张国堂
1 城市立交排水的特点及方式
1.1 城市立交排水的特点
1.1.1 重要性
道路立交排水是与道路系统密切相关的系统工程。排水系统运转的正常与否,将直接关系到道路立交系统甚至较大范围的道路交通系统运转的正常与否。因此,道路立交排水是道路立交建设工程中十分重要的环节,排水设计标准要高于一般道路。
1.1.2 复杂性
道路立交系统,特别是下穿式立交范围内,有可能出现自流排水系统、抽升排水系统、地下水排水系统、人工岛地域的排水和区域(过境)排水系统;同时多个排水系统又与道路、桥梁结构、铁路涵洞以及其他配套市政管线等设计密切相关,因此,立交排水工程具有一定的复杂性。
1.1.3 特殊性
由于道路立交系统复杂,为确保桥梁、铁路涵洞结构的安全,排水管道穿越其基础或结构时,需要进行特殊加固处理,并征得对方的同意。由于立交排水系统较多,各个排水系统之间的连接方式与普通排水工程中的管道连接可能有所不同,有时候部分雨水抽升、地下水系统需要单独独立设置,有时需设置防止倒流设施。
1.2 城市立交排水的方式
1.2.1 自流排水
当道路立交系统内,道路最低设计路面高程高于附近下游低点位置的设计水面(该点的设计水面系根据下游河湖水体20年一遇标准的洪水位推算并计算沿程水头损失)0.5 m以上时,该立交的排水系统可采用自流排水方式。
北京市已建成的立交桥中,大部分上跨式立交和部分下穿式立交排水下游受纳系统满足自流排水要求,采用了自流排水方式。
在条件允许的前提下,自流排水是最经济、最安全的措施,在设计立交排水方案时,在总体规划允许的范围内应尽可能推荐使用自流排水方式。
1.2.2 调蓄排水
一般来说调蓄排水,即在降雨洪峰时,排水下游受纳系统的水位高于道路立交系统中最低点的路面高程,雨水不能自流排除,将洪峰期的雨水暂时收集至调蓄设施内,错开历时较短的洪峰,待下游受纳系统水位回落后,再采用自流排除。
调蓄排水,要求进入调蓄设施内的全部雨水都能够自流排空,在立交汇水面积较小、周围有较大的排水受纳系统,同时道路没有地下水排水要求的工程中应用。
1.2.3 抽升排水
当道路立交排水下游受纳水体的水位无法满足立交范围内雨水自流排水,同时又不具备调蓄排水的条件时,需要采用抽升排水的方式排除立交范围内的雨水。北京已经建设的道路立交排水系统中,投资建了近百座抽升排水泵站,经过十几年的运转,大部分抽升排水泵站在正常工作条件下运转正常。
1.2.4 人工岛地域的排水
某岛的立交排水则基本属于调蓄排水,立交雨水通过雨水口收集进入排水管道后再排入内河淡水收集系统,作为淡水源供有关部门使用,既起到调蓄作用,又有循环利用的经济价值,目前人造岛地域区别于一般立交排水,均为上跨立交式,路面水被收集后进入生态系统加以利用。
1.2.5 区域(过境)排水系统
修建立交桥的道路系统,往往是城市快速道路或主要干路系统,通常情况下,该道路建设的同时需要敷设城市区域范围内的各种市政管道。因此,该范围内的排水系统管道(雨、污水管道)有可能穿越道路立交后,再进入下游受纳系统中。
在道路立交范围内,特别是下穿式立交范围内,有可能出现区域排水管道高程与道路路面高程矛盾的现象。需要将区域的排水管道移出下穿式立交的范围,以保证区域管道的自流排水。同时,该区域排水系统中的雨水干线,往往也是道路立交范围内雨水排除的下游受纳管道,因此,在设计中,必须重视区域系统的总体设计,使道路立交范围的各个排水系统能够有机的结合。
2 立交排水管道设计
2.1 基础资料
道路立交排水工程设计的基础资料,主要包括相关立交工程的排水规划(其中包含区域防洪标准、管道设计标准、下游受纳系统出路)、下游受纳河湖的控制水位、工程地区的地质勘察报告以及道路立交施工图设计等。
2.2 雨水量计算
雨水设计流量公式:Q=ψ×q×F。其中,Q为雨水设计流量,L/s;ψ为综合径流系数;F为汇水面积,hm2;q为设计暴雨强度,L/(s·hm2)。
根据北京市现行的防洪标准和通常的排水规划要求,常规的道路立交系统的设计标准为:重现期不小于3年,重要区域标准可适当提高,立交范围常用值为P=3;立交范围内铺装路面的径流系数为 0.9;地面集水时间 t1=5 min～10 min。渤海湾地区某人造岛地域目前多为上跨立交,采用重现期不小于2年,立交范围常用值为P=2;立交范围内铺装路面的径流系数为0.8～1.0;地面集水时间t1=5 min～10 min。在立交范围内由于地面坡度大,管内流行时间不宜乘折减系数2。
2.3 管道水力计算
2.3.1 水力计算公式
流量公式:Q=A×V。其中,Q为流量,m3/s;A为水流有效断面面积,m2;V为流速,m/s。
2.3.2 粗糙系数
排水管道的粗糙系数主要取决于不同管材管壁结膜和管底沉积情况,而这两者又取决于水质及其流动情况。排水管渠多为重力流,一般均按粗糙型紊流考虑。水泥管道粗糙系数 n值一般采用0.013,聚乙烯管道粗糙系数n值一般采用0.010。
2.3.3 流速范围
最小设计流速:雨水管在满流时最小设计流速为0.75 m/s;
最大设计流速:非金属管道为5.0 m/s。
2.3.4 设计充满度
雨水管道设计按满流计算。
3 管材
雨水管道工程通常采用钢筋混凝土管。根据北京市有关部门的文件规定,对于管径小于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。对于管径大于600 mm的雨水管道,仍采用钢筋混凝土管道。
4 附属构筑物
道路立交范围内路面高程低点必须设置雨水口,雨水管应满足雨水口支管接入要求。由于立交道路纵坡较大,造成雨水的地面径流流速较快,接近甚至超过管道排放的流速,在引道上设置雨水口效果并不理想,所以一般采取在立交最低点处设置多篦雨水口来收集雨水,就近排入泵站集水池。当道路纵坡较缓时,可适当在坡道上布置雨水口以减轻雨水大量集中汇于道路低点处,但是并不折减道路低点雨水口数量。多篦雨水口一般沿道路纵坡方向对称布置于道路两侧的低点处,道路低点雨水口数量应按汇集到低点的雨水量计算,每个雨水口的泄水能力按15 L/s计算,实际布置的雨水口数量应增加20%～25%。
5 地基处理
不同道路立交工程,应根据相应的地质勘察报告,了解工程地质、地下水位情况,以确定是否需要对雨水管道施工现场进行地下降水和地基处理,以保证管道运行安全可靠,尤其像填海造地新兴起的城市必定还会有许多问题。在穿越道路立交路面基础或桥梁结构、其他管线基础时,应根据实际情况,对雨水管道基础进行校核,确定是否需要进行结构或管道基础的加固处理。
6 结语
随着城市高速发展,立交排水已经愈来愈成为一项专门的工程技术而得到有关人员的关注,并且在立交桥整体的配套设计中,已经成为重要的组成部分。立交排水设计的是否合理,可直接影响到日后立交桥的使用情况。以上从一般城市道路立交排水工程设计和新兴岛屿城市道路立交排水工程设计方法与特点,提出了在设计工作中应根据不同立交的特点来选择不同的排水方法。
