橋梁排水設(shè)計中透水混凝土應(yīng)用

陳瑾

（江西贛北公路勘察設(shè)計院，江西九江 332000）

0 引言

當(dāng)前在混凝土基礎(chǔ)科學(xué)研究不斷深入的背景下，在關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，橋梁排水工程不斷追求混凝土的生態(tài)性、功能性及排水性。透水混凝土能夠有效改善傳統(tǒng)混凝土透水性能不足的問題，當(dāng)前在橋梁排水工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且使用效果顯著。

1 透水混凝土概述

透水混凝土材料組成成分比較特殊，主要含有少量的粗骨料，同時加入一些其他材料充分?jǐn)嚢杌旌隙?。與傳統(tǒng)混凝土材料對比，透水混凝土內(nèi)粗骨料含量較少，且沒有細(xì)骨料，所以內(nèi)部會有較多的空隙。此外，透水混凝土的自重比較輕，與內(nèi)部空隙較多存在必然的聯(lián)系。目前在我國的道路建設(shè)中，傳統(tǒng)混凝土依然是主要的施工材料，其主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)強度高、耐久性好，但是明顯的缺陷是排水性不足。因此，在道路建設(shè)施工中，需要合理地選擇透水混凝土作為主要的施工材料，建設(shè)排水路面，在降雨后使路面的積水能迅速地排出。

2 透水混凝土路面與傳統(tǒng)混凝土路面的比較

堅固耐用是傳統(tǒng)混凝土路面的基本特點，但是從另一方面分析也反映出傳統(tǒng)混凝土路面的透水性能差。因為傳統(tǒng)混凝土路面排水主要是依托排水管實現(xiàn)排水功能，對路面排水造成很大的影響。倘若路面排水不及時就會出現(xiàn)路面積水，影響車輛通行的安全性。同時由于傳統(tǒng)混凝土路面的積水往往會滲透到路面結(jié)構(gòu)中，影響結(jié)構(gòu)中鋼筋的性能，久而久之結(jié)構(gòu)鋼筋會出現(xiàn)腐蝕等情況，同時在車輛荷載影響下很容易造成結(jié)構(gòu)開裂或是下沉的情況。由于透水混凝土的材料特殊，透水混凝土中的細(xì)骨料非常少，在透水混凝土結(jié)構(gòu)中雨水可以通過透水混凝土的粗骨料空隙實現(xiàn)快速排水。與傳統(tǒng)混凝土比較，透水混凝土的排水功能更勝一籌。

3 橋梁人行道排水設(shè)計的現(xiàn)狀

按照《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（JTG D81—2017）規(guī)定，有人行通行需求的橋梁均需要設(shè)置人行道，并且人行道與車行道必須設(shè)置防撞護(hù)欄的結(jié)構(gòu)。在這種條件下，針對橋面的排水防水需要按照排水的方向及安裝位置做好排水形式的選擇。根據(jù)現(xiàn)狀而言，常見的排水防水可分為三種：第一種，行車道、人行道采用單獨排水的方式。行車道與人行道邊緣部位設(shè)置泄水孔，向下排水作業(yè)，然后進(jìn)入市政排水管道。第二種，人行道設(shè)置集中排水的形式。在分隔護(hù)欄中，安裝橫向排水管，行車道中的雨水會直接進(jìn)入人行道，再通過人行道的排水管排放到市政管道中。第三種，將人行道抬高，上部鋪設(shè)人行道板。護(hù)欄以及邊緣石鋪設(shè)橫向排水管，并且在下部安裝排水管，將雨水及時排放到市政管道中。

上述三種方式都是目前廣泛應(yīng)用的道路排水形式，但是每種方式都有明顯的不足，具體如下：

采用第一種方式，在大箱梁、懸臂的設(shè)計中，寬度通常在2.0～3.5m，而人行道寬度設(shè)計為2～4m。在行車道與人行道單獨設(shè)計排水時，行車道的排水管主要集中在翼緣板根部的位置，對于縱向預(yù)應(yīng)力管道設(shè)計會存在直接的影響，且有些人行道的寬度比較大，排水管還要設(shè)計在箱室內(nèi)部。一旦出現(xiàn)排水管的損壞而導(dǎo)致的滲漏問題，極易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕的危害，對于結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利的影響。且集水管的布置復(fù)雜性較高，對現(xiàn)場的施工、養(yǎng)護(hù)等都會存在嚴(yán)重的危害和影響。

采用第二種方式，夏季降雨發(fā)生之后，人行道內(nèi)集中排水之下，容易在橫向排水管內(nèi)有較多的積水，極易導(dǎo)致人行道、非機動車道無法通行，造成較多的安全事故。

采用第三種方式，將人行道抬高，這時要設(shè)置人行道板的結(jié)構(gòu)，所以道路組成形式較為復(fù)雜，增加項目建設(shè)的成本。橫向排水管結(jié)構(gòu)尺寸不能隨意設(shè)置，受到路緣石的影響，極易產(chǎn)生垃圾、泥沙的淤積問題，而泄水孔布置在人行道下部，檢修操作難度高，養(yǎng)護(hù)施工也難以順利進(jìn)行，維護(hù)成本升高。

4 工程概況

某橋梁項目在設(shè)計中，選擇透水混凝土作為主要的施工材料。設(shè)計人員在布置橋梁人行道的環(huán)節(jié)，對排水設(shè)施進(jìn)行創(chuàng)新，選擇應(yīng)用透水護(hù)欄的設(shè)計形式。因為該橋梁項目為二級公路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，橋面寬度為12m，人行道部位寬度為1.5m，主橋部位應(yīng)用預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，懸臂澆筑法施工，橫斷面為單箱單室內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，翼緣板懸臂寬度為2.75m。主橋的受力體系較為特殊，所以在現(xiàn)場布置預(yù)應(yīng)力鋼束的形式。在具體的排水設(shè)計環(huán)節(jié)，如果應(yīng)用行車道、人行道單獨排水的方式，在這種情況下，對翼緣板結(jié)構(gòu)的下部會造成強度的不利影響，并且導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置難以進(jìn)行。因此，設(shè)計人員優(yōu)先選擇應(yīng)用透水護(hù)欄的排水結(jié)構(gòu)形式。在確定設(shè)計方案時，防撞欄底部的厚度設(shè)定為16cm，材料為C30 透水混凝土，行車道的護(hù)欄可以通過雨水，并且會蔓延到人行道內(nèi)，再經(jīng)過排水管進(jìn)入集水管，有效地防止積水問題，對于提高人行道、非機動車道的安全性起到積極作用。

4.1 透水性混凝土透水率計算

在橋梁設(shè)計中，橋面排水的方式是利用橋面頂板橫坡方式，將積水集中流入護(hù)欄的集水槽，再經(jīng)過透水混凝土的基礎(chǔ)部分進(jìn)入人行道，經(jīng)過人行道的縱坡、橫坡把雨水排放到排水管內(nèi)，經(jīng)過集水管、落水管將積水排放到橋梁外部的空間。該橋梁項目的排水路徑非常清晰，而排水效果直接受到透水混凝土的透水率、泄排水管直徑、管道流量方面的影響，所以設(shè)計人員在確定方案時，要加強分析排水管、集水管、落水管的設(shè)計流量，以達(dá)到排水性能的要求。

因此，在設(shè)計人員確定設(shè)計方案時，準(zhǔn)確計算透水混凝土的透水率就顯得非常重要。在設(shè)計之前，設(shè)計人員遵循《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）中的條款要求，做好系數(shù)的選擇，由于該項目按照公路二級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，遵循降雨重現(xiàn)期3年作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，橋梁所在地區(qū)的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)C取0.86；該橋梁設(shè)計為雙向車道的形式，降水歷時按5min 參數(shù)選取，根據(jù)設(shè)計規(guī)范可知，確定歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)C為1.25，因此：

式（1）中：Q為設(shè)計重現(xiàn)期p年；

C為重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)，為常數(shù)；

C為降水歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)，為常數(shù)；

q為5年一遇的10min 降雨強度。

項目設(shè)定為雙車道形式，單向排水寬度4m，所以每延米泄水量為：

式（2）中：Q 為每延米的泄水量；

M 為每延米的匯水面積，可采用路面寬度進(jìn)行計算。

4.2 設(shè)計方案的參數(shù)實現(xiàn)

以該橋梁項目的排水功能性要求，有效排水高度的確定，應(yīng)該扣除人行道鋪裝后透水混凝土結(jié)構(gòu)厚度，按10cm 計算，同時還要確定2 倍安全裕量，所以每延米的設(shè)計泄水量為：

混凝土的透水率：

根據(jù)當(dāng)前的透水混凝土的排水性能要求，了解到技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)，符合透水混凝土設(shè)計和運行的要求，并且分析以往工程成功經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計方案的參數(shù)可以實現(xiàn)。為了能夠使得橋面設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化，也能夠指導(dǎo)其他項目的設(shè)計與施工，選取幾種常見的橋面寬度尺寸分別計算。在數(shù)據(jù)計算的過程中，行車道寬度要結(jié)合車道數(shù)量得以簡化設(shè)置，重現(xiàn)期根據(jù)5年計算，轉(zhuǎn)換系數(shù)C取1.0，降水歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)取C取1.25，降雨歷時標(biāo)準(zhǔn)值按q為2.5mm/min 計算，該數(shù)據(jù)可以涵蓋全國90%以上的區(qū)域。按照泄水量的2 倍確定安全系數(shù)，得出護(hù)欄基礎(chǔ)最小透水率，見表1。

表1 護(hù)欄基礎(chǔ)最小透水率

當(dāng)前，我國在透水混凝土理論研究中，滿足表1 透水率的理論研究較多，且相關(guān)的透水混凝土設(shè)計技術(shù)也相對成熟，能夠達(dá)到橋梁排水的設(shè)計要求。

5 橋梁透水性混凝土設(shè)計建議

5.1 透水混凝土路面的應(yīng)用，符合生態(tài)環(huán)保效益

雖然透水混凝土施工技術(shù)優(yōu)勢明顯，并且經(jīng)過很多工程的驗證，但是我國的應(yīng)用范圍并不廣泛，還沒有達(dá)到普遍應(yīng)用的效果。經(jīng)過實際經(jīng)驗分析，透水混凝土較之傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)來說，承載力相對不足，抗壓性能比較差，所以如果將透水混凝土應(yīng)用到主干道或者承載力要求高的道路，容易發(fā)生損壞等問題。景觀道路是我國道路的主要形式，如果排水效果較差，積水問題嚴(yán)重，會導(dǎo)致道路損壞嚴(yán)重，所以將透水混凝土應(yīng)用到景觀道路中，及時排出積水，消除不利因素的影響。從工程材料市場分析，透水混凝土被劃為新型的施工材料，是綠色生態(tài)環(huán)保型的施工材料，將其應(yīng)用到城市道路中，生態(tài)效益明顯，對于生態(tài)資源保護(hù)有重要的意義，實現(xiàn)城市環(huán)境的改善。

5.2 透水混凝土促進(jìn)道路滲透性、存儲性提升

將透水混凝土作為道路工程主要材料，施工后道路的滲透性、存儲性都會有所提升，完全符合道路運行安全的標(biāo)準(zhǔn)。但是從工程實踐分析，有些道路應(yīng)用透水混凝土施工后，并不能達(dá)到上述的標(biāo)準(zhǔn)和要求，極易導(dǎo)致地下水徑流過量，威脅城市運行的安全性。因此，在透水混凝土路面設(shè)計中，設(shè)計人員必須嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，準(zhǔn)確計算滲透率參數(shù)，從而確保降水后能夠及時把積水排放出去。假設(shè)透水混凝土施工后的路面滲透率為140L/（m·min），在這種滲透率的影響之下，要想達(dá)到設(shè)計要求的極限滲透參數(shù)，最低應(yīng)容納0.24cm/s 的降水。在降雨后，為了雨水不會從透水混凝土路面蒸發(fā)或者消失，應(yīng)該在內(nèi)部設(shè)置必要的存儲能力，同時還可以向基土結(jié)構(gòu)滲透，這就需要選擇應(yīng)用滲透率較高的土壤材料制作墊層，透水效果達(dá)到要求，排水性能合格。

5.3 透水混凝土在道路排水設(shè)計應(yīng)用中的缺點

經(jīng)過分析了解，透水混凝土作為路面施工材料，其透水性能良好，路面積水可以及時排出，避免道路出現(xiàn)交通安全事故，但是與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)路面對比，透水混凝土路面的結(jié)構(gòu)強度、抗壓性方面有著很大的缺陷。透水混凝土的材料以及生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)混凝土有差異，所以力學(xué)性能有明顯不足。因此，在利用透水混凝土進(jìn)行路面排水設(shè)計的環(huán)節(jié)，應(yīng)該綜合分析抗壓強度參數(shù)。結(jié)合這一問題分析，當(dāng)前我國的很多研究學(xué)者開始研究透水混凝土的配合比，選擇合適的配合比方案，希望能夠探尋出一種最佳的配比參數(shù)，使透水混凝土的性能合格，既能夠達(dá)到路面透水性的要求，又能夠確?？箟盒阅芎细?，滿足運行標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，因為在透水混凝土的城市道路項目中，運行效果極為重要，嚴(yán)格落實施工與養(yǎng)護(hù)管理措施尤為重要，以確保透水混凝土可以發(fā)揮出應(yīng)有的作用。目前我國的透水混凝土施工材料并未廣泛地應(yīng)用于承載力要求較高的道路工程中，多數(shù)都是在景區(qū)的景觀道路上使用。透水混凝土在設(shè)計時，還有一個非常突出的問題，就是隨著投入運營時間的延長，透水混凝土的透水效果會不斷降低。導(dǎo)致這一問題的原因是透水混凝土路面表面受到長期磨損的影響，有部分水泥組分發(fā)生脫落，隨著雨水經(jīng)過空隙而進(jìn)入透水混凝土，造成透水通道發(fā)生堵塞的問題。我們都知道，透水混凝土之所以具備透水性，主要是因為其內(nèi)部的空隙存在，如果發(fā)生空隙堵塞的問題，必然會造成透水性無法達(dá)到要求。除了這一因素的影響外，還有一項原因就是自然界存在的污物或者雜質(zhì)，也會隨著雨水進(jìn)入到空隙內(nèi)，從而導(dǎo)致透水效果的降低。因此，為了能夠使得透水混凝土路面在長期運行中，不會出現(xiàn)透水性能下降的情況，未來還要進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)的維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備，特別是能夠清理透水混凝土空隙的設(shè)備，從而使得其透水效果恢復(fù)到正常的狀態(tài)。

6 結(jié)論

其一，橋梁工程的排水設(shè)計是重要的內(nèi)容，關(guān)系到道路交通運行的安全性，影響人們的生命健康安全。人行道排水設(shè)計復(fù)雜性較高，目前幾種常見設(shè)計方案都有一定的不足，所以還要創(chuàng)新設(shè)計理念，以確保排水效果合格。其二，當(dāng)前我國的高校、科研院所投入較大力量研究透水混凝土以及符合單車道排水率要求的混凝土，并且已經(jīng)成功投入使用，滿足透水效果的要求，符合道路交通運行的標(biāo)準(zhǔn)，強度、透水性都達(dá)到運行要求。其三，應(yīng)用透水混凝土護(hù)欄的人行道排水方案具備非常高的排水效果，速度快，不會發(fā)生積水的問題，使得行人通行變得更加方便、安全。結(jié)合橋梁設(shè)計的試驗以及研究，提出了透水混凝土設(shè)計要點，目的在于提升橋梁排水系統(tǒng)的透水率。