩号为,跨中桩号为，11号桥台（右侧）处为终点，桩号为.由于本桥顺桥向沿跨中对称，并且沿中间分隔带左右路幅对称，现选取段至段的一侧路幅为研究对象。

2.2.1初始管段的计算

桥面有纵、横坡，桥面雨水实际流向是从桥面最高处沿纵、横坡的组合斜坡流行。设计计算时，可将该过程简化为经桥面内横向漫流过程和防撞护栏与桥面形成过水断面的纵向集流过程最后排至到一定间距的泄水管。在应急排水系统[2]中，设置纵向截流管将各泄水管排水收集引至水域外。截流管的设计流量沿排水方向在不同管段不断增加，桥梁排水设计中汇水面积的划分是由桥梁半幅的宽度和汇水口之间的距离决定的，根据公路排水设计手册的规定集水口之间的距离取5米。如图2.2所示，每一段收集管段对应的汇水面积面积依次为：，，……等等。

图2.2桥梁排水计算方法示意图

根据图2.2所示的简化设计计算方法，对于初始的第一个管道，最不利点为汇水区域中和收集口处于矩形对角点关系的最远点。第一段管段到第二段管的时间就是指雨水从这一点流到收集口的时间，包括横向漫流时间和纵向集流时间，《公路排水设计规范》推荐采用下式计算：

（2.3）

式中：——横向漫流时间，即雨水从最不利点处沿横向流经桥梁最大宽度的距离所用的时间，与桥面宽度和横坡有关（）；

——纵向汇水点最远处水流至第一个泄水口的时间即纵向汇流时间，与排水断面形式和纵坡有关()。

的计算见下式：

（2.4）

其中：M——地表粗糙系数，按《公路排水设计规范》中推荐的径流系数参考值进行选取，取；

W——桥梁横向的宽度，本设计中半幅桥宽为；

——桥面横坡，本设计桥面横坡为。

的计算见下式：

（2.5）

其中：——最不利点到汇水口的纵向距离，本设计为米；

——纵向汇水平均流速()；也可按Rziha经验公式计算。

根据Rziha经验公式

（2.6）

式中：——桥面纵坡，本设计取。

由以上各式可以计算出管段的设计流量，由于设计管段是满流，所以根据谢才曼宁公式就可以算出管径。

谢才曼宁公式[3]计算流量见下式：

（2.7）

（2.8）

其中：——管道的断面面积，；

——管道的水力半径，；

——管道的水力坡度，与桥梁纵坡一致；

——温武.浅谈虹吸式屋面雨水排水系统[J].给水排水动态.2006,2:10-12

管壁粗糙系数，在桥梁排水设计中选用玻璃钢管，因其具有强度高、表面光滑、耐腐蚀、抗冻性好、施工方便等优点，粗糙系数为0.0084。

利用公式（2.1）到（2.6）计算出，再把代入（2.7~2.8）中可以求出管径。

2.2.2其它管段的设计

经过第一段管道设计后计算出第一段的管径，流量，平均流速，以及第一段的管道流行时间。

可以根据公式（2.5）计算出在第一段管道里的流行时间，叠加在第一段计算时的流行时间，就是第二段的集雨时间，代入公式（4.2）计算出降雨强度，在计算在第二个收集口的汇水面积即可代入公式（2.1）计算出第二段管道的流量。再利用公式（2.8）计算出第二段的管道直径，再将直径代入公式（2.7）计算出管道内的平均流速，再代入公式（2.5），如此循环计算就可以逐一计算到最后一段管道的管径的，流量。

2.2.3交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算

世界各国的统计资料表明，高速公路是安全度最高的公路。这是因为高速公路宽阔、平直、分道行驶、全封闭、全立交、有完善的交通安全和交通控制设施。但高速公路又具有车流量大、行车速度高的特点，因而如行驶途中任一车辆由于故意、非故意造成车辆碰撞、停行，均将酿成重大交通事故，且事故殃及车辆数多、死亡率高，这是高速公路上发生交通事故的一个重要特点。同普通道路相比，高速公路交通事故主要有以下几个特点：高速公路发生重、特大恶性交通事故的概率较大、所占比例高速公路上由于汽车行驶速度快，汽车运行时动量大，因而冲击力强，一旦发生事故往往危害性大，后果严重。

目前公路建设项目中危险品运输污染风险概率[4]通常以预测公路建成通车后，危险品运输车辆发生交通事故的概率来替代污染风险发生的概率。具体计算时一般针对事故易发路段或危险品运输污染风险较大的路段进行分析。

1、计算公式如下：

式中，——重要水域地段出现污染风险概率；

——该地区目前车辆相撞翻车等重大交通事故概率，次/百万辆×公里；

——预测年的年绝对交通量，百万辆/年；

——降低后的交通事故发生率，指由于高速公路的修建，可能降低交通事故的比重(％)；

——运输化学危险品的车辆占总车流量的比例(％)；

——水域或其他敏感路段的长度(km)。

2、参数确定

科洛河桥地处黑河市。位于嫩江中上游，是山区向丘陵过渡的地带，海拔在之间，平均高度，相对高差。地势东高西低，起伏较大，台面切割明显，拗谷发育但谷坡较缓，一般为度；冲沟发育，水土流失较严重。地面物质由第四系冲积、洪积亚粘土类及砂砾石组成，地表层为黑土、草甸土、暗棕壤和沼泽土。地理位置在东经，北纬之间。公路自然区划为区，即北部岛状多年冻土区。

①的确定

据黑河市统计数据显示，预测平均每日通过科洛河桥的车辆在辆左右，其中危险品运输车辆约辆，科洛河桥交通事故率为，则取。

②的确定

设计交通量为

表2.3车型比表

小货（%）中货（%）大货（%）拖挂（%）小客（%）大客（%）0.120.250.130.070.330.1

根据预测车流量，计算的主要水域段的值如表2.4。

表2.4项目重要水域段的百万辆/年

名称2007年2013年2021年科洛河桥7.3214.3221.62

③的确定

在可比条件下，一级公路的修建可能降低交通事故的比重，取值范围通常按计算，一般取，全路段情形下取，一级公路发生事故的概率为普通公路的倍，考虑前锋农场至嫩江公路嫩江大桥路段跨越了敏感水域，固嫩江大桥段取

④的确定

黑河地区化学品、农药及石油类的货车约占总车流量的比例为，故取。

⑤的确定

科洛河桥推荐方案桥跨布置为，因此敏感水域路段为。

3、由以上的参数可算出

4、关于危险品运输车辆发生事故时危险品泄漏量概率，中国尚无研究结果，表2.5是国外对油罐车发生事故时不同泄漏量的概率研究结果。由表2.5数据可见，油罐车发生泄漏事故时油品泄漏量大于的事件是一小概率事件，也即一般事故造成的泄漏量多在几个立方。设计时以极限情况考虑，假设危险品运输车辆所载危险品在桥上全部泄漏，且泄漏后全部通过截流管截流后进入储存池。

表2.5特定事故泄露概率计算表

泄漏量/kg特定事故的泄露概率特定事故的泄露总概率15-1500.0210.064150-15000.0111500以上0.032

5、表2.5中特定事故的泄露总概率，则科洛河桥化学危险品运输车辆发生泄漏事故概率为

6、预测结果

表2.6科洛河水域交通事故发生可能性预测

跨河大桥名称水域长度（km）特定事故的泄露总概率2007年2013年2021年科洛河桥0.580.000780.00150.0023

从上可以看出,化学危险品发生泄漏事故概率大致为，在有敏感水域地段，此事故是绝对不允许发生，因此嫩江大桥路段必须设置化学危险品泄漏事故径流应急收集池，使化学危险品泄漏事故的环境危害降至最低。

经调查，目前中国常见的运输液态危险品的车辆，包括运油品的槽罐车和化工液体运输车，其容积在之间，较常见的多在以下。因此交通运输中发生化学危险品泄露事故的泄漏量最大为。

作为最不利条件[5]考虑，假设载有液态危险品的车辆在桥中间靠右侧（将桩号视为右侧）一点侧翻，并假定液态危险品全部倾泄在右侧，平铺整个横向车道，假定平铺厚度为，平铺纵向长度，设为，并且危险品液体只通过这内的排水管排离桥面。假设液体要求在两个小时内排出桥面，并且恰此时下两个小时的暴雨，在此条件下保证桥面排水系统依旧通畅。

液体相当于给桥面带来了的流量，平均分配给内的18个区域~，每个区域的流量为。然而，基于更安全快速排水考虑，假设区域~段也增加流量，也就是说明这内的危险品液体泄露在桥上的任一区域，本桥排水系统仍满足要求。

2.3管道水力计算的实现

借助MATLAB软件编写程序具有一定的步骤来实现排水管道的水力计算，思路为：首先计算出初始管段的地面集流时间，通过暴雨强度公式计算出，再计算出初始管段的流量，雨水管道按满流设计，因此可以通过曼宁公式计算出初始管段的管径、以及初始管段中的雨水流行速度，由初始管段的长度和流速可以计算出初始管道的雨水流行时间。下一管段的集流时间等于上一管段的集流时间叠加上上一管段的雨水流行时间,求出后可以算出下一管段的，之后就可以求出下一管段的、、。如此循环计算下去,直到计算完最后一个管段。第一段管道数据计算结果如下：

请输入计算段桥梁纵坡坡度i:0.015

请输入计算段起点桩号:00290

请输入计算段终点桩号:00580

下面是本次计算段中所有参数，请核查！

桥梁纵坡坡度为：iv=0.015000

桥梁横坡坡度为：ih=0.020000

桥面地表粗糙系数为：m=0.013000

桥面径流系数为：b=0.950000

桥面设计排水区域宽度为：w=11.250000

桥面单个设计排水区域长度为：l=5.000000

排水管道管壁粗糙系数为：n=0.008400

本次计算段长度为：290

本次计算段中排水区域数以及泄水口数为：58

第一段设计结果：

第一段汇流时间为：t=1.519611(分钟)

第一段流量为：Q=3.165353(升每秒)

第一管段设计管径为：d=66.232549(毫米)

第一管段中流速为：v=0.918733(米每秒)

2.4管径计算结果

2.4.1泄水管管径

每段区域的泄水口的设计管径均与MATLAB计算中的第一管段F1设计管径相同，第一管段设计管径为：，但是其是以满流做为假设计算出来的，现根据对泄水管的泄水能力的研究，泄水管的充水率应，所以经过计算得最终设计管径，即。那么本设计取泄水管管径取玻璃钢管，泄水管末端距桥面。

2.4.2排水管管径

管段计算的的管径均小于，但是根据《公路排水设计规范》规定，排水管内径应不小于泄水管的内径，本设计中则选取玻璃钢管直径为。详情见下表2.7。

表2.7管径计算结果表

起点桩号终点桩号管长（m）纵坡横坡设计管径（mm）K00+290K00+580290-0.0150.02150K00+000K00+290290+0.0150.02150

2.5排水管路泄水能力

2.5.1非满流状态排水管路的泄水能力

在实际情况下，要使排水管路系统[6]内达到满流产生虹吸作用是需要很大的桥面汇水流量的，在一般降雨情况下排水管道内水流是处于非满流状态难以达到满流的，因此对非满流时管道的泄水能力验算也是十分重要的。在新型桥面雨水排水系统中，排水管道系统由连接管、悬吊管和立管组成。由于管路系统中的连接管长度较短，非满流状态下管路系统的泄水能力验算主要表现为对悬吊管和立管的泄水流量验算。

1、悬吊管泄水能力

悬吊管是连通连接管和立管的中间水平管道，其泄流能力对整个桥面排水系统的泄水流量[7]起到决定性作用。在非满流状态下，悬吊管内水流为不稳定的紊流水体，其水力学特性比较复杂，难以完全按照水流的物理特性对其进行详细的数学描述，因此，非满流时悬吊管的泄水流量计算模型是基于一定的经验公式而得出的。由于悬吊管内水流存在很大的不稳定性，在现有的流量计算模型中对其进行了一定的简化处理，即将管内不稳定的紊流简化为稳定的均匀流，其水力计算依据谢才公式和曼宁公式确定。

如图2.3所示，由相应的几何关系可得出：

图2.3悬吊管内水流简化模型示意图

其中，A——过水断面面积，m2;

X——过水断面湿周，m;

R——水力半径;

B——过水断面宽度，m;

根据上述物理量表达式，按照曼宁公式计算悬吊管内的流速和流量可得:

式中，V——悬吊管内水流速度，m/s;

n——管道粗糙系数;

R——水力半径，m;

J——悬吊管坡度;

d——管道直径，m;

——圆心与水面的夹角。

2、泄水管（立管）泄水能力

当泄水管中的水流为非满流状态[8]时，水流运动的水力学特性与管道泄水流量、管道粗糙程度、管道高度等因素有关，即水流的水力特性、泄水流量与管道参数有关。当排水立管的管道参数恒定时，管内水流的水力学特性只与管道的泄水流量相关。

立管水流在非满流状态下的泄水流量计算模型是以水膜流状态为基础建立的。按照非满流时立管内泄水流量由小到大的变化过程，管内水流状态可分为三个不同阶段，如图2.4所示:

图2.4不同流量下立管内水流状态图

(a)降雨初期，桥面汇水流量较小，进入排水管道内的水流量也较少。由于立管管壁有一定的粗糙性，水流下落过程中会造成一定的摩擦力，此时管内水流只能沿立管管壁螺旋下落。螺旋下落运动会使水流产生一定的离心力，因此立管内水流较密实，气—液界面清晰，水流中携带的空气量很少，立管中心为稳定的大气压。

随着桥面汇水流量的进一步增加，立管内的泄水流量也逐渐增加。当管内水流达到足以覆盖整个管壁时，水流不再做螺旋下落运动，变为沿管壁直接下落运动，此时水流不再产生离心力，水流中的掺气量增加。由于此时的泄水量仍较小，立管中心气压仍为稳定的大气压。但此阶段持续时间很短暂，会迅速过渡到下一阶段，见图2.4(a)。

(b)随着桥面汇水流量的进一步增加，水流在立管内同时受到了空气阻力和管壁摩擦力的作用，在立管上部会形成具有一定厚度的横向隔膜，从而达到一种水封状态，水流在水封状态下呈附壁环状水膜流运动。水膜流形成以后，水流运动较为稳定，在重力作用下作向下的加速运动，水膜在下降过程中厚度逐渐增大，与下降的速度近似成正比关系。随着水流下降速度的不断增大，水流所受到的立管管壁摩擦力也逐渐增大。当水流的重力与立管管壁摩擦力相等时，水流速度与水膜厚度都将不再变化，此时水流运动达到终限流速Vt.

由于立管上部的水封隔膜极不稳定，在水流作水膜流向下运动的过程中，管内气压仍然有很大波动(试验表明:水封不被破坏的压强变化为士245Pa)。由于水膜流时的泄水流量相对较小，其形成的横向隔膜厚度较薄，随着流体的下落运动，隔膜下部压强不断增强，超过水封破坏的极限压强后，横向隔膜被破坏。随着流体的继续下落，又会产生新的横向隔膜，形成新的水封状态。水封的形成和破坏交替出现，直至水流到达立管底部。在水膜流过程中，立管内气压虽有一定变化，但不足以破坏管内的水封状态，见图2.4(b)。

(c)伴随着立管泄水流量的逐渐增加，泄水管内横向隔膜水封状态的形成与破坏也越来越频繁，立管内水膜的厚度不断增加，最后当水膜下部的压力不足以冲破隔膜的水封状态时，立管内水流就形成了稳定的水塞运动。随着管内水塞运动的加剧，管内压强剧烈变化，在压强超过245Pa以后，水封状态被破坏，整个排水管路系统将不能发挥正常的排水功能，见图2.4(c)。

泄水管内的3种水流变化与立管内水流的充满度有关。据经验统计:当“时，立管内水流为附壁螺旋流状态;当时，立管内水流为附壁水膜流状态;当时，立管内水流呈水塞流运动。基于对排水系统的安全可靠性和经济合理性考虑，排水立管内非满流的泄水流量计算以附壁水膜流状态为基础。

（2.13）

式中：

——充水率;

d——管道计算内径，m。

2.5.2满流状态下排水管路的泄水能力

在排水管内满流状态下，排水管道内出现负压形成虹吸[9]作用，虹吸作用能加大排水系统对水流的抽吸能力，其泄水流量比非满流状态下大许多。但是长纵坡会导致纵向排水管末端发生逆向溢流现象，水逆流进入桥台处桥面，进而削弱末端排水功能。

本设计采用超流溢水管[10]解决逆向溢流问题。超流溢水是指当桥台处排水管中发生逆向溢流状态时，通过溢流方式来消除管道逆流问题。即对主体桥梁排水系统进行优化改进，利用不同管径套接套接的方式解决逆向溢流的问题，即当跨中至桥台任一处水管A中水头高于桥台处桥面泄水管B中水头时，B管中的水流会沿其与C管的间隙处自动溢流而出，而不会产生B管水流倒流的情况发生(见图2.5图2.6)。

图2.5超流溢水管横桥向剖面图2.6超流溢水管纵桥向剖面

设计纵向排水主管即A排水管纵坡保持1.5%，危险品运输车辆事故最大泄露流量25m3/h)，同时为最大限度保障管道连接结构强度，设计管线采用钢结构抱箍固定于桥梁翼缘板板底，接口处采用热焊处理。

2.6管径计算结果

2.6.1泄水管管径

每段区域的泄水口的设计管径均与MATLAB计算中的第一管段F1设计管径相同，第一管段设计管径为：d=66.232549mm，但是其是以满流做为假设计算出来的，现根据对泄水管的泄水能力的研究，泄水管的充水率应，所以经过计算得最终设计管径，即。那么本设计取泄水管管径取120mm玻璃钢管，泄水管末端距桥面500mm。

2.6.2悬吊排水管管径

管段计算的的管径均小于100mm，但是根据《公路排水设计规范》规定，排水管内径应不小于泄水管的内径，本设计中则选取玻璃钢管直径为150mm。详情见下表2.7。

表2.7管径计算结果表

起点桩号终点桩号管长（m）纵坡横坡设计管径（mm）K00+290K00+580290-0.0150.02150K00+000K00+290290+0.0150.02150

参考文献：

[1]JTG/TD33-2012,公路排水设计规范[S].北京:人民交通出版社.

[2]钱耀辉.新型雨水排水系统关键技术问题的研究[D].西南交通大学.2009

[3]李大美，杨小亭.水力学[M].武汉.武汉大学出版社.2004

[4]陈莹，赵剑强.跨越敏感水域桥梁应急排水系统设计计算方法闭.长安大学学报(自然科学版)[J].2008,28(5):81-85.

[5]王增长，曾雪华.建筑给水排水工程[Ml.第四版.北京.中国建筑工业出版社.1998.

[6]黄建设，魏庆玲，浅析排水立管内的通气量计算[J].给水排水.2006,32(7):74

[7]石颖，柯水洲，马晶伟.压力流雨水排水系统的设计及应用[J].中外建筑.2005,6:132-134

[8]安智敏，岑国平，吴彰春.雨水口泄水量的试验研究[J].中国给水排水.1995,11(1):21-24

[9]温武.浅谈虹吸式屋面雨水排水系统[J].给水排水动态.2006,2:10-12

[10]尹江华.环保约束下高速公路特大桥排水设计的几点问题及对策研究[J].给水排水.2014，08

（项目名称：跨敏感水域桥梁应急防污综合系统研究项目编号：201511802017）