雨水篦子水力特性研究

李 鵬 ，李曦淳 ，宋啟元 ，官 超 ，楊 敏

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051；2.重慶康達(dá)環(huán)保產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）有限公司，重慶市 401121；3.天津大學(xué)，天津市 300072）

0 引言

雨水篦子是常用的收水設(shè)施，起截流并泄除雨水的作用。其泄水能力直接影響雨水的排除效果，也間接影響道路交通安全。雨水篦子的體型對其排水能力的影響，目前還很少有人進(jìn)行研究。早在20世紀(jì)四五十年代，前蘇聯(lián)、美國及我國都曾做過雨水口泄水量試驗(yàn)，得到了一些試驗(yàn)結(jié)果，但都存在一定的局限性，沒有提出比較系統(tǒng)的計(jì)算理論[1-2]。近年來，廈門市市政工程設(shè)計(jì)院、空軍工程學(xué)院、重慶建筑大學(xué)等單位的工程技術(shù)人員在這方面做了不少研究[3]，但都只是研究了雨水口的設(shè)計(jì)位置、設(shè)置數(shù)量以及布置間距等對雨水口泄水能力的影響，并沒有涉及到雨水口篦子體型對泄水的影響。為此，以天津市海河隧道工程為依托對不同型式的雨水篦子泄水能力做了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和總結(jié)。本文就4種不同篦子的型式來分析篦子體型對隧道排水能力的影響。

1 模型試驗(yàn)

1.1 研究內(nèi)容、目的及參數(shù)

主要研究雨水篦子的水力特性，包括雨水篦子上水流爬行長度與篦前水深、流量、隧道縱坡的關(guān)系。具體內(nèi)容如下：

（1）不同柵條角度的水篦子收水效果，研究柵條角度對收水效果的影響；

（2）不同縱坡水篦子的收水效果，研究隧道縱坡對收水效果的影響。

結(jié)合該工程的道路設(shè)計(jì)和排水設(shè)計(jì)，為了對今后工程道路條件變化時(shí)有借鑒意義，確定以下實(shí)驗(yàn)參數(shù)：

（1）雨水篦子的開孔與道路中心線迎水流方向夾角為 0°，30°，45°，90°；

（2）路面材料為瀝青混凝土路面，粗糙系數(shù)為0.015；

（3）雨水篦子材質(zhì)為球墨鑄鐵，長×寬=1.0 m×0.5 m，開孔率 為0.48。

根據(jù)以上試驗(yàn)參數(shù)，在雨水從駝峰點(diǎn)至橫截溝篦子前具有相應(yīng)速度的情況下，通過實(shí)驗(yàn)得出斷面模型的收水能力。同時(shí)，測出斷面模型各道橫截溝每延米的收水量、篦前水深和篦前流速，分析不同篦型的收水效果，確定最佳排水篦型。

1.2 模型布置

斷面模型采用實(shí)際道路的雨水篦子進(jìn)行試驗(yàn)，幾何比尺為1∶1。圖1為模型布置簡圖。

圖1 模型試驗(yàn)簡圖

1.3 模型制作

試驗(yàn)段長6 m，寬1.0 m。路面水槽采用10 mm有機(jī)玻璃制作。考慮到實(shí)際路面的粗糙度，試驗(yàn)中鋪了細(xì)粒沙模擬路面，粗糙度與實(shí)際路面基本相似。試驗(yàn)雨水篦子的形狀見圖2。篦子的平面形狀均為矩形，選用1 000 mm×597 mm。柵條厚度為20 mm，肋梁厚度為30 mm，柵條凈間距為25 mm，柵條高為40 mm[4]。除0°柵條篦子用實(shí)際工程采用的以外，其它3種均用木材按比例制作，再涂刷油漆防水。整個(gè)試驗(yàn)通過變換3種不同縱坡（橫坡固定）4種篦型，在5種來流情況下：100 a一遇暴雨(Q=0.54 m3/s)、80 a一遇暴雨(Q=0.49 m3/s)、50 a一遇暴雨(Q=0.38 m3/s)、5 a一遇(Q=0.32 m3/s)及 1 a一遇暴雨(Q=0.20 m3/s)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

圖2 篦子模型圖

2 柵條角度對水舌長度的影響

2.1 水流流態(tài)

在相同來流流量下，由于篦子的形狀不同水流在篦上的流態(tài)也均不相同，圖3為在來流量大約為50 L/s時(shí)4種篦子上的流態(tài)情況。從圖3中可以看出，相同情況下，0°柵條篦子的收水效果較好，在流量為 50 L/s時(shí)水流全部通過篦子排出，而45°和90°柵條的篦子部分水流開始躍過篦子流向下游，從而減少了篦子的排水能力。

圖3 4種篦子的不同流態(tài)

2.2 柵條角度對水舌長度的影響

水舌長度是評價(jià)篦子收水能力的重要指標(biāo)，在相同來流條件下，水舌長度越小，表明篦子收水能力越強(qiáng)。圖4表明，柵條角度為0°時(shí)，水舌長度遠(yuǎn)低于其它角度情況,因?yàn)?°柵條的篦子有水翅現(xiàn)象產(chǎn)生，在較大流量時(shí)無法測量水舌長度，故0°柵條的數(shù)據(jù)范圍較小。

圖4 綜合水舌長度與流量的關(guān)系

3 柵條角度對收水流量的影響

篦前水深與單寬收水流量q(等于總流量q1減去過篦流量q′)基本上呈線性關(guān)系，且隨著縱坡的增大而減小。本研究縱坡從3.0%變到4.0%，其變化幅度相對較小，盡管模型實(shí)測結(jié)果表明不同的縱坡其水深有所不同，但在相同柵條角度情況下，區(qū)分度不大。不同柵條角度對收水流量的影響較為顯著，且在相同水深情況下，柵條角度越大，收水流量越小，見圖5。由圖5可確定在某一篦前水深的情況下其收水流量。在本試驗(yàn)參數(shù)(縱坡與柵條角度)范圍內(nèi)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散程度也不是很大，若粗略估算水深與流量的關(guān)系，可將其統(tǒng)一到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系中，其經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式（1）的適用范圍：柵條角度 0°～90°；縱坡 3.0%～4.0%；流量不大于120 L/s·m。

圖5 綜合水深與收水流量的關(guān)系

4 柵條角度對過篦流量的影響

過篦流量q′是指流過篦子而進(jìn)入下游的流量，主要的影響因素是柵條的角度，而縱坡的影響不大。0°柵條由于篦上流態(tài)特殊，縱坡的影響要稍大一些，同時(shí)其與總流量q1的關(guān)系也與其它集中角度的柵條有較大區(qū)別，見圖6。從收水能力的角度講，柵條角度越大越不利。盡管0°柵條的流態(tài)相對較差(形成較大的水翅)，但不會(huì)產(chǎn)生危害性的水流流態(tài) (例如噴濺水舌影響其它建筑物或車輛行人)，因此，0°柵條的收水能力大，可以獲得較大的收水流量。

圖6 綜合不同柵條過篦流量的關(guān)系

5 結(jié)語

（1）柵條角度越大，對水流的阻力也越大，因而篦子的收水能力降低，因此，從收水能力的角度講，0°柵條篦子較優(yōu)。

（2）收水流量與篦前水深基本是線性關(guān)系，且隨著縱坡的增大而減小，但變化幅度相對較小。

（3）0°柵條篦子的水舌長度遠(yuǎn)小于其它角度的篦子。當(dāng)流量達(dá)到約40 L/s·m時(shí)，其它柵條角度篦子上面的水舌長度已接近或達(dá)到篦子的寬度，而0°柵條篦子的水舌長度僅達(dá)到篦子寬度的25%左右。

[1]左東啟.模型試驗(yàn)的理論和方法[M].北京:水利電力出版社,1985.

[2]姚祖康.公路排水設(shè)計(jì)手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3]廖足良.雨水口設(shè)置諸問題淺析[J].重慶建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1994，16(4):96-100.

[4]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所.給水排水標(biāo)準(zhǔn)圖集·合訂本S2(下)[M].北京:中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所,2002.