淺析安巴港區雨水口優化設計

左賀勇

【摘? 要】論文針對安提瓜和巴布達港區雨水口設計，以水力學模型為基礎，介紹了雨水口泄流量、截留效率及設置間距的計算方法，通過工程實例，為港區雨水口優化提供參考。

【Abstract】Aiming at the design of the rainwater inlet in Antigua and Barbuda Port area， this paper introduces the calculation method of discharge， interception efficiency and spacing of the rainwater inlet? based on the hydraulic model， and provides a reference for the optimization of the rainwater inlet in the port area through an engineering example.

【關鍵詞】雨水口;截流效率;排水系統;泄流能力

【Keywords】rainwater inlet; interception efficiency; drainage system; discharge capacity

【中圖分類號】U417.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0194-03

1 引言

雨水口是銜接排水管道與地表徑流的重要附屬構筑物，是排水工程的重要組成部分。地面積存的雨水經過雨水口連接管進入排水管道，有效地控制了雨水進入排水管道系統的徑流量。科學合理地設計雨水口是排水管網設計的關鍵。

2 雨水口類型

排水系統雨水口通常有三種：平箅式雨水口、立式雨水口及聯合式雨水口。其中平箅式又分為地面平箅式和有緣平箅式，地面式主要用于平坦的道路及易積水的地勢低洼處、海工基地的生活區域，港區總裝場地等。但平箅式雨水口暴露在車道邊緣，長期受機動車碾壓，易損壞，影響美觀;有緣平箅式雨水口一般用于有路緣石的道路。立式雨水口的進水地面一般比道路路面略低。有孔式和立箅式兩種，適用于有緣石的道路，此種形式的雨水口可以有效地預防地面垃圾堵塞箅隙，聯合式雨水口是上述兩種雨水口的綜合體，截流能力強，但成本較高。港口常見類型雨水口的應用情況如表1所示。

表1? 港口常見類型雨水口的應用情況

3 雨水口的設置位置

雨水口的設置位置，應具備迅速收集地面雨水的功能。

①地勢低洼地帶：如城市道路匯水點、單坡路面的道路低側、雙坡道路的兩側。

②立交橋道路的引橋起點。

③地下車庫道路入口處，停車場、貨場等地勢低洼處。

④城市道路側方支路、重點交匯處等能夠截留雨水徑流處。

⑤不適宜設立的位置：景觀綠地低洼處、建筑物入口處、建筑物排水管地面排水點附近。

4 雨水口設置間距的計算

4.1 單位面積雨水口的匯水流量計算

港區單位面積雨水設計流量計算公式為：

式中：ψ為徑流系數;q為暴雨強度（L/（S·hm2））。

綜合徑流系數（見表2）應按照各種地面的面積加權平均計算確定。資料不足時，港區綜合徑流系數可根據港口建筑物或者堆場的稠密程度在0.5～0.8內選用。

表2? 徑流系數

雨水設計的暴雨強度應按照項目所在地的暴雨強度公式進行計算。如當地無暴雨強度公式，可參照附近類似情況的城鎮暴雨強度公式進行計算。

我國采用的暴雨強度公式為：

式中：A、c、b、n為地方參數;t為降雨歷時，一般取 5～8min;P為重現期（a）。

港區雨水設計重現期選取原則如下：

①內河客運航線：2～3年。

②港區（整件雜貨、糧食、鹽、集裝箱）：2～3年。

③港區（石油石化物資、鋼鐵煤炭等）：1～2年。

對于地勢低洼、位置重要的場所，積水能引起較大經濟損失或引起交通擁堵，易引發交通事故的地區，應取高值。

4.2 雨水口泄水能力計算

4.2.1 平箅式雨水口

平箅式雨水口為頂部進水，雨水常常漫過雨水口箅隙，此種雨水口的泄水能力可以采用孔口出流公式計算：

式中：Q■為單個雨水口泄水能力（m3/s）;？滋為孔口流量系數，此處可取0.60;？棕為雨水口箅隙有效面積（m2）;h為允許雨水口箅前水深，一般為0.02～0.06m;g為重力加速度（m/s2）;c為雨水口堵塞系數。

4.2.2 立式雨水口

立式雨水口為側向進水，因此，計算其泄水能力時可以采用堰流公式：

式中：Q為單個雨水口泄水能力（m3/s）;σ為流量系數，此處可取0.40;L1為雨水口箅隙長度（m）;H■為雨水口側箅水深（m）;g為重力加速度（m/s2）;c為雨水口堵塞系數。

4.3 雨水口截流效率確定

4.3.1 邊溝平箅式雨水口的截流效率

設計邊溝式雨水口方法如下：

將水流分為正面流、測流和越流。當邊溝水流擴展超過箅子寬度時，箅子的正面水流將從箅子正上游部位流來，側面流是繞過箅子邊緣的水流部分[1]。當水流繞過箅子時，部分側面流將被截流，截留量取決于邊溝橫斷面坡度、流速及箅子長度。當邊溝流速太高，或者箅子長度太短時，正面流將難以完全被截留，部分流量將越過雨水口而成為越流。

對于邊溝，邊溝正面流與邊溝總流的比值E0，如果假設邊溝橫斷面坡度單一，比值E0可表示為：

式中：W為箅子寬度（m）;T為邊溝水面寬度（m）。

側面流與邊溝總流的比值E1為：

正面截流與總正面流之比，即為正面截流效率R，可表示為：

式中：K為經驗常數，取0.295;v為邊溝流速（m/s）;v為在越流開始產生時的臨界邊溝速度（m/s），也稱作越流起始速度。

箅子側面截留量與側面總流的比值，稱作側面流效率Rs，可表示為：

式中：K為經驗常數，取0.0828;L為箅子長度（m）;Sx為道路的橫向坡度。

于是箅子的總截流效率ξ，可表示為正面截流與側面截流效率函數，即：

4.3.2 立式雨水口的截流效率確定

影響立式雨水口截流能力的主要因素有近緣石處的水深、緣石開孔的長度、路面橫向坡度和縱向坡度[2]。常見的緣石的開孔高度一般在100～150mm。對于單一坡度型斷面邊溝，截流100%邊溝流量的側邊石開孔雨水口的開孔長度可以表示為：

式中：l為截流全部邊溝流量所需邊石雨水口開孔長度（m）;K為經驗常數，取0.817;SL為道路的縱向坡度。

當緣石雨水口開孔長度小于l時，則截流效率ξ計算為：

式中：l'為邊石開孔長度（m）;K為經驗常數，取0.817。

4.3.3 聯合式雨水口的截流效率確定

聯合式雨水口是在邊溝底部及相鄰緣石都設置進水箅，便于雨水的泄流。如果聯合式雨水口的邊溝平箅部分與緣石開孔部分長度相同，則聯合式雨水口的截流能力和效率與單設立式平箅雨水口相比差別不大，因此，實際計算中仍能采用立式雨水口截流能力和效率公式計算[3]。

在雨水口設計中，當道路縱坡小于0.3%，雨水會產生較為嚴重的遲滯，不會迅速地向低處流動匯集。此時雨水依靠路面所有雨水口排放，每一個雨水口都可發揮作用，共同承擔雨水流量，一般不會形成超越流量[4]。此時雨水口的截流效率ξ可取值為100%。

當道路縱坡在0.3%～2%，特別是在道路橫坡面積較小的情況下，道路雨水水面寬度將會大于雨水口寬度，此時雨水被分流為兩部分：①被雨水口截流;②順流而下，在地勢低洼處形成超越水量。此時雨水口的截流效率ξ可取值為75%～90%。針對這種情況，需要在低洼處增加雨水口數量或對現有雨水口進行改造，如更改其尺寸，增加其截流效率。

當路面縱坡大于2%時，路面雨水水流將處于急流狀態，同時部分水流將躍過雨水口而形成跳躍，在地勢低洼路段或者暴雨期，會出現較大匯水面積[5]。此時道坡道上的雨水口泄水能力大大降低，這時雨水口的截流效率ξ一般低于75%。

4.4 雨水口間距的計算

雨水口設置間距的確定主要與雨水匯流流量Q和雨水口的截流能力Q有關。為簡化計算，視單個雨水口的排水面積形狀為矩形。假設雨水口服務區域垂直與道路縱坡方向的寬度為B，另根據《室外排水設計規范》2014版[6]規定，雨水口設計泄流量應為雨水管渠設計重現期計算流量的1.5～3倍，則雨水口設置間距可表示為：

5 案例分析

以安提瓜和巴布達圣約翰港碼頭陸域堆場道路為例，道路寬12m，雙面匯水，堆場寬度為74m，堆場設計向兩側排水，匯水地面以混凝土為主，該堆場道路縱坡小于0.3%，橫坡為1.5%，采用邊溝平箅式雙箅雨水口，道路兩側設置;碼頭靠岸側引橋寬為12m，單側匯水寬度為22m，引橋縱坡為2.9%，橫坡為1.5%，雨水口采用平箅式單箅雨水口，兩側布置。

各數據取值為：ψ=0.9，P=3a，t=5min，μ=0.6，ω雙=0.24m2，ω單=0.12m2，h=0.04m，g=9.8 m/s2。將以上數據帶入當地暴雨強度公式及雨水口泄流量計算公式：

已知堆場道路縱坡小于0.3%，取雨水口的截流效率ξ=1，則堆場雨水口設置間距：

引橋道路縱坡為2.9%，橫坡為1.5%，且雨水口箅子寬度W=0.4m，當雨水口箅前水深達到0.04m時，邊溝水面寬度T=2.6m，由曼寧公式可得，邊溝流速v=4.47m/s，根據雨水口平箅的柵條布置結構、箅子長度和邊溝流速可得出越流起始速度v0=2.5m/s，由以上數據可得ξ=0.32，則堆場雨水口設置間距：

經過計算，本設計堆場雨水口間距為27.6m，引橋雨水口間距為45.3m，綜合考慮現場實際條件及施工需求，本項目分別按照間距為27m/組和45m/個進行了優化。結合雨水管網，雨水口的優化布置如圖1所示。

6 經濟效果評價

本項目通過對雨水口單項優化節省雨水口、雨水井30余個，有效節省了鋼筋、混凝土、人工、雨水篦子的用量累計約合人民幣90余萬元，有效地降低了項目的施工成本，縮短了施工工期。

7 結論

雨水口在雨水系統中占據著重要的位置，其設計應結合路面形式選擇較為合適的雨水口形式，同時經過計算確定雨水口間距，合理布置雨水口，保證雨水順利排除的同時確保經濟合理。

【參考文獻】

【1】張自杰.排水工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

【2】嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

【3】中國市政工程西北設計研究院有限公司.給水排水設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

【4】李志勇.道路雨水口排水能力分析[J].西部探礦工程，2006（10）：283-285.

【5】胡維芬.城市道路排水設施水力特性研究[D].天津：天津大學，2009.

【6】中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50014—2006室外排水設計規范（2014年版）[M].北京：中國計劃出版社，2014.