花山河湿地公园地处常德市北部, 位于占天湖上游的花山村和金家坪村, 南临花山河, 东靠新河, 北依太阳大道, 西接皂果路, 占地面积约6 000亩 (1亩≈667m²) , 总投资约40亿元。内有荷塘、农舍, 有良田美池桑竹之境, 生态资源丰富。拟建花山河大桥为皂果北路道路工程跨越花山河湿地水体的控制性工程, 其设计不仅要满足交通、景观功能的需求, 更要注意桥梁的城市环保要求。

　　 根据路幅横断面设计形式及交通功能, 拟建桥幅标准段总宽30 m, 其组成为:3.5 (人行道) +23 (机动车道) +3.5 (人行道) =30 (m) 。本桥按左、右两幅桥设计, 共6联, 具体组成为:3×30+3×30+4×30+ (60+105+60) +3×30+3×30 (m) ;引桥上部结构采用预应力混凝土等高度连续箱梁, 半幅桥箱梁采用单箱双室斜腹板截面, 梁高1.8m;第3联为主桥, 其上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁, 支点梁高6m, 跨中梁高2.8m, 梁底按二次抛物线变化, 单幅桥箱梁采用单箱单室直腹板截面, 桥梁全长712.2m。

　　 根据总体概念设计, 要求完善临水生态、发展临水经济、创造临水生活。整个园区水系与城市水系连通, 实现水的自然循环, 塑造城市的健康水基底;湿地内部通过景观设计、绿色产品和公共教育, 在河流沿岸为人们提供了娱乐、社交的崭新方式, 使花山河成为一条更具自然和活力的河流。根据湖南省环境保护厅下发的对花山河大桥环境影响报告书的相关批复, 要求制定交通事故环境应急预案, 落实预案中的保障措施, 降低交通事故引发的环境污染危害;同时做好桥面径流的收集工作, 将其引入到城市雨水管网, 避免对湿地水质造成影响。

　　 原《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2011年版) 对于立体交叉道路排水地面径流量的计算中按设计重现期不小于3年, 重要区域标准可适当提高的原则考虑, 同一立体交叉工程的不同部位可采用不同的重现期。根据调查, 国外相关标准中均对立体交叉道路排水系统设计重现期有较高要求, 美国联邦高速公路管理局规定, 高速公路“低洼点” (包括下立交) 的设计标准为最低50年一遇。2011年版《室外排水设计规范》对立体交叉道路的排水设计重现期的规定偏低, 参照发达国家和我国部分城市的经验, 在《室外排水设计规范》 (GB50014-2006, 2014年版) 中将立体交叉道路的排水系统设计重现期规定为不小于10年, 位于中心城区的重要地区, 设计重现期为20~30年。

　　 2007年, 国家环境保护总局、国家发展和改革委员会、交通部联合下发《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) , 通知中要求公路建设应特别重视对饮用水水源地的保护, 路线设计时, 应尽量绕避饮用水水源保护区。为防范危险化学品运输带来的环境风险, 对跨越饮用水水源二级保护区、准保护区和Ⅱ类以上水体的桥梁, 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, 确保饮用水安全。

　　 2010年7月1日实施的《公路环境保护设计规范》 (JTG B04-2010) 6.4.2条规定, 公路桥梁跨越饮用水水源保护区、执行《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) Ⅰ~Ⅱ类标准的水体及《海水水质标准》 (GB 3097-1997) 中的Ⅰ类海域时, 桥面排水宜排至桥梁两端并设置沉淀池处理。

　　 2015年12月1日实施的《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2015) 中桥涵设计原则由原规范JTG D60-2004的“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”调整为“安全、耐久、适用、环保、经济和美观”, 公路桥涵设计应满足环境保护和资源节约的有关要求。

　　 新规范、新标准体现了国家和行业的宏观要求, 要求落实可持续发展理念, 提高设计人员对环境保护和资源节约的重视程度。国家从规范、标准的层面将环保纳入设计原则的范围内, 而桥面排水是环保的重要组成部分, 今后的设计必将重视环保净化水源, 跨越重要水域时不能采用简单直排的方式。特别是位于重要水体或水源保护区内的桥梁, 落在桥面上的降水或危险化学品运输事故造成的消防废水必须通过桥面横坡或纵坡排入泄水口, 应采用纵向排水管汇集并经处理达标后, 才可以排放^[1]。必要时还应按照环保要求配备应急救援物资, 防止污染物对保护水体造成大规模污染。

　　 上述设计理念的变化要求在桥面排水设计时, 既要满足排水的基本需求, 又要充分结合所经水域的环保要求^[2]。

　　 根据对国内已建、在建桥梁的了解, 当桥梁所跨越的水体有较高的环保要求时, 常见的排水方式主要有以下几种。

　　 该设计方案完全通过竖向泄水管将雨水汇入纵向水管进行排水, 该方案的优点是可以顺利地将桥面上的降水或危险化学品运输事故造成的消防污水排放至指定位置, 缺点是由于汇水面积大、管线长、纵坡小, 导致纵向管径较大, 需要在桥面下设置专门的支撑装置, 对桥梁的外形及美观产生不利影响^[3]。

　　 以长沙市湘府路湘江大桥主桥为例, 主桥跨径为65+5×120+65 (m) 刚构连续梁, 桥宽32.5m, 单幅设计。为防止桥面意外泄露的有毒物品影响桥址上下游的饮用水源地, 排水以主桥中心为分水岭, 往东西两岸排水, 横桥向通过2%横坡汇入桥梁两侧设置的纵向收集管道, 引至岸上危险液体收集池。纵管直径为DN500, 为防止管道冬季结冰后减少管道的过水能力, 排水管采岩棉做保温层, 外用铝箔包裹。具体管道布置如图1所示。

　　 该设计方案主要考虑到高速公路外侧一般设置紧急停车带, 该停车带仅供发生紧急事故时临时之用, 通过取消该范围内的上面层沥青混合料, 形成桥面排水沟, 避免了在桥梁悬臂外缘挂设过大集水管的排水设置。既解决了桥梁美观的问题, 又解决了超长桥梁排水环保设计存在的问题^[4]。缺点是桥面必须设有紧急停车带, 且桥梁必须结构连续, 不能有伸缩装置。

　　 以宁常高速公路卧龙湖大桥为例, 该桥上部结构采用现浇预应力混凝土V型支撑连续箱梁, 跨径组合为30+12×40+30 (m) , 共1联, 通过将全桥桥面外侧3.5m紧急停车带范围内取消上层45cm SMA13改性沥青玛蹄脂碎石混合料。

　　 该设计方案主要针对高速公路外侧设置双层防撞护栏的情况, 利用双层护栏间缓冲区域排水, 如果桥梁太长造成桥头处排水槽内雨水会外溢至行车道, 此时可以考虑采用增设纵向排水管, 利用纵向管与桥面纵坡的坡差, 将排水出口位置提至流水面以上^[5]。实行此方案的前提是桥面必须设置双层护栏之间的缓冲区域。

　　 以广东省汕头至湛江高速公路揭西大溪至博罗石坝段项目东江特大桥为例, 该桥跨越东江Ⅱ类水体桥梁, 总长为1 035.06 m, 双向六车道。若采用纵向引水管方案, 桥台处外挂管径将达到500mm, 造价较高, 若采用纵向引水槽, 需要宽1 000mm、深为220mm的排水槽, 现有外侧双层护栏间缓冲区无法满足需要。若用外挂水槽也难以实施, 且有污染江水的风险。经过综合比选最终采用纵向排水管与排水槽相结合的方式。其效果如图2所示。

　　 该设计理念主要结合地面径流的排污规律, 即初期桥面径流的污染量占总污染量的大部分, 随着降雨量的不断增加, 桥面的污染物会逐渐减少, 其对周围环境的污染程度大大降低, 在特长、大桥梁中将所有的降雨量集中收集进行排放不现实也不经济。因此为保证将初期桥面雨水分离收集, 中后期雨水则可以直接排放, 既提高了排水效率, 又降低了全寿命周期的养护成本^[6]。缺点是由于低位与高位的进水口标高不一致, 当雨量较大时会出现水流受阻排水不畅的情况;位于下坡端部的雨水口由于水量较大, 有可能会出现初期雨水从高位及低位水口同时排放的情况, 同时设置的进水口个数较多, 桥面景观效果稍差。

　　 以宁常高速公路滆湖大桥为例, 该桥上部结构采用装配式部分预应力混凝土连续箱梁, 其中东大桥跨径布置为:90×30 (m) , 五跨一联, 共18联, 桥梁全长2 708.2 m;西大桥跨径布置为:95×30 (m) , 五跨一联, 共19联, 桥梁全长2 858.2 m。按双向六车道设计, 桥面宽度为:2×0.5 (外侧护栏) +2×15.5 (行车道) +2×1 (内侧护栏) +1 (中分带) =35 (m) , 桥面横坡为2%双向人字坡。桥面排水采用2套系统:即“初期收集+直接排放”方案。在桥面排水设置了“低位”和“高位”两层排水系统。初期收集的雨水通过低位排水系统向湖心岛收集处理排放, 待雨水把桥面冲洗一遍后, 桥面水位达到高位, 排水系统将通过高位排水系统直接排入湖中。排水断面组成如图3所示。

　　 本设计理念将护栏侧向排水作为辅助性排水方案纳入工程内容中来, 使得在小概率事故状态下危险品的泄露或常规降雨这种小流量条件的雨水仅能从桥梁主体排水设施排放, 而在暴雨及以上降雨条件下由护栏侧向排水管作为辅助措施将雨水及时排放^[7]。实行此方案的前提是桥面必须具备设置水平排水管的条件, 此方案景观效果稍差。

　　 以林芝机场高速曲古-嘎玛尼洋河特大桥为例, 该桥所在地属西藏工布国家级自然保护区及雅尼湿地范围, 区域水体属Ⅱ类水体。桥梁采用双向四车道标准, 设计时速80km/h, 路基宽度21.5m, 桥梁全长3 009 m, 纵坡0.6%, 上部构造采用简支T梁, 桥面连续。

　　 设计保留主体桥梁排水系统, 同时以护栏侧向辅助排水系统作为补充, 侧向排水管底侧标高与路面边线标高齐平, 排水示意见图4所示。利用不同管径套接 (竖向排水管与纵向排水管通过三通连接并与DN150铸铁泄水管套接) 的方式解决逆向溢流的问题, 详见图4。

　　 花山河大桥地处湿地公园内, 所经水域为Ⅱ类水体, 其设计不仅要满足交通、景观功能, 更要注重环保要求。大桥主桥采用悬臂施工变截面连续箱梁, 引桥采用现浇连续箱梁, 共计6联, 联与联之间通过伸缩缝连接过渡。半幅桥面外侧设置3.5m宽人行道, 内侧为11.5m的行车道。由于景观设计要求外挂管线体量不能过大, 所以暂不考虑方案一;由于本桥为分联设计且行车道不具备设置紧急停车带的条件, 故方案二不宜采用;由于人行道外侧无法布置排水槽, 故方案三不宜采用;由于人行道宽度范围内管线密集, 空间受限, 无法布置侧向排水管, 故方案五不宜采用;在实际运营中, 方案四下坡端部的雨水口可能会出现初期雨水从高位及低位水口同时排放的情况, 也不宜采用。因此必须因地制宜, 结合本桥的具体情况制定合适的排水方式, 在对上述5种排水方式综合考虑的基础上, 根据“水满则溢”的理念, 提出了“初期收集+溢流排放”方案, 即初期收集的雨水通过竖向泄水管接入纵向排水系统, 纵向排水收集管的主要设计功能为收集桥上意外泄漏的危险液体, 并收集部分雨水, 当雨水强度超过0.4mm/min时, 即中雨及更大雨量天气时, 严禁装载有危险液体的车辆过桥。每个泄水管接入纵向排水收集管前均设置溢流管, 当雨水量超过纵向排水收集管收集能力时, 桥面雨水可通过溢流管排入桥下湿地。

　　 同时为增强桥面的排水能力, 全桥范围沿人行道路缘石内侧设置宽300mm、高50mm的浅水沟, 雨水沿浅水边沟进入竖向泄水管汇流至纵向排水系统。

　　 所有PVC管均采用粘接, 桥梁结构变形缝处设置安装管道伸缩节, 伸缩节做法详见《给水塑料管安装》 (02SS405-1) 所示。

　　 在距离桥头一定的范围内, 设置禁止运输危险物品车辆驶入标志, 对过往车辆进行提醒引导。

　　 顺桥向排水管道的布置方式见图5。排水横断面组成见图6。

　　 在两岸桥头位置设置1号、2号应急事故池, 其布置如图7所示。DN300排水管沿桥墩将收集的桥面雨水或危险液冲洗水汇到地面, 分别接入1号、2号应急事故池。正常情况下出水口阀门打开, 排出集中收集的桥面雨水, 如桥面意外发生有毒物品泄漏的情况, 可将应急事故池出水口阀门关闭以存储废液, 然后再对废液进行无害化处理, 就地不能处理时, 可组织车辆将危险液转运到环保部门指定的地方处理。泄水阀只在检修或疏通收集处理池时开启。应急事故池采用钢筋混凝土结构, 池壁和池底厚均为40cm, 强度为C30、抗渗等级为S6的防渗混凝土一次性浇筑而成。混凝土浇注完成后应严格按照防渗混凝土的施工要求加强养护。

　　 由于本桥桥面设有人行道, 为避免因事故泄漏的危险化学品直接进入水体, 确保湿地水体水质安全, 必须强化护栏的防撞能力, 同时又要兼顾桥面的景观协调性。经过综合比选, 最后推荐采用兼具景观及防撞功能的S型组合式护栏, 外形简洁大方、安全可靠。

　　 随着国家对可持续发展的不断重视及对生态环境保护的不断加强, 桥梁建设跨越重要水体时会越来越关注排水系统对环境的影响, 排水系统必须因地制宜, 综合考虑景观设计及设计径流量的要求^[8]。花山河大桥在总结既有排水方式的基础上提出了“初期收集+溢流排放”方案, 通过桥面下方设置溢流管既满足了湿地公园的总体规划, 又解决了环保部门对长大桥梁的环保要求, 可作为今后类似工程排水设计的借鉴。