城市道路雨水口泄流的水力特性分析

2021-01-19 02:03:38馮杭華王秋萍陳國芬馬文瀅

黑龍江工程學院學報 2021年1期

馮杭華，郭帥，王秋萍，陳國芬，馬文瀅

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

全球城鎮面積的擴張和工業技術的發展逐漸改變了自然的水文循環和全球氣候，“城市看海”等極端天氣越來越頻繁，城市排澇防洪能力正經歷著巨大的挑戰[1-3]。城市快速擴張和發展導致了路面硬化率提高和下墊面條件改變，研究表明，2017年中國城鎮地表入滲率相比于2000年下降了10%左右[4]。入滲率下降伴隨的不透水面積增加、路面徑流量增加、徑流歷時延長等現象加重了道路積水問題，從而加劇城市內澇災害[5]，并造成行車安全隱患[6-7]。雨水口作為市政排水系統的關鍵組成部分，是地面徑流進入市政排水系統的入口，是連接地上徑流和地下排水管道的樞紐，其排水效率直接影響路面積水程度。國家建筑標準設計圖集《雨水口(05S518)》[8]提出雨水口的泄流能力與道路坡度、雨水口型式、篦前水深等因素有關，但只給出了雨水口在理想工況下的最大泄流能力，并未給出不同降雨條件、不同道路坡度情況下泄流量的指導設計公式。本文以雨水口泄流為研究對象，探究道路坡度、徑流量、雨水口型式等因素對雨水口泄流的水力特性的影響。研究成果可為市政雨水排水系統的優化設計、舊城雨水排水系統的改造、海綿城市的建設等提供參照。

1 雨水口的構造及泄流過程

1.1 雨水口的構造

雨水口由進水篦(雨水口篦蓋)、井筒、連接管組成，一般設置在靠近路邊石的位置，雨水口篦蓋的高程略低于道路表面以利于其收集路面徑流[9]。雨水口按照進水篦安裝方式的不同分為偏溝式、平篦式、立式(立孔式或立篦式)和聯合式，其中，偏溝式、立孔式和聯合式是市政道路上常用的雨水口型式，示意圖見圖1。

1.1.1 偏溝式雨水口

偏溝式雨水口安裝在道路表面的形式如圖1(a)所示，其進水篦子靠路緣石放置，平鋪在道路上，除靠近路緣石一側，其余側設置適當的匯水坡度，使進水篦子略低于道路表面高程，利于徑流進入雨水口。道路徑流主要從進水篦子的上游和不靠近路緣石的側邊匯入雨水口。

1.1.2 立式雨水口

立式雨水口的進水口設在路緣石上，其示意圖見圖1(b)，雨水口的進水口底部明顯低于道路表面，部分立式雨水口的進水口設置格柵，以防雜物進入雨水口導致堵塞。立孔式雨水口進水孔的開孔方向與徑流流向垂直，且徑流只能從一邊進入雨水口，泄流條件比偏溝式雨水口差，但是立式雨水口對道路結構影響小，對交通的影響小，相比其他類型的雨水口更不易損壞。

1.1.3 聯合式雨水口

聯合式雨水口的進水口是偏溝式雨水口和立式雨水口進水口的組合形式，其示意圖見圖1(c)，與單篦的偏溝式雨水口和立式雨水口相比，聯合式雨水口的泄流能力最大。

圖1 雨水口類型

圖2 雨水口泄流示意圖

1.2 道路雨水口泄流過程

道路雨水口上游的徑流包含未被上一個雨水口泄流的徑流、從路邊道牙進入路面的徑流以及路段內降雨形成的徑流，在道路縱坡和橫坡作用下，雨水口上游形成橫斷面為三角形的徑流，直至流入雨水篦子，進入匯流井室中。偏溝式雨水口和立孔式雨水口泄流時的徑流分布如圖2所示。圖2(a)中偏溝式雨水口泄流時，路面徑流從雨水篦子的上游方向和側邊流向雨水口，可分成前端流QF和側邊流QS，當總徑流量較小且流速較慢時，QF，QS都將全部或大部分流入雨水口，只有少量徑流會流向下游；隨著總徑流量增大，QF，QS中越過雨水篦子流向下游路面的流量增加。圖2(b)描繪了立孔式雨水口泄流的示意圖，從圖中可以看出，立孔式雨水口的泄流方式與偏溝式的不完全相同，水流從一側進入立孔式雨水口，且流速方向均需與立孔開孔方向相交，由此可見立孔式雨水口的泄流性能較偏溝式差。當總徑流量較小或徑流流速方向偏轉角度較小時，立孔式雨水口的泄流量小；當總徑流量大時，立孔邊緣的水深較高，進入雨水口的流量增大。

雨水口的泄流量(Qint)是指路面徑流量(Qa)穿過雨水篦子進入雨水口的流量，即雨水口上游的總徑流量減去未被雨水口截流的流量(Qp)，表達式為

Qint=Qa-QP.

(1)

2 雨水口泄流的水力特性分析

2.1 雨水口泄流能力設計

市政排水設計相關規范中對雨水口設計的描述較少，規定較寬泛。如《室外排水設計規范GB50014-2006》中對雨水口設計的規定有：“雨水口的型式、數量和布置，應按匯水面積所產生的流量、雨水口的泄流能力和道路形式確定。”“雨水口間距宜為25～50 m。”“道路橫坡坡度不應小于1.5%，平篦式雨水口的篦面標高應比周圍路面標高低3～ 5 cm。”“當道路縱坡大于0.02時，雨水口的間距可大于50 m。”[8]隨著全球氣候的變化，很多城市的最大年降雨量增加，各城市的暴雨強度公式也在更新，但規范中對雨水口布置的規定卻幾乎沒有改變，這也是導致雨水口泄流能力不滿足要求的原因之一。雨水口泄流能力不僅與雨水篦子的寬度、雨水口的布置間距有關，而且受道路坡度以及路面粗糙程度影響[10-11]。《雨水口(05S518)》也提出雨水口泄流能力受諸多因素影響，并且給出了在道路縱坡為0.3%～3.5%、橫坡為1.5%、篦前水深為40 mm的條件下，各類國標型雨水口的泄流能力[9]，具體值見表1。顯然，表1沒有反映雨水口泄流能力與關鍵影響因素間的相關關系，不能給工程設計提供精確的指導。

表1 雨水口泄流能力[9]

2.2 雨水口泄流的水力特性分析

道路上的雨水徑流屬于明渠流動，在道路坡度的影響下，其過流斷面為三角形，如圖3所示。

圖3 徑流橫斷面

當流程較長時，雨水口上游形成均勻流，此時徑流寬度W和水深h的值沿程不變(W>>h,W=h/SC)，則可以根據明渠均勻流的謝才公式和曼寧公式，利用圖中所示幾何關系，得出各參數間的定量關系，見式(2)，其中，SL為道路縱坡，SC為道路橫坡，n為道路粗糙系數。

(2)

式(2)對理解與分析雨水口上游徑流特性具有較好的指示意義，表明在相同流量下，縱坡越大，水深越小，水面寬度會相應減小；橫坡越大，水深越大，水面寬度越大。然而，由于雨水口的泄流作用，徑流流態在雨水口附近及其下游會發生劇烈的變化，徑流寬度與沿程水深的變化規律需通過試驗進行測量。徑流量Qa可根據匯流面積、徑流系數與當地設計暴雨強度公式，采用式(3)進行設計計算

Qa=ΨqF.

(3)

式中：q為設計暴雨強度，m3/(s·m2);Ψ為徑流系數；F為匯水面積，m2。

2.3 雨水口實際泄流量公式推導

將式(2)改寫為水深h的函數，得到

(4)

前人研究表明，雨水篦子的泄流量Qa與水深成正比，可根據孔口出流公式進行計算

(5)

式中：Co為孔口出流系數；A為出流孔口的面積。

通過耦合式(4)與式(5)，可得到泄流量的理論計算公式

(6)

式中：C為綜合泄流系數。

從式(6)可以看出，雨水口的泄流量與雨水口進水篦的開孔面積(雨水口型式)、路面粗糙程度、雨水口上游的徑流量、道路橫坡和縱坡因素有關。且泄流量隨進水篦子開孔面積、路面徑流量、路面粗糙系數、道路橫坡的增大而增大，隨道路縱坡的增大而減小。因此，在某一確定路段上的雨水口(雨水口型式確定、道路粗糙度和道路坡度確定)，不考慮堵塞情況下其泄流量主要由路面總徑流量決定。而對于工程設計來說，應該針對具體問題具體分析，需要綜合考慮路面因素、降雨情況和雨水口型式確定雨水口的布置間距。如對某一給定坡度的路段進行雨水口布置，可以用式(6)進行理論計算泄流量，若泄流量不足路面徑流量50%，可以減小雨水口布置間距，或使用聯篦式雨水口。

2.4 雨水口實際泄流量公式驗證

為驗證本文提出的雨水口泄流量計算式的正確性，選取國標型偏溝式雨水口進行泄流能力試驗，該雨水口平面結構及尺寸如圖4所示。試驗裝置模擬一段長12 m、寬3 m表面鋪筑水泥砂漿的道路，模擬道路可調節縱、橫坡度，設置在道路前端的引水箱向模擬道路提供均勻平緩、流量可調節的徑流，待測試雨水口設置在距離徑流入流處10 m的位置，試驗裝置如圖5所示。試驗在橫坡坡度為1.5%、縱坡坡度分別為2%、3%，徑流流量為0～70 m3/h的條件下進行，并在路面徑流穩定后測量路面上不同斷面處徑流面寬度、靠近道路邊緣的水流深度以及未被雨水口泄流的水流流量。

圖4 試驗的雨水口型式

縱坡坡度為2%、橫坡坡度為1.5%時徑流寬度及沿程水深在不同徑流量影響下的變化曲線如圖6、圖7所示。從圖6中可發現，模擬徑流從模擬道路起始端橫斷面均勻流入后，在橫坡的影響下，流向路緣石一側，使徑流面寬度發生明顯地減小，但在下游段徑流寬度較穩定。由圖7可看出徑流深度自徑流進入模擬道路先發生劇烈的波動，然后在下游逐漸趨于穩定，在7～10 m之間水深幾乎達到恒定值。縱坡坡度為3%、橫坡坡度為1.5%時觀察到相同現象。由以上分析可知，實驗過程中，徑流在雨水口上游都達到均勻流態。

圖6 不同流量下的徑流寬度變化(SL=2%,SC=1.5%)

圖7 不同流量下的徑流深度變化(SL=2%, SC=1.5%)

將試驗中測量的泄流量Qint值代入式(6)計算國標型雨水篦子的C值Cn，發現Cn與Qa相關，且兩種實驗坡度組合中Cn的差值在4%以內。相同徑流量下，取兩種坡度下Cn的均值，擬合其與Qa的數學關系，結果見圖8，表達式為式(7)，則國標型偏溝式雨水口的E可用式(8)計算。為校驗式(8)的準確性，在SL=4%、SC=1.5%條件下進行試驗驗證，其結果見圖9。預測值與實測值相對誤差在4%以內，說明式(8)能較準確地預測國標型雨水篦子泄流量。

(7)

(8)