集裝箱堆場排水溝的優化設計

王 釗，賀春暉

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

排水溝是集裝箱堆場常用的排水設施，具有線性收水，集水速度快，降低堆場積水發生概率；埋深淺，施工開挖量小，造價較低；清淤方便，容易維護等優點。但是，排水溝的水力計算相對復雜，工程設計中常按經驗確定排水溝尺寸和坡度，容易造成設計裕度過大，浪費寶貴的堆場面積，增加施工工程量。

就集裝箱堆場而言，通常一個排水系統的服務面積可以控制在1～2 km2的范圍內，其降雨及徑流的流態假定為恒定均勻流，故而適用推理公式進行簡化的水力計算。本文提出一種利用現行排水設計規范和手冊的相關公式建立計算模型，使用 excel等常用工具計算排水溝斷面尺寸的方法，并提出一種優化選擇排水溝尺寸的思路，可以提高排水溝的設計效率，并使設計成果更加經濟有效。

1 水力計算模型

1.1 堆場降雨量計算模型

根據恒定均勻流推理公式，集裝箱堆場的降雨量可按下式計算：

式中：

Qs為雨水設計流量；

q為當地設計暴雨強度；

ψ為堆場的地面徑流系數；

F為設計的匯流面積。

根據堆場鋪面形式可以計算出相應的徑流系數；而結合排水溝和地面高程的布置，將設計排水溝周邊的地面高點連接成分水線，可以計算出對應的匯水面積。設計暴雨強度則可根據下式計算：

式中：

P為設計重現期；

t為降雨歷時；

A1、b、C、n為統計參數。

設計重現期根據堆場用途、規模及重要性確定，集裝箱堆場為 1～2 a；而統計參數可以通過查詢設計手冊或者咨詢當地氣象部門獲得。降雨歷時則根據下式計算：

式中：

t1為地面集水時間；

t2為雨水在排水溝內的流行時間。

地面集水時間可根據匯水距離、地面坡度和鋪面形式計算，匯水距離不大時，一般取 5 min；排水溝內流行時間應根據排水溝長度和雨水在排水溝內流行速度計算。

1.2 排水溝排水量計算模型

假定排水溝內水流狀態為恒定均勻流，其排水量可按下式計算：

式中：

Qp為排水溝的排水量；

v為雨水在排水溝內流行的速度；

A為排水溝內水流斷面的面積。

水流斷面可通過溝寬B和水深H計算，而流速與排水溝內壁的粗糙系數n、水力半徑R和坡度i有關，A和v通過下列公式計算：

而水力半徑可通過下式計算：

其中χ為濕周，即排水溝內壁與水流接觸的長度，對于矩形斷面的排水溝可通過下式計算：

1.3 排水溝斷面設計方法和優化思路

而排水溝的優化設計則是通過調整不同的溝寬和坡度，在滿足使用的前提下，使得排水溝斷面面積最小，即為最優的設計尺寸。

在設計和優化過程中應注意：

1）排水溝的流速應滿足室外排水規范的要求；

2）排水溝深度應大于計算水深，保證排水溝的使用功能滿足要求；

3）排水溝寬度應合理設置，過窄則不利于清淤作業。

2 工程實例

某港自動化集裝箱碼頭，其堆箱區內采用鋼筋混凝土箱角梁加級配碎石鋪面，堆箱區間為聯鎖塊鋪面，軌道梁為整體道床。軌道梁長 429 m、寬1.4 m，箱區寬25.7 m，箱區間平均寬度4.5 m。其中，軌道梁和箱角梁的徑流系數為 0.9，聯鎖塊為0.6，級配碎石為0.45；用各種鋪面面積加權平均計算，堆場綜合徑流系數為0.511。堆場的設計重現期取為2年，排水溝采用鋼筋混凝土結構、矩形斷面，內壁粗糙度參考同材質排水管取 0.013。本工程排水溝采用鋼格板蓋板，地面的金屬物質會對自動化設備運行造成干擾，故而設計時將排水溝設置于箱區內部，兩側箱角梁中間的縫隙處，排水溝設計長度361 m。

為了便于施工及維護，設計時選擇200 mm、300 mm、400 mm、500 mm四種溝寬進行比較，以確定最優方案。規范要求排水溝應有0.2 m的超高，加上蓋板厚度 0.1 m，設計時起點深度和終點超高均取 0.3 m。結構工程量計算時，排水溝溝壁厚度按0.2 m計，底板厚度按0.3 m計。考慮到施工精度難度，排水溝的溝深精確到厘米級。

3 方案優化比選

將本例中的各項參數帶入計算模型，分別得到結果如表1～表4。

表1 B=200 mm排水溝計算結果

表2 B=300 mm排水溝計算結果

表3 B=400 mm排水溝計算結果

表4 B=500 mm排水溝計算結果

統計上述4個計算簡表可知，當排水溝的寬度小到一定程度后排水溝的深度增加幅度會變大，導致排水溝的工程量反而增加；排水溝的寬度一定時，排水溝的工程量隨坡度增加而增加，設計時應當選擇滿足規范和使用要求的最小坡度；通過增加起點深度來滿足計算水深要求，并不比增加排水溝坡度更經濟。

本工程中 B=300 mm、i=1.77 ‰的排水溝和B=400 mm、i=1.36 ‰的排水溝，每沿米溝壁工程量均為0.458 m3。考慮到排水溝施工時基槽受溝深的影響大于溝寬，所以最優選擇是坡度更小的 B400排水溝。

4 結 語

在港口工程的排水系統中，利用本文的方法簡化計算排水溝的設計尺寸是切實可行的，并且對優化排水溝的斷面設計，降低工程造價有重要意義。本例計算結果指出了經驗設計中，排水溝寬度約小工程量越小，坡度不變，增加起點深度滿足使用要求可以減小工程量等設計誤區。但本方法適用面積不超過2 km2，計算過程中存在大量試算，工作效率相對較低，存在進一步改進的空間。

同時，根據本文使用的水力模型可知，要減小排水系統的工程量，除了合理選擇排水溝寬度和坡度外，更有效的辦法是降低堆場的地面徑流系數，即海綿港口的設計方式，在不影響港口設施基礎安全和使用功能的基礎上，盡量使用透水性能更好的鋪面形式能呈線性比例的降低排水系統的設計規模，平面和道堆等相關專業應在設計實踐中引起重視。