道路雨水口泄流效率關(guān)鍵影響因素研究

段園煜，郭 帥，王秋萍，陳國芬，吳眾華，陳 嵐

(1.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 3.華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014； 4.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

道路雨水口是雨水排水系統(tǒng)的組成部分，是路面徑流進(jìn)入地下管道的入口，雨水口的泄流效率直接影響城市路面的積水程度。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《雨水口(16S518)》[1]指出，雨水口的泄水能力與道路坡度、雨水口形式、箅前水深等因素有關(guān)，因此將雨水口的泄流量定為單一值不能滿足設(shè)計(jì)需要。而GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對雨水口設(shè)計(jì)的規(guī)定不夠明確，如僅指出雨水口的布置間距適宜為25～50 m。鑒于此，迫切需要相應(yīng)的理論或經(jīng)驗(yàn)公式指導(dǎo)雨水口的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高泄流效率，減少城市內(nèi)澇的發(fā)生[3-4]。

Wong[5]給出了雨水口泄流效率與徑流量、道路橫縱坡之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，但包含了多個(gè)未知參數(shù)。美國聯(lián)邦公路局[6]以規(guī)范的形式給出了雨水口泄流效率的預(yù)測方法，并將流經(jīng)雨水篦蓋周圍的徑流量分為前端流量和側(cè)邊流量，其計(jì)算公式包含多個(gè)經(jīng)驗(yàn)參量，計(jì)算方法相對煩瑣。Spaliviero等[7]和Gómez等[8]分別得出兩個(gè)關(guān)于泄流效率E與徑流量和箅前水深比值Qa/h的關(guān)系式。Kemper等[9]通過試驗(yàn)得出將偏溝式雨水口泄流效率與弗勞德數(shù)、雨水篦子的尺寸以及篦上水深相聯(lián)系的計(jì)算式。除此之外，Li等[10-14]探究了雨水口形式、篦子?xùn)艞l角度、開孔率等對泄流效率的影響。對于國外文獻(xiàn)提出的經(jīng)驗(yàn)公式，國內(nèi)還沒有進(jìn)行驗(yàn)證及采納，但也對雨水口進(jìn)行了研究。如劉雷斌等[15-16]先用試驗(yàn)方法探究了雨水口泄流效率與徑流量及道路縱坡的關(guān)系，再用數(shù)值模擬方法探究了路面積水深度與雨水口布置間距的關(guān)系。梁小光等[17]通過分析國內(nèi)外道路坡度和雨水口布置的相關(guān)要求，結(jié)合案例計(jì)算，總結(jié)了道路橫坡、縱坡、箅前水深和雨水口布置間距之間的變化關(guān)系，并提出道路設(shè)計(jì)漫幅的推薦值。陳國芬等[18]用數(shù)值模擬方法得出當(dāng)降雨強(qiáng)度足夠大時(shí)雨水口的泄流效率將達(dá)到飽和的結(jié)論。然而，目前國內(nèi)尚缺乏可以精確計(jì)算雨水口泄流效率的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文以《雨水口(16S518)》中的標(biāo)準(zhǔn)型平箅式雨水口為研究對象，探究道路坡度和徑流量對泄流效率的影響。基于孔口出流理論，提出泄流效率的計(jì)算公式，同時(shí)與國外文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比，分析其優(yōu)劣性，。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)平臺

雨水口泄流特性研究模型試驗(yàn)平臺如圖1所示。模擬道路按照1∶1的比例設(shè)計(jì)，長12 m、寬3 m、側(cè)邊高0.5 m，底部鋪一層厚10 mm的水泥砂漿，雨水口箅蓋安裝在距離道路起始端10 m處，模擬一段長12 m、寬6 m水泥道路的一半。千斤頂能調(diào)節(jié)道路的縱坡范圍為0%～5%，橫坡范圍為0%～10%。試驗(yàn)水由高于模擬道路6 m的水箱提供，由連接在引水箱上的水平導(dǎo)流板均勻地導(dǎo)流進(jìn)入模擬道路，使進(jìn)入模擬道路的水流均勻平緩，且能保證重復(fù)試驗(yàn)的初始條件一致。試驗(yàn)平臺排出的水流入地下水庫，用泵實(shí)現(xiàn)用水循環(huán)。雨水箅蓋形式見圖2，總開孔面積為0.153 m2，開孔率為54.2%。

圖1 試驗(yàn)平臺Fig.1 Test platform

圖2 雨水口箅蓋(單位：mm)Fig.2 Grate cover of street inlet (unit: mm)

表1 試驗(yàn)工況

1.2 試驗(yàn)計(jì)算

試驗(yàn)以道路縱坡SL、道路橫坡SC和徑流量Qa為因變量，探究這3個(gè)因素對雨水口泄流效率的影響。道路縱、橫坡度的取值參考CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]；根據(jù)合肥市的降雨情況，結(jié)合匯流面積計(jì)算得出徑流量的取值范圍為0～70 m3/h。

(1)

式中：q為降雨強(qiáng)度，mm/min；P為暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

共進(jìn)行126組不同工況的試驗(yàn)，見表1。其中，序號1、2各7個(gè)工況，流量變化幅度為10 m3/h；序號3～10各14個(gè)工況，流量變化幅度為5 m3/h。

2 泄流效率

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

雨水口的泄流效率是指雨水口泄流流量與雨水口上游徑流量的百分比：

(2)

式中：Qint為雨水口泄流流量(可分為前緣泄水量和側(cè)邊泄水量)；Qa為雨水口上游的徑流量，m3/h；Qp為未被雨水口泄流的流量。

在不同坡度條件下，雨水口的泄流效率隨徑流量的變化如圖3所示。由圖3可以看出，僅在徑流量非常小的情況下(Qa=5 m3/h)，雨水口泄流效率能夠達(dá)到100%；徑流量越大，泄流效率越低。當(dāng)SC=2.0%、SL=2.0%、徑流量從5 m3/h增加到70 m3/h時(shí)，泄流效率從100%逐步降低至75%。圖3(a)中的3條曲線僅橫坡不同，橫坡越大，側(cè)向重力對雨水口的有效收水范圍影響越大。當(dāng)橫坡從1.0%變?yōu)?.0%時(shí)，同一流量下的泄流效率約增大20%，當(dāng)橫坡從1.0%增加到1.5%時(shí)，其效率的增長梯度大于從1.5%增加到2.0%的情況；在橫坡為1.5%時(shí)，雨水口的泄流效率已達(dá)到較高值(70%～100%)。由圖3(b)可知，同一流量下，縱坡在0.3%～5.0%變化時(shí)，泄流效率的相對變化約為10%，總體呈現(xiàn)縱坡越大，泄流效率越低的規(guī)律?？v坡會改變徑流流速的大小，不改變流速方向，其主要通過影響雨水口的前緣泄水量來影響泄流效率。

圖3 雨水口泄流效率隨徑流量的變化Fig.3 Variations of inlet efficiencies with runoff

2.2 數(shù)據(jù)擬合

圖4 徑流橫斷面Fig.4 Gutter cross section

在道路橫坡的影響下，雨水口箅蓋上游的徑流橫斷面形式見圖4。雨水均勻流動時(shí)，圖4中所標(biāo)參數(shù)值保持不變，其中，h為靠近路緣處的水流深度，W為徑流覆蓋路面的寬度(W>>h，W=h/SC)。各參數(shù)間的關(guān)系符合謝才公式，則h的表達(dá)式可化簡為

(3)

路面徑流通過雨水口箅蓋的開孔泄流，符合孔口出流形式[20-22]，故可用孔口出流方程計(jì)算雨水口泄流量(式(4))，進(jìn)而可得泄流效率E的理論公式(式(5))，式(5)中唯一需要確定的是參數(shù)C。

(4)

(5)

式中：n為道路粗糙系數(shù)；A0為出流孔口面積，m2；C0、C1、C為泄流系數(shù)。

將試驗(yàn)得出的E值代入式(5)計(jì)算C，發(fā)現(xiàn)C與Qa相關(guān)，其關(guān)系見圖5。由圖5可以看出C與Qa具有很高的相關(guān)性。去掉實(shí)際工程中較少見的4組坡度組合(表1中序號5、6、7、10)，則C的差值在10%以內(nèi)。相同徑流量下，取其余6種坡度下C的均值，擬合其與Qa的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果見圖6，表達(dá)式為

C=2.3Qa0.574

(6)

圖5 實(shí)測C值與Qa關(guān)系Fig.5 Relationship between measured C and Qa

圖6 C的實(shí)測值與預(yù)測值的對比Fig.6 Comparison of measured C and predicted C

則標(biāo)準(zhǔn)型平箅式雨水口的E計(jì)算式為

E=2.3Qa-0.239SC0.187 5SL-0.094

(7)

由式(7)可知，E主要的影響因素有徑流量、橫坡和縱坡，且受徑流量和橫坡的影響程度大于縱坡。

為校驗(yàn)式(7)的準(zhǔn)確性，取SL=1.5%、SC=1.2%和SL=0.8%、SC=1.7%進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果見圖7(a)，可見E的計(jì)算值與實(shí)測值符合度較高。

圖7 試驗(yàn)與計(jì)算所得E的對比Fig.7 Comparison of E by formula calculation and experimental measurement

一些國外研究通過試驗(yàn)提出了雨水口泄流效率的經(jīng)驗(yàn)公式，英國水力實(shí)驗(yàn)室提出的公式為[7]

(8)

式中：G為雨水箅子綜合幾何參數(shù)；Ag為箅子面積，m2；p為孔隙率；nt、nl、nd分別為橫格條數(shù)、縱格條數(shù)和斜格條數(shù)。

Gómez等[8]提出的公式見式(9)。用式(8)、式(9)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，結(jié)果見圖7(b)。

(9)

式中：L為雨水箅子長度，m；W為雨水箅子寬度，m。

由圖7(b)可見，式(8)在Qa/h< 0.5 m2/s時(shí)，計(jì)算的泄流效率與實(shí)測值較接近；當(dāng)Qa/h> 0.5 m2/s時(shí)，偏離越來越大。式(9)則更適用于計(jì)算Qa/h>0.3 m2/s的情況(當(dāng)Qa/h<0.3 m2/s時(shí)，式(9)計(jì)算的E均大于100%)。式(8)的擬合相關(guān)指數(shù)R2=0.853，式(9)的R2=0.881，即式(9)比式(8)更符合實(shí)測數(shù)據(jù)的散點(diǎn)分布。對比圖7(a)和圖7(b)，對于圖2所示的雨水口，圖7(a)的擬合效果(R2=0.99)遠(yuǎn)高于圖7(b)；但對于其他平箅式雨水口，在C未知的情況下，式(9)可用來大致估計(jì)E。

3 雨水口布置間距

綜合上述分析，標(biāo)準(zhǔn)型平篦式雨水口宜優(yōu)先采用式(7)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；若為其他類型雨水口，在當(dāng)前缺乏原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，推薦采用式(9)[8]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

雨水口能有效排水的定義是在設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下其泄流效率大于一定值(根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可取50%～70%)，則根據(jù)對雨水口泄流效率的分析，各雨水口設(shè)計(jì)間距的計(jì)算式為

(10)

Ei=2.3Qi-0.239SC0.187 5SL-0.094

式中：Qi為第i個(gè)雨水口上游的徑流量，m3/h；Ei為第i個(gè)雨水口的泄流效率；Li為第i個(gè)雨水口距離道路起始端的設(shè)計(jì)間距，m；W0為道路總寬度的一半，m；φ為路面徑流系數(shù)；φij、Aij分別為第i個(gè)雨水口匯流區(qū)扣除上游道路面積W0Li后第j個(gè)匯流分區(qū)的徑流系數(shù)和面積。

根據(jù)以上間距設(shè)計(jì)公式，越往下游雨水口設(shè)計(jì)間距應(yīng)越小，為了道路美觀及雨水口布置的簡便，雨水口一般等間距設(shè)計(jì)，則：

L=(L1+L2+…+Ln)/n

(11)

4 結(jié) 論

a.雨水口泄流效率受徑流量、橫坡、縱坡的影響，隨縱坡和徑流量的增大而減小，隨橫坡的增大而增大，其中受徑流量和橫坡的影響更顯著。

b.結(jié)合曼寧公式與孔口出流公式，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)雨水口的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出泄流效率的擬合公式；公式中的泄流系數(shù)與雨水口上游的徑流量相關(guān)，當(dāng)?shù)缆房v坡為0.3%～3.0%、橫坡為1.0%～2.0%時(shí)，系數(shù)值幾乎不隨坡度變化。

c.根據(jù)研究所得泄流效率的計(jì)算公式，給出了雨水口布置間距的計(jì)算方法；在連續(xù)坡度道路上，越往下游，雨水口承擔(dān)的泄流任務(wù)越大，故在下游宜將雨水口布置成雙箅、多箅來提高下游排水效率。