城市高架桥主动排水系统理论研究

城市高架桥主动排水系统理论研究
摘要：为缓解目前城市高架桥重力式排水系统存在的排水能力不足，管道易堵
塞的问题，本文从理论分析的角度，提出了城市高架桥主动排水系统的概念。

理
论分析结果表明，城市高架主动排水系统利用虹吸现象和高架桥本身高差，实现
城市高架桥排水系统的有压排水，提高整个系统排水能力和流速，从而提高管道
的自洁效能，对防止高架桥桥面积水有着良好的设计预期。

关键词：城市高架桥；重力式排水系统；主动排水系统；虹吸作用
Arstract：To alleviate capacity insufficiency of gravity drainage systems and easy
to jam in urban viaduct，this paper from the perspective of theoretical analysis，puts forward the concept of active drainage system in urban viaduct.Theoretical analysis results show that active drainage system in urban viaduct using siphon effect and itself height difference，to achieve the urban viaduct drainage system pressure drainage，
to improve the drainage capacity and flow rate of the entire system，to improve the effectiveness of the self-cleaning of the pipeline，to prevent the viaduct bridge hydrocephalus has a good design expection.
Key word：Urban viaduct；Gravity drainage systems；Active drainage system；Siphon effect
随着我国经济的不断发展，人们生活水平也得到了极大的提高，为了满足人
们出行的需求，缓解交通拥堵，我国交通事业也得到迅速发展，高架桥的修建也
越来越多。

高架桥虽然能有效的改善交通情况，但还需要处理好高架桥存在的问题，如：高架桥的排水问题，处理好高架桥的排水问题十分重要，它关系到高架
桥的质量问题，对此相关技术人员必须要引起重视。

近年来极端天气频繁出现，
特大暴雨频发，传统重力式排水不能满足排水需求。

因此，本文提出了城市高架
桥主动排水系统的概念，以提高系统排水能力。

一、理论分析
城市高架桥排水系统中水流呈三种状态：水量较小时，管内压强为大气压强，管道内水流掺入空气量较小，排水管道内水流呈自由堰流状态，水流在排水管道
内呈附壁流；随着降雨量增加，泄流为气-水两相重力流；降水量的增大和汇水面
积的增大加快了雨水斗的淹没，水流不再掺气，排水管道内水流为满流状态。

城市高架桥主动排系统中，虹吸式雨水斗水头损失较严重，由于连接雨水斗
下部的管道较细，加快了管道内的水流速度；由于速度水头较大，导致两项之和
与可利用的水头之差的绝对值不大，雨水斗下部连接管内呈小的负压或正压。

水
流从悬吊管的最远端向立管方向运动，沿流动方向，水头损失迅速增加，而雨水
斗前的水位变化不大，即可利用的水头几乎维持不变，按水力学中的能量方程可
知悬吊管内呈不断增大的负压，在与立管的交叉点处即立管始端负压最大。

从立
管始端开始，可利用的水头迅速增加，大大超过因管道长度增加而增加的水头损失，立管内的负压值也随之很快减少至零，继之出现逐渐增加的正压，立管底部
达到最大正压值后再逐渐减少，正压逐渐被消耗，至出水口处正压减至零。

管道
系统的压力变化如图1所示（悬吊管始端以正压为准）：
图1 满管流时排水管内压力变化示意图
Fig.1 Pressure variation diagram in the pipe under full-flow
二、高架桥主动排水系统理论模型
从上述新型排水系统的结构分析中可以看出本系统的主要优势在于强降雨条
件下虹吸作用较强，可以增强桥面雨水的抽吸能力，促进排水系统发挥其应有功
能和作用。

根据以上理论分析，进行抽象简化，可得出以下计算方法：
2.1泄水口泄水量
雨水篦子的排水形式参考雨水口上部水深的实际情况，可总结两种情况：处
于不完全覆盖，出现溢流堰模型；处于完全覆盖，利用孔口流出[1]（见图2）。

在桥面排水方面，比较难处理的就是雨水完全覆盖，因此可采用孔口模型组建泄
水口流量计算公式。

泄水口流量的确定主要取决于过流断面和水流速度的大小，
所以，雨水口排水流量的计算可以近似按以下公式计算：
图2 雨水口泄水流量计算简图
Fig.2 The gullies sluicing flow calculation sketch
（2-1）
其中，—雨水口流量系数；P—雨水篦子的空隙比；b—雨水篦子最边缘两条
缝隙的间距；L—雨水篦子缝隙的有效进水长度；hc—取路面最大淹没水深的0.67倍。

此式假定雨水斗内的压力为大气压，即雨水斗后的排水量要大于斗前排水量。

当斗前出现正压时，2-1式中的hc将变小，这说明要使雨水口达到一定的排泄量，就需要增加雨水口前水深，这会增加桥面积水深度，进一步说明虹吸排水的有利
的一面。

2.2管路泄水能力
2.2.1非满流状态下排水管路的泄水能力
（1）悬吊管泄水能力
悬吊管呈现不完全满流状态，悬吊管内水体我们称之为紊流水体，里面的水
流成分较复杂，对此需要变复杂为简单，简化管内不稳定的水流为使之变成稳定
的均匀流，可采用谢才公式或者曼宁公式进行水力的计算[2]。

根据上述物理量表
达式，按照曼宁公式计算流速、流量，则分别得到：
（
式中，v3—悬吊管内水流流速，m·s-1；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）立管泄水能力
排水立管在非满流状态下的通水能力以水膜流理论为依据，按照水膜流理论，
排水立管在水膜流时的排水流量计算公式为[3]：（2-4）
式中，QL—立管泄水流量，L/s；Kp—粗糙程度，m，塑料管取1.5E-7m，铸铁管取2.5E-
6m m；
α—充水率；d—管道计算内径，m。

2.2.2满流状态下排水管路的泄水能力
根据新型排水系统的结构特性和理论分析，把雨水口进水口处和出水口处看成两个水力
断面，由于在进水口处速度近似为零，压强为大气压，出水口压强为大气压，根据伯努利方程，上式可简化为：
式中，ζ—排水系统的局部水头损失系数；λ—排水管道的沿程水头损失系数；H—泄水高差；—排水管道长度；d—排水管道直径。

根据相连续性方程可得到排水系统的排水流量，即为：
五、计算实例（以某高架桥面排水为例）
3.1计算条件
某高架桥：桥面全宽44米，横坡取2%，纵坡取0.5%，单侧净排水宽度为21.25米，相
邻两个进水口间距取为25米，悬吊管长24米，立管长7.2米，雨水篦子尺寸为70×30平方
厘米，有效进水长度为58厘米，有效进水宽度为21厘米，有效排水率为P=71.4%，泾流系
数取0.95，暴雨重现期取10年。

3.2设计流量的确定
对排水设施的尺寸进行设定，即需要考虑过水断面的泄水量，可把它叫做排水设施的设
计流量。

参照《公路排水设计规范（JTJ018-97）》，设计流量公式如下[4][5]：
①计算降雨历时：
依据相关规定[4]，可取0.013为沥青混凝土路面粗糙系数；坡面排水利用单侧单向进行
排水，可取21.25米为坡面流长度；取2%为桥面横坡，其中取0.5%为桥面纵坡；25m作为
相邻两进水口间距；计算可得：
②计算降雨的强度：
依据上述所得的降雨历时，并依据宜宾市计算降雨强度公式以及一些降雨的设计规范，
假设暴雨再现期为10年，降雨强度计算结果如下：
③计算桥面汇水面积：
依据已知的桥面尺寸和排水宽度21.25米以及相邻雨水口间距为25米，可进行桥面汇水
面积的计算：
④计算径流量：
综上可得，依据桥面材料，取0.95的径流系数，可计算出雨水的径流量：
3.3计算泄水口流量：
照最糟的情况，取0.60作为雨水口流量系数；取71.4%作为雨水篦子空隙比，取0.58米
作为雨水篦子最边缘两条缝隙间距，取0.21米作为雨水篦子缝隙的有效进水长度；取2.6厘
米作为雨水篦子上部淹没水深最大值，可得出泄水口流量：
3.4计算管路泄水流量：
3.4.1对未满流管路泄水流量进行计算
①悬吊管泄水能力计算
取D等于110毫米作为管道直径，取n等于0.009作为管道粗糙系数，取J等于0.005作为悬吊管坡度。

对多种充满度的悬吊管的泄水能力进行计算。

依照公式2-2、2-3，可计算不
同值时的悬吊管泄水能力，如表2.1所示：
表2.1 非满流条件下悬吊管的泄水能力
Tab.2.1 Flow capacity of suspension pipe under the condition of non-full flow 依据表2.1可得出，在悬吊管从未满流到满流的最大泄水流量与于规范规定的设计雨水
径流量相比较，两者之间存在较大差距，且未满流到漫流的最大泄水流量6.84L·s-1，明显低
于规范规定的设计雨水径流量（22L·s-1）。

②计算立管泄水能力
具体的排水管路系统，是将1.5e10-7m作为管道粗糙程度Kp的取值，将0.3作为充水率
的取值，将3.2毫米作为管道壁厚，将110-3.2×2=103.6毫米作为管道计算内径取值，立管泄
水能力的计算如下：
依据上述可得出，当立管管内充水率处于0.3时，立管泄水流量将小于规范规定的雨水
设计流量。

当管内充水率大于0.3时，此时管内水流为水-气混合流，管道易形成水塞现象，
这对于管道排水是非常不利的。

3.4.2对满流管路泄水流量进行计算
该高架桥管道竖直方向长度为7.2m；管道的90°弯曲处的局部水头损失系数取1（2个），
取0.013作为沿程水头的损失系数。

雨水斗的局部水头损失系数的情况下，参照已有屋面雨
水斗实验资料[6]，由公式2-7，计算不同型号的雨水斗局部损失系数下的管路泄水流量，见
表2.2所示：
表2.2 管路系统排水量
Tab.2.2 Displacement of piping system
综上所得：在雨水斗局部水头损失为1.3～4.5的情况下，排水管系统的泄水流量Q2均
满足Q2>Q1>Q，即雨水口泄水流量能够完全截纳降雨量，系统泄水流量大于雨水口泄水流量，不会引起桥面积水。

当雨水斗局部水头损失大于等于5.6时，会出现Q1>Q2，即雨水口泄水
流量大于排水系统泄水流量。

因此在实际工程中选择局部水头损失适当的雨水斗，避免发生
这种情况。

由表2.1和2.2可以看出，在虹吸作用下管内水流速度在3.78m/s～5.04m/s，大于非满流
管内速度（0.72m/s），虹吸具有很强的作用，它能利用水流速度冲击力将管内沉沙带出去；
另外加上虹吸本身自带的抽吸功能，可以增强桥面雨水的抽吸能力，促进排水系统发挥其应
有功能和作用。

一、结论
本文分析了新型排水系统的功能及原理，得出如下成果：
（1）建立了城市高架桥主动排水系统排水计算模型。

（2）新型排水系统，在一般高架桥高差下很容易形成满流，管道内，虹吸作用明显。

（3）选择实际的高架路，对其进行了一系列的分析和研究，研究显示：在虹吸作用下，
新型排水系统的泄水能力（29～40L/s）与于规范规定的设计雨水径流量相比较，两者之间存
在较大差距，且明显高于规范规定的设计雨水流量（22L/s）。

试验表明，满流时流量在30-
40L/s变化。

（4）新型排水系统管内水流速度非常迅速（最大可达5.04m/s），它能利用水流速度冲
击力将管内沉沙带出去；另外加上虹吸本身自带的抽吸功能，可以增强桥面雨水的抽吸能力，促进排水系统发挥其应有功能和作用。

实验测试也验证了这一点。

综上所述，城市高架桥主动排水系统与传统重力式排水系统相比有着明显的优势，在城
市高架桥中推广、应用有着良好的社会效益。

参考文献（References）：
[1]王荣和，唐剑晖等.上海市内环线高架道路雨水排水设施分析研究[J].给水排水.2001
[2]茅泽育，赵璇等.圆形断面管道非满流流速计算表达式[J].水科学进展.2007
[3]李修林.室内排水立管水流状态分析.[J].给水排水.1984
[4]中华人民共和国国家标准.<公路排水设计规范> JTJ018-97.人民交通出版社，1997
[5]姚康祖.公路排水设计手册[M].北京.人民交通出版社.2001
[6]虹吸式屋面雨水排水系统技术规程CECS183.200
作者简介：
刘金军，1981-，男，工程师，2011年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学硕士。

郑爱华，1977-，男，工程师，2000年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学学士。

谢尚英，1963-女，教授级高级工程师，1986年毕业于西南交通大学铁道工程专业，工学学士，1989年毕业于兰州铁道学院桥梁专业，工学硕士，1997年毕业于西南交通大学桥梁
专业，工学博士。

2012年被评为四川省设计大师。