CN106522087A - 一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法 - Google Patents

一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法 Download PDF

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Abstract

一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，本发明涉及一种跨敏感水域的桥梁泄水管。本发明的目的是为了解决现有污染物不分类处理的问题。具体过程为：步骤一、设计流量的确定；步骤二、排水管路水力计算；步骤二一、初始管路的计算；步骤二二、其它管路的设计；步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；步骤三、排水管路泄水能力；步骤三一、非满流状态排水管路的泄水能力；步骤三二、满流状态下排水管路的泄水能力；步骤四、管径计算结果；步骤四一、泄水管管径；步骤四二、排水管管径。步骤五、管道材料选择。本发明用于桥梁污水处理领域。

Description

一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法
技术领域
本发明涉及一种跨敏感水域的桥梁泄水管。
背景技术
在全世界社会经济迅猛发展的同时，公路工程建设项目对环境的影响愈来愈大，国内外专家们认识到公路建设对生态平衡、自然景观、周围环境会产生一定的不利影响，为此必须对公路工程项目对环境影响进行评价。经查阅资料，中国属于发展中国家由于公路桥梁中的环境污染和破坏事件案例比比皆是。我国1979年《环境保护法（试行）》最先引入了环境影响评价制度。现行《环境保护法》（1989年）第13条和其他环境法律对环境影响评价制度作了进一步规定。1986年颁布的《建设项目环境保护管理办法》及1998年11月颁布的《建设项目环境保护条例》，对环境影响评价制度作了修改、补充及更明确的规定，从而在我国确立了环境影响评价制度。为促进环境与发展的综合决策，实现经济、社会和环境的协调发展，我国《环境影响评价法》已于2002年10月28日经九届全国人大常委会第三十次会议审议通过，自2003年9月1日起施行。一些不符合《环境影响评价法》评价指标的建设项目比如广州（萝岗）至惠东（凌坑）高速公路工程、赣粤高速公路（赣州至定南段）工程等均受到处罚。一些改建项目纷纷采用科学方法解决污染问题。本项目拟提出通过对以往高速公路的排水方案进行调研，提出满足环保要求的新型桥梁应急防污综合***的构思。旨在通过设计跨敏感水域桥梁应急防污排水***的研究，使行政机关正确对待经济发展和环境保护两方面利益和目标，改变了过去重经济轻环保的行政决策方式，该项目的研究，是落实2007年国家环境保护总局、国家发展和改革委员会及交通部等部门联合颁布的《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》精神，设计完善的桥面径流收集***，进行公路环境保护设计中不可缺少的内容。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有污染物不分类处理的问题，而提出一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法。
一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法具体过程为：
步骤一、设计流量的确定；
步骤二、排水管路水力计算；步骤二一、初始管路的计算；步骤二二、其它管路的设计；步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；
步骤三、排水管路泄水能力；步骤三一、非满流状态排水管路的泄水能力；步骤三二、满流状态下排水管路的泄水能力；
步骤四、管径计算结果；步骤四一、泄水管管径；步骤四二、排水管管径。
步骤五、管道材料选择。
本发明的有益效果为：
本发明对污染物分类处理，结合本发明的措施处理更彻底。
调查科洛河大桥依托工程水源污染各种原因，为避免桥面的雨水、污水直排入江中，按照“环保、生态、景观、节能”的设计理念在桥上专门设置排污***：将一套排水管设在桥底，与桥面排水设施相通，通过桥面的吸水孔将水吸入，经管道排到江外的路基边沟里；结合路线纵坡，桥梁两端应设置完善的路面排水设施，并在路面中设置内部排水设施或通过结构内部排水，出水口并入路面排水设施，防止桥面水侵入台后路基填料中，保证路基稳定，减轻桥头“跳车”幅度。通过加强对桥面雨水的性质的分析，解决存在的技术难题，设计出满足环保要求又经济合理的雨水处理***。
（1）通过对以往高速公路的排水方案进行调研，提出满足环保要求的新型桥梁应急防污综合***的构思。
（2）分析桥梁跨越的水资源的保护类型，区分需要全面收集不得排入的饮用水源保护地、要尽量减少影响的生态敏感区、界江等类型，以明确基于环保设计理念的桥梁应急防污综合***的设计原则。
（3）在明确设计原则的前提下，确定将将危险品运输车辆发生事故时危险品泄露量定为小概率事件，按最不利时间点，对桥梁应急防污收集***的桥面雨水进行水力计算，并进行流量分析。搜集气象资料进行统计分析，确定桥梁所在区域的设计降雨强度，参考相关规范尽可能的选取多种方法和参数计算桥面设计径流量，并咨询气象部门和调研同区域其他桥的径流量，最终确定桥面设计径流量。选择尺寸适宜的桥梁桥面雨水的收集、处理及排放设计方案2～3种，并分析各方案优缺点。
（4）根据查询到的国内外相关文献资料，进行径流储存池的设计。
（5）本设计紧跟国家“一路带一路”发展战略，为促进黑龙江省的发展，现假定在黑河市嫩江县科洛河上修建科洛河桥，该桥连通省道S208。科洛河地处嫩江上游支流，科洛河及嫩江均为所经流域的当地重要水源地，属于敏感水域。现对当地进行设计。
附图说明
图1为泄水管结构示意图；
图2为泄水管材料细节示意图；
图3悬吊管内水流简化模型示意图；
图4a不同流量下立管内水流状态图；
图4b不同流量下立管内水流状态图；
图4c不同流量下立管内水流状态图；
图5超流溢水管横桥向剖面,a、b地平线；
图6超流溢水管纵桥向剖面。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法具体过程为：
步骤一、设计流量的确定；
步骤二、排水管路水力计算；步骤二一、初始管路的计算；步骤二二、其它管路的设计；步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；
步骤三、排水管路泄水能力；步骤三一、非满流状态排水管路的泄水能力；步骤三二、满流状态下排水管路的泄水能力；
步骤四、管径计算结果；步骤四一、泄水管管径；步骤四二、排水管管径。
步骤五、管道材料选择。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中设计流量的确定；具体过程为：
根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
Q＝φFIr （4.1）
式中：Q为设计流量；
φ为径流系数，按《公路排水设计规范》中推荐的径流系数参考值进行选取。当桥面铺装涉及多种结构材料时，应分别选取径流系数，然后按其铺筑面积占桥面面积的大小情况取加权平均值。规范中对各种地面规定的经历系数值如表4.1所示，取0.95.
地表种类为沥青混凝土路面时，径流系数φ取0．95；水泥混凝土路面时，径流系数φ取0.90；粒料路面时，径流系数φ取0.40～0.60；细粒土坡面和路肩时，径流系数φ取0.40～0.65；透水性沥青路面时，径流系数φ取0.60～0.80；粗粒土路面和路肩时，径流系数φ取0.10～0.30；
表4.1径流系数
F为汇水面积，等于路面宽度W和排水路段长度L的乘积(hm2)；
Ir为暴雨强度，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为Ir：
其中：P为设计降雨频率标准，即重现期或年，根据《公路排水设计手册》高速、一级公路取5年；
t为设计降雨历时，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；
所述φ取0.95；设计降雨频率标准P取5年。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中排水管道水力计算；具体过程为：
本设计假定0号桥台(左侧)处为起点，桩号为K30+290,跨中桩号为K300+580，11号桥台（右侧）处为终点，桩号为K30+870.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K300+580段至K30+870段的一侧路幅为研究对象。
步骤二一、第一段管段（水流入端）的计算；
步骤二二、第二段至最后一段管段的设计；
步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二一中第一段管段的计算；具体过程为
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***[15]中，（[15]钱耀辉.新型雨水排水***关键技术问题的研究[D].西南交通大学.2009）设置纵向截流管将各泄水管排1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3所示，每一段收集管段对应的汇水面积依次为：F1，F1+F2，F1+F2+F3……等等。
根据图3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t12就是指雨水从第一段管段流到收集口的时间，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：
t12＝th+tv （4.3）
式中：th为横向漫流时间，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（min）；
tv为纵向集流时间，即纵向汇水点最远处水流至第一个泄水口的时间，与排水断面形式和纵坡有关(min)；
th的计算见下式：
其中：m为地表粗糙系数，按《公路排水设计规范》中推荐的径流系数参考值进行选取，见表4.2，取0.013；
当地表状况为沥青路面、水泥路面时，地表粗糙系数m为0.013；当地表状况为光滑的不透水路面时，地表粗糙系数m为0.02；当地表状况为光滑的压实土路面时，地表粗糙系数m为0.10；
表4.2地表粗糙度系数
W为桥梁横向的宽度；
ih为桥面横坡；
tv的计算见下式：
其中：li为最不利点到汇水口的纵向距离，为5米；
vv纵向汇水平均流速(m/s）；vv也可按Rziha经验公式计算；
根据Rziha经验公式
式中：iv为桥面纵坡；
由式4.1-4.6计算出管段的设计流量Q，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[16]计算流量见下式：（[16]李大美，杨小亭.水力学[M].武汉.武汉大学出版社.2004）
式中：C为谢才系数，
v为断面平均流速（m/s）；
其中：A为管道的断面面积，
R为管道的水力半径，
I为管道的水力坡度，与桥梁纵坡一致；
n为管壁粗糙系数，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；
把Q代入（4.7～4.8）中求出管径D。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述地表粗糙系数m取0.013；桥面纵坡iv取0.015；桥梁横向的宽度W为11.25m；li为5米；管壁粗糙系数n为0.0084；桥面横坡ih为0.02。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤二二中第二段至最后一段管段的设计；具体过程为：
经过第一段管道设计后计算出第一段的管径D，流量Q，平均流速v，以及第一段的管道流行时间t12；
根据公式（4.5）（公式4.3，此时第一段管的横向漫流时间为0，可知第一段管道的流行时间就等于纵向漫流时间，即公式4.5）计算出在第一段管道里的流行时间t(k)，叠加在第二段计算时的管道流行时间，得到第二段的流行时间t(k+1)，代入公式（4.2）计算出降雨强度Ir(k)，计算在第二个收集口的汇水面积
F1+F2+F3+…+Fk F1+F2+F3+…+Fk（根据图3所示的简化设计计算方法）即可代入公式（4.1）计算出第二段管道的流量Q(k)；再利用公式（4.8）计算出第二段的管道直径d（k），再将直径d（k）代入公式（4.7）计算出管道内的平均流速V(k)，再代入公式（4.5），如此循环计算就可以逐一计算到最后一段管道的管径d（k），流量Q(k)。
在实际计算中，要是通过人工来完成这些计算式非常繁琐的，在计算机技术如此发达的今天，使用计算机工具来完成计算，无疑可以大大提高计算效率和准确率。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤二三中交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；具体过程为：
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***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[17]通（[17]陈莹，赵剑强.跨越敏感水域桥梁应急排水***设计计算方法闭.长安大学学报(自然科学版)[J].2008,28(5):81-85.）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：
P＝Q1×Q2×Q3×Q4×Q5
P为重要水域地段出现污染风险概率；重要水域地段为饮用水源保护地、界江、界河等；
Q1为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；
Q2为预测年的年绝对交通量，百万辆/年；
Q3为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(％)；
Q4为运输化学危险品的车辆占总车流量的比例(％)；
Q5为水域或其他敏感路段的长度(km)；其他敏感路段为依法设立的各级各类自然、文化保护地，以及对建设项目的某类污染因子或者生态影响因子特别敏感的区域；
2、参数确定
图4和5可以看出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200～300m之间，平均高度250m，相对高差20～40m。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3～5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125°10′～125°20′，北纬49°10′～49°15′之间。公路自然区划为I2区，即北部岛状多年冻土区。
①Q1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40000辆左右，其中危险品运输车辆约300辆，科洛河桥交通事故率为，则取Q1＝0.098次／(百万辆·km)；
②Q2的确定
设计交通量为385000（pcu/d）；pcu为当量交通量；
表4.3车型比表
根据预测车流量，计算的主要水域段的Q2值如表4.4。
表4.4项目重要水域段的Q2 百万辆/年
③Q3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0.5～1计算，一般取0.5，全路段情形下取Q3＝0.5，一级公路发生事故的概率为普通公路的0.75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Q3＝0.75；
④Q4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2.5%，故Q4为化学品、农药及石油类的货车约占总车流量的比例；取Q4＝2.5%；
⑤Q5的确定
科洛河桥推荐方案桥跨布置为4x30m+(90+160+90)m+4x30m，因此敏感水域路段为0.58km。
3、由以上的参数可算出P＝Q1×Q2×Q3×Q4×Q5
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4.5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4.5数据可见，油罐车发生泄漏事故时油品泄漏量大于2kg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。
泄漏量为15-150kg时，危险品泄露概率为0.021；泄漏量为150-1500kg时，危险品泄露概率为0.011；泄漏量为1500kg以上时，危险品泄露概率为0.032；
表4.5特定事故泄露概率计算表
5、表4.5中特定事故的泄露总概率0.064，则科洛河桥化学危险品运输车辆发生泄漏事故概率为Q＝p×0.064
6、预测结果
表4.6科洛河水域交通事故发生可能性预测
可得出,化学危险品发生泄漏事故概率大致为0.23%，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10立方米至20立方米之间，较常见的多在20立方米以下。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20立方米。
作为最不利条件[18]考虑（[18]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.），假设载有液态危险品的车辆在桥中间靠右侧（将桩号K00+290～K00+580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11.25m，假定平铺厚度为0.05m，平铺纵向长度88.89m，设为90m，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***依旧通畅。
液体相当于给桥面带来了的流量，平均分配给90m内的18个区域F1～F18，每个区域的流量为0.3858L/s。然而，基于更安全快速排水考虑，假设区域F19～F58段也增加流量0.3858L/s，也就是说明这90m内的危险品液体泄露在桥上的任一区域，本桥排水***仍满足要求。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤三中排水管路泄水能力；具体过程为：
步骤三一、非满流状态排水立管路的泄水能力
在实际情况下，要使排水管路***[19]内（[19]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.）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***中，排水管道***由连接管、悬吊管和立管组成。由于管路***中的连接管长度较短，非满流状态下管路***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***的泄水流量[20]起（[20]石颖，柯水洲，马晶伟.压力流雨水排水***的设计及应用[J].中外建筑.2005,6:132-134.）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3所示，由相应的几何关系可得出：
其中，A为过水断面面积，m2;
x为过水断面湿周，m;
R为水力半径,m;
B为过水断面宽度，m;
d为管的内径,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，υx为悬吊管内水流速度，m/s；
n为管道粗糙系数；
R为水力半径，m；
J为悬吊管坡度；
D为管道直径，m；
θ为圆心与水面的夹角；
c为谢才系数,
d为管的内径，m；
2、泄水管（排水管）泄水能力
当泄水管中的水流为非满流状态[21]时，（[21]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.）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4a、4b、4c所示:
(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4a。
(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υt。
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4b。
(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***将不能发挥正常的排水功能，见图4c。
泄水管内的3种水流变化与排水管（排水管是水垂直流入的横向排水管，排水管是泄水管的一部分）内水流的充水率α有关；据经验统计:当“α<1/4时，立管内水流为附壁螺旋流状态；当1/4<α<1/3时，立管内水流为附壁水膜流状态；当α>1/3时，立管内水流呈水塞流运动；基于对排水***的安全可靠性和经济合理性考虑，排水管内非满流的泄水流量计算以附壁水膜流状态为基础；
式中：α为充水率；
d0为空心圆的直径（在理想状态下，水流在立管中流出来的是一个同心圆）；
dj为排水管管径；
步骤三二、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[22]作用，（[22]温武.浅谈虹吸式屋面雨水排水***[J].给水排水动态.2006,2:10-12.）虹吸作用能加大排水***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[23]解决（[23]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）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***进行优化改进，利用不同管径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5图6)。
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为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。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤四中管径计算结果；具体过程为：
步骤四一、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α≤1/3，所以经过计算得最终设计管径即d′≥114.71814mm；
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；
步骤四二、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。
所述排水管选取玻璃钢管直径为150mm。
详情见下表4.7。
表4.7管径计算结果表
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
4.6管道材料选择
本项目桥梁排水管道采用RPM管，RPM管具有强度高、表面光滑、耐腐蚀、抗冻性好、施工方便等优点，这能满足公路桥梁排水设计的要求，而且价格相对其他管材便宜。玻璃钢管道有以下优点：
1、耐腐蚀性能好。由于玻璃钢的主要原材料选用高分子成分的不饱和聚脂树脂和玻璃纤维组成，能有效抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀和未经处理的生活污水、腐蚀性土壤、化工废水以及众多化学液体的侵蚀，在一般情况下，能够长期保持管道的安全运行。
2、抗老化性能和耐热性能好。玻璃钢管可在-40℃～70℃温度范围内长期使用，采用特殊配方的耐高温树脂还可在200℃以上温度正常工作。长期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外线吸收剂，来消除紫外线对管道的辐射，延缓玻璃钢管道的老化。
3、抗冻性能好。在零下20℃以下，管内结冰后不会发生冻裂。
4、重量轻、强度高、运输方便。玻璃钢管不但重量轻、强度高、可塑性强、运输与安装方便，还容易安装各种分支管，且安装技术简单。
5、水力条件好。内壁光滑、输送能力强，不结垢、不生锈、水阻小。
6、可设计性好。玻璃钢管可根据用户的各种特定要求，诸如不同的流量，不同的压力，不同的埋深和载荷情况，设计制造成不同压力等级和刚度等级的管道。
7、维护成本低。玻璃钢管由于上述的耐腐，耐磨和抗冻和抗污等性能，因此工程不需要进行防锈，防污，绝缘，保温等措施和检修。对地埋管无需作阴极保护，可节约工程维护费用达70%以上。
8、耐磨性好。把含有大量泥浆，沙石的水，装入管子中进行旋转磨损影响对比试验。经300万次旋转后，检测管内壁的磨损深度如下:用焦油和瓷釉涂层的钢管为0.53mm，用环氧树脂和焦油涂层的钢管为0.52mm，经表面硬化处理的钢管为玻璃钢管为0.21mm。由此玻璃钢耐磨性能好。
9、电热绝缘性好。玻璃钢是非导体，管道的电绝缘性特优，绝缘电阻在1012-1015Ω/cm，最适应使用于输电，电信线路密集区和多雷区玻璃钢的传热系数很小，只有0.23，是钢的千分之五，管道的保温性能优异。
10、摩擦阻力小输送能力高。玻璃钢管内壁非常光滑，糙率和摩阻力很小。糙率系数为0.0084，而混凝土管的n值为0.014，铸铁管为0.013，因此，玻璃钢管能显著减少沿程的流体压力损失，提高输送能力。因此，可带来显著的经济效益:在输送能力相同时，工程可选用内径较小的玻璃钢管道，从而降低一次性的工程投入。此外，玻璃钢管道可缩短泵送时间，减少长期运行费用。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述危险品运输车辆发生事故时，具体过程为：
在载有酸、碱、盐的车辆发生泄漏时，含有酸、碱、盐的污水会从含有纵向排水管的污染水管道排出，纵向排水管的上方是由遇热融化薄膜和陶瓷金属丝网组成的层状结构，其中陶瓷金属丝是由金属丝与陶瓷相结合的材料，由陶瓷包裹在金属丝外面，当泄露事件发生时，人为打开控制加热装置，使得金属丝在较短的时间内达到较高的温度，传递给陶瓷，由于陶瓷不导电的特点，不会使金属丝因为浸水而停止工作，再有发热后的陶瓷融化薄膜，遇热融化薄膜材料为聚氯乙烯，熔化温度在70度左右，夏季最高温度在50度左右不会使遇热融化膜熔化，使得受污染的水顺利流入纵向排水管中；
在正常情况下，桥面流出的污水中会有汽车尾气中的污染物，甚至是夹杂汽油的雨水会经直排水管直接排入河流中，都会对河水产生污染，我们采取的措施是在防污综合***的内壁均匀铺上吸油垫，并在顺桥向的入水口出设置风扇，利用水的流动势能带动扇叶转动，使得流入防污综合***中原本分层的水、油分散，较均匀地被铺在内壁的吸油垫吸收，而不至于让油污聚集，加快吸油垫的更换速率。并在直排水管的末端设置小型球形渗透汇集池，内置加厚的吸油垫。使得正常情况下的积水也会经过吸油垫的过滤流入河流。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法具体是按照以下步骤制备的：
管道水力计算的实现；具体过程为：
步骤三一、MATLAB软件简介
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
MATLAB产品可以用来进行以下各种工作：
（1）数值分析
（2）数值和符号计算
（3）工程与科学绘图
（4）控制***的设计与仿真
（5）数字图像处理
（6）数字信号处理
（7）通讯***设计与仿真
（8）财务与金融工程
MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制***设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
步骤三二、MATLAB编程流程图
MATLAB编写程序具有一定的步骤来实现排水管道的水力计算，据图的流程思路为：
首先计算出初始管段的地面集流时间t，通过暴雨强度公式计算出Ir，再计算出初始管段的流量Q，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D、以及初始管段中的雨水流行速度V，由初始管段的长度和流速V可以计算出初始管道的雨水流行时间T。下一管段的集流时间t等于上一管段的集流时间t12叠加上上一管段的雨水流行时间T,求出t后可以算出下一管段的Ir，之后就可以求出下一管段的Q、D、V。如此循环计算下去,直到计算完最后一个管段。
步骤三三、本设计编写的MATLAB程序
以上为MATLAB的源程序，更改桥梁的初始参数，即可得到适配不同桥梁的排水管参数。
步骤三四、管径计算结果
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)
根据计算综述，所有计算结果列出为（t,Q,D,v）：
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法具体过程为：
步骤一、设计流量的确定；
步骤二、排水管路水力计算；步骤二一、初始管路的计算；步骤二二、其它管路的设计；步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；
步骤三、排水管路泄水能力；步骤三一、非满流状态排水管路的泄水能力；步骤三二、满流状态下排水管路的泄水能力；
步骤四、管径计算结果；步骤四一、泄水管管径；步骤四二、排水管管径。
2.根据权利要求1所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤一中设计流量的确定；具体过程为：
设计流量Q的计算式为
Q＝φFIr (4.1)
式中：Q为设计流量；
φ为径流系数；
地表种类为沥青混凝土路面时，径流系数φ取0.95；水泥混凝土路面时，径流系数φ取0.90；粒料路面时，径流系数φ取0.40～0.60；细粒土坡面和路肩时，径流系数φ取0.40～0.65；透水性沥青路面时，径流系数φ取0.60～0.80；粗粒土路面和路肩时，径流系数φ取0.10～0.30；
F为汇水面积，等于路面宽度W和排水路段长度L的乘积；
Ir为暴雨强度，对应集流时间的降雨强度。
3.根据权利要求2所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤二中排水管道水力计算；具体过程为：
步骤二一、第一段管段的计算；
步骤二二、第二段至最后一段管段的设计；
步骤二三、交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算。
4.根据权利要求3所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤二一中第一段管段的计算；具体过程为
每一段收集管段对应的汇水面积依次为：F1，F1+F2，F1+F2+F3……；
第一段管段到第二段管的时间t12就是指雨水从第一段管段流到收集口的时间，包括横向漫流时间和纵向集流时间，采用下式计算：
t12＝th+tv (4.3)
式中：th为横向漫流时间；
tv为纵向集流时间；
th的计算见下式：
t h = 1.445 ( m &CenterDot; w i h ) 0.467 - - - ( 4.4 )
其中：m为地表粗糙系数；
当地表状况为沥青路面、水泥路面时，地表粗糙系数m为0.013；当地表状况为光滑的不透水路面时，地表粗糙系数m为0.02；当地表状况为光滑的压实土路面时，地表粗糙系数m为0.10；
W为桥梁横向的宽度；
ih为桥面横坡；
tv的计算见下式：
t v = l i 60 v v - - - ( 4.5 )
其中：li为最不利点到汇水口的纵向距离，为5米，li≤370；
vv纵向汇水平均流速，m/s；根据Rziha经验公式
v v = 20 i v 0.6 - - - ( 4.6 )
式中：iv为桥面纵坡；
由式4.1-4.6计算出管段的设计流量Q，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；
谢才曼宁公式计算流量见下式：
v = C R I = 1 n R 2 3 I 1 2 - - - ( 4.7 )
式中：C为谢才系数，
v为断面平均流速，m/s；
Q = A v = 1 n AR 2 3 I 1 2 - - - ( 4.8 )
其中：A为管道的断面面积，
R为管道的水力半径，
I为管道的水力坡度，与桥梁纵坡一致；
n为管壁粗糙系数；
把Q代入(4.7～4.8)中求出管径D。
5.根据权利要求4所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述地表粗糙系数m取0.013；桥面纵坡iv取0.015；桥梁横向的宽度W为11.25m；li为5米；管壁粗糙系数n为0.0084；桥面横坡ih为0.02。
6.根据权利要求5所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤二二中第二段至最后一段管段的设计；具体过程为：
经过第一段管道设计后计算出第一段的管径D，流量Q，平均流速v，以及第一段的管道流行时间t12；
根据公式(4.5)计算出在第一段管道里的流行时间t(k)，叠加在第二段计算时的管道流行时间，得到第二段的流行时间t(k+1)，代入公式(4.2)计算出降雨强度Ir(k)，计算在第二个收集口的汇水面积F1+F2+F3+…+FkF1+F2+F3+…+Fk即可代入公式(4.1)计算出第二段管道的流量Q(k)；再利用公式(4.8)计算出第二段的管道直径d(k)，再将直径d(k)代入公式(4.7)计算出管道内的平均流速V(k)，再代入公式(4.5)，如此循环计算就可以逐一计算到最后一段管道的管径d(k)，流量Q(k)。
7.根据权利要求6所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤二三中交通运输中发生化学危险品泄露事故的概率计算；具体过程为：
1)、计算公式如下：
P＝Q1×Q2×Q3×Q4×Q5
P为重要水域地段出现污染风险概率；
Q1为该地区目前车辆相撞翻车重大交通事故概率，次/百万辆×公里；
Q2为预测年的年绝对交通量，百万辆/年；
Q3为降低后的交通事故发生率，％；
Q4为运输化学危险品的车辆占总车流量的比例(％)；
Q5为水域的长度，km；
2)、参数确定
①Q1的确定
Q1取Q1＝0.098次/(百万辆·km)；
②Q2的确定
设计交通量为385000(pcu/d)；pcu为当量交通量；
③Q3的确定
Q3取Q3＝0.75；
④Q4的确定
Q4为化学品、农药及石油类的货车约占总车流量的比例；取Q4＝2.5％；
⑤Q5的确定
Q5为0.58km；
3)、由以上的参数可算出P＝Q1×Q2×Q3×Q4×Q5
4)、关于危险品运输车辆发生事故时危险品泄漏量概率；
泄漏量为15-150kg时，危险品泄露概率为0.021；泄漏量为150-1500kg时，危险品泄露概率为0.011；泄漏量为1500kg以上时，危险品泄露概率为0.032；
5)、事故的泄露总概率0.064，则化学危险品运输车辆发生泄漏事故概率为Q＝p×0.064；
6)、预测结果；
可得出化学危险品发生泄漏事故概率为0.23％。
8.根据权利要求7所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤三中排水管路泄水能力；具体过程为：
步骤三一、非满流状态排水立管路的泄水能力
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水力计算依据谢才公式和曼宁公式确定；
由几何关系可得出：
A = d 2 8 ( &theta; - s i n &theta; ) x = d 2 &theta; - - - ( 4.9 )
R = A x = d 4 ( 1 - s i n &theta; &theta; ) B = d s i n &theta; 2 - - - ( 4.10 )
其中，
A为过水断面面积，m2；
x为过水断面湿周，m；
R为水力半径,m；
B为过水断面宽度，m；
d为管的内径,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：
&upsi; x = c R J = 1 n &lsqb; d 4 ( 1 - s i n &theta; &theta; ) &rsqb; 2 3 J - - - ( 4.11 )
Q x = A C R J = d 8 3 ( &theta; - s i n &theta; ) 5 3 20.159 n&theta; 2 3 J - - - ( 4.12 )
式中，
υx为悬吊管内水流速度，m/s；
n为管道粗糙系数；
R为水力半径，m；
J为悬吊管坡度；
D为管道直径，m；
θ为圆心与水面的夹角；
c为谢才系数,
d为管的内径，m；
2、泄水管(排水管)泄水能力
管内水流状态可分为三个不同阶段
泄水管内的3种水流变化与排水管(排水管是水垂直流入的横向排水管，排水管是泄水管的一部分)内水流的充水率α有关；当“α<1/4时，立管内水流为附壁螺旋流状态；当1/4<α<1/3时，立管内水流为附壁水膜流状态；当α>1/3时，立管内水流呈水塞流运动；排水管内非满流的泄水流量计算以附壁水膜流状态为基础；
&alpha; = 1 - ( d 0 d j ) 2 - - - ( 4.13 )
式中：
α为充水率；
d0为空心圆的直径(在理想状态下，水流在立管中流出来的是一个同心圆)；
dj为排水管管径；
步骤三二、满流状态下排水管路的泄水能力；
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为25m3/h，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。
9.根据权利要求8所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述步骤四中管径计算结果；具体过程为：
步骤四一、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，泄水管的充水率应α≤1/3，所以经过计算得最终设计管径即d′≥114.71814mm；
取泄水管管径取120mm玻璃钢管，泄水管末端距桥面500mm；
步骤四二、排水管管径
排水管内径应不小于泄水管的内径；
所述排水管选取玻璃钢管直径为150mm。
10.根据权利要求9所述一种跨敏感水域桥梁泄水管结构设计方法，其特征在于：所述危险品运输车辆发生事故时，具体过程为：
在载有酸、碱、盐的车辆发生泄漏时，含有酸、碱、盐的污水会从含有纵向排水管的污染水管道排出，纵向排水管的是由遇热融化薄膜和陶瓷金属丝网组成的层状结构，其中陶瓷金属丝是由金属丝与陶瓷相结合的材料，由陶瓷包裹在金属丝外面，遇热融化薄膜材料为聚氯乙烯，熔化温度在70度。
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