連續道路上多雨水口徑流特性數值模擬研究

徐靈華　曾云輝　胡騰宇　申屠華斌　郭帥

【摘? ? 要】： 為了研究不同降雨強度與縱坡下道路雨水口對路面徑流的節流效果，采用計算流體力學（CFD）軟件CFX對連續道路上多個雨水口進行數值模擬，重點分析當上下游雨水口等距（20 m）時不同流量和坡度下截流能力變化規律。模擬結果表明：當入流量為120.00 L/s時，積水基本布滿整個路面，有初期洪澇趨勢；沿道路縱坡方向，同一縱坡下，雨水口截流量隨收水量增加而增加，但截流效率逐漸減小有飽和趨勢；當縱坡為0.3%和4%時，距道路起始端遠的雨水口受徑流寬度及流速影響截流效率最低且縱坡對下游雨水口截流效率影響比上游雨水口大，故雨水口設計應考慮道路縱坡的影響。

【關鍵詞】： 城市道路；排水系統；雨水口；截流效率；數值模擬

【中圖分類號】：TU992【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）05-07-07

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.003

Numerical Simulation Study on Runoff Characteristics on Continuous Roads

XU Linghua ZENG YunhuiHU Tengyu SHENTU Huabin GUO Shuai

（1. Power-China Huadong Engineering Corporation Ltd.， Hangzhou 310014， China;

2.College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Anhui 230009， China）

【Abstract】：In order to study interception effect of road runoff by rainwater inlet under different rainfall intensity and longitudinal slope，， this paper uses CFX software to simulate several rainwater inlets on continuous roads and the change rule of intercepting capacity under different discharge and slope when the uptream and downstream rainwater outlets are equidistant（20 m）. The results show that： When the inflow is 120.00 L/s， street runoff water basically covers the entire road surface， and there is a slight flooding trend; Under the same longitudinal slope， the interception capacity of the street inlets increases with the increase of the inflow. However， the interception efficiency gradually decreases and there is a saturation trend; When the longitudinal slope is 0.3% and 4%， the downstream inlet far from the beginning of road have the lowest interception efficiency due to the width and velocity of the runoff. The interception efficiency has a greater impact ondownstreaminlets than upstream inlets， so the impact of the road longitudinal slope should be taken into consideration refers to gully design.

【Key words】：urban road; sewer system; street inlet; interception efficiency; numerical simulation

暴雨引發的城市內澇問題凸顯了市政排水管網的關鍵作用；雨水口作為地表-地下排水系統的連接點，對路面徑流的截流效果直接影響地下排水系統的效率[1～3]。研究連續道路上雨水口對降雨過程中路面徑流截流機制，可以彌補國內關于雨水口在實際降雨過程中工作機理研究領域的空缺，對指導城市排水防澇工作具有非常重要的意義[4～6]。

近年來，國內外學者主要通過雨水口模型試驗研究入流特性、雨水口樣式、布設方式及雨水口柵條排布等因素對雨水口截流特性的影響：Mustaffa Z等[7]對3種常見不同結構的雨水口開展試驗研究，發現聯合式雨水口截流效果最好；Russo B等[8]對不同形狀、柵條排布的雨水箅子進行研究，發現雨水口尺寸及柵條開口角度對截流效率都有影響；Kemper S等[9]對6種不同雨水口開展試驗，發現雨水口上游水深和流速是影響截流效率的主要因素，提出了急流狀態下截流效率的計算公式；安智敏等[10]對不同雨水口截流能力進行試驗研究，發現雨水口前沿進水量是雨水口截流量的主要組成部分。為規避試驗場地、物理試驗裝置搭建費用等因素的限制，國內外對雨水口開展了數值模擬研究：Gomez M等[11]通過研究發現數值模擬能很好復現試驗現象，模擬結果與試驗結果有較高的一致性且數值模擬有計算時間短、費用少等優點；陳國芬等[12]采用3D CFD有限元軟件模擬雨水口在不同流量下的截流特性，結果表明雨水口截流效率均未達到100%，但文章未針對不同的道路坡度工況等重要影響因素進行研究。關于雨水口布置間距的研究：Nicklow J K等[13]基于遺傳算法和水力模型模擬方法，分析連續道路雨水口布設間距及雨水口形式等因素對水面寬度及雨水口水力特性的影響；王紀軍[14]基于理論計算分析，以水面寬度為控制指標，來確定雨水口布置間距，但連續道路上雨水口截流規律仍處于理論分析階段，缺少實際的試驗與模擬數據進行驗證分析。

綜上所述，雨水口截流的試驗研究受場地、經費等因素的限制，具有一定局限性，無法完全反映實際降雨過程及洪澇災害時雨水口截流情況；因此，本文在文獻[15]對單雨水口截流效率影響因素的研究基礎上，構建連續道路-雨水口耦合3D數值模型，通過觀察多個等距布置的雨水口截流規律，研究道路縱坡、入流流量對上下游4個雨水口截流特性的影響，對比分析多個雨水口對路面積水寬度、積水深度及雨水口截流效率的影響。

1 數值模型構建

1.1 典型工況選取

CJJ 37—2012《城市道路工程設計規范》（2016年版）中規定道路橫坡SC宜采用1%～2%，以便于路面排水；而道路縱坡SL應根據路段機動車設計速度選取，當道路設計車速為80 km/h時，最大道路設計縱坡為4%，但現實中大部分道路縱坡＜1%；因此，數值模型設計橫坡取1.5%，縱坡分別取0.3%、0.7%、1%、2%、4%，入流量Q的范圍為22.50 ～360.00 L/s。針對國標型雨水箅子共進行48組試驗，見表1。

1.2 計算域構建

采用計算流體力學（CFD）軟件CFX17.0版。選取一段長72 m、寬3.5 m的典型單向單車道，距離道路起始端10 m布設一個雨水口，往后布設的雨水口間距為20 m，即第二個雨水口距離起始端30 m，共布設4個雨水口。見圖1。

采用設計圖集16S518《雨水口》中給出的標準型偏溝式雨水口，尺寸為0.75 m×0.45 m，箅子開孔率為國內使用范圍最廣的54.2%。

1.3 網格參數及模型邊界設定

模型網格無關性驗證后，針對模型道路不同位置采用了0.1、0.05、0.02 m3種不同的網格尺寸進行劃分并對雨水口網格單獨進行加密，以滿足計算需要。

采用下底面作為流量入口，流量均勻分布于整個底面，以模擬實際降雨中路面產流過程。入口采用體積流量，雨水口及下游出口設置為自由出流，相對壓力為0。模型采用自由表面，上頂面采用Opening邊界，模擬初始時空氣體積分數為1，模擬降雨從開始至形成穩定路面徑流的狀態。穩態計算，迭代步數1 000～1 500步，采用k-ε湍流模型，其他設定均為系統默認設定參數。

2 模擬結果分析

2.1 流線及水深分布

以縱坡為0.3%、流量為120.00 L/s的試驗工況為例。降雨受道路坡度影響發生偏轉，匯流成為路面徑流，部分徑流未匯流至上游雨水口直接流向下游，雨水口無法完全截流路面徑流，由于雨水口對路面徑流的截流，雨水口周邊下游水深減小，徑流向下游傳輸過程中流量持續增加，造成路面積水寬度及積水深度增加。見圖2。

不同工況下的流場分布規律類似且當流量增加時，雨水口3與雨水口4收水區域內積水寬度已經基本布滿整個路面，積水深度的增加有觸發內澇的趨勢。

2.2 雨水口箅前水深分析

2.2.1 雨水口箅前水深分布

以流量Q=120.00 L/s的試驗工況為例，當道路縱坡分別取值0.3%～4%時，雨水口1～4位置處相應的水深分布見圖3-圖7。

雨水口1靠近道路起始端，入流量較小，因此雨水口1靠近上游的第一排柵條對路面徑流起主要截流作用，此時雨水口1截流能力尚未達到最大；雨水口2收水區域面積相較雨水口1大，還需要承擔雨水口1未截流水量，故雨水口2入流量更大，導致箅前水深增加，雨水口2中間柵條開始起徑流截流作用，但此時雨水口2截流量仍以正向流為主，側邊流較少；因雨水口2未截流水量增加導致雨水口3柵條全部承擔泄流作用，隨著積水寬度增大，雨水口3對側邊流量的截流量增加，越箅流量開始出現，雨水口3對路面徑流截流效果反而減弱；由于上游雨水口1～3截流效率不足，下游雨水口4承受超量排水壓力，隨著入流量的持續增加，雨水口4箅前水深與流速不斷加大，導致越箅流量增多，因而雨水口4截流效果最差。

2.2.2 雨水口箅前水深變化規律

由于路面積水深度受坡度影響，當縱坡較小時（SL=0.3%），路面積水較深，故相對于大縱坡工況，小縱坡工況下的路面積水更容易充滿整個路面形成內澇。不同縱坡下，箅前水深隨流量增加而增大，隨縱坡增大而減小。見圖8。

結合圖2b可知：當縱坡為0.3%且流量＞120.00 L/s時，路面積水擴張至整個路面，此時雨水口4箅前水深受路面積水寬度影響，增長趨勢減慢；相同道路縱坡下，雨水口3與雨水口4箅前水深差異不大；當路面積水寬度未擴張至整個路面時，下游雨水口箅前水深隨流量增加而增加；模擬雨水口布設間距設為20 m時，路面已經產生積水現象，如果加大雨水口布設間距，城市雨水口排水能力不能滿足設計要求，路面積水情況更加嚴重；縱坡增加導致徑流流速增大，路面積水深度減小，不利于雨水口對徑流截流。

2.3 雨水口截流量分析

連續道路上雨水口截流量可分為上游雨水口未截流水量和模擬降雨過程中的底面入流量，根據截流的路面徑流方向可分為正向流及雨水口旁側流[7]；而當雨水口截流能力未能達到100%時，未截流水量繼續向下游傳遞，這部分流量由于徑流寬度收縮主要以正向流形式被下游雨水口截流，但上游未截流水量會增加下游雨水口排水壓力，當徑流流量過大時，下游雨水口不能及時排水，易造成城市路面積水。見圖9。

當Q＜30.00 L/s時雨水口1在不同縱坡下截流量差異在5.00 L/s以內；隨著流量持續增加，縱坡為0.3%工況下，雨水口1截流量增加趨勢相比其他坡度更快。下游雨水口2截流量受上游未截流水量影響，不同坡度下雨水口截流差異不大，由于正向流為雨水口截流量的主要部分，而道路縱坡對路面積水寬度影響較小，故雨水口2截流量差異在10.00 L/s內。

路面縱坡影響積水深度和徑流流速，當縱坡較大（SL=4%）時，徑流流速過大，路面徑流易形成越箅流，雨水口截流量減小；在同一種縱坡下，不同入流量產生的路面徑流穩定后，上游雨水口未截流量向下游雨水口傳遞時，雨水口截流量變化不大。研究結果說明，雨水口最大截流量受路面徑流水力狀態影響，在確定雨水口布設間距時應考慮道路坡度等影響因素，縱坡較小與較大時都應縮小雨水口布設間距。

2.4 雨水口截流效率分析

實際降雨過程中，入流量均勻分布于整個道路路面，受路面坡度的影響，不同坡度下雨水口收水量不同。

雨水口1為建模路段起始端雨水口，收水量只有路面底部入流量，截流效率受縱坡影響相對較大，當縱坡為0.3%時，雨水口1實際匯流區域最大，徑流流速小，箅前水深大，故其截流效率最高；當縱坡為4%且入流量＜20.00 L/s時，雨水口1截流能力大于徑流量，故雨水口截流量與入流量呈正向線性關系，截流效率不隨流量增加而改變。比較下游雨水口2與雨水口3截流效率可知，不同縱坡下雨水口2與雨水口3的截流效率差異在15%以內，這是由于上游雨水口未截流水量傳遞至下游雨水口，該部分流量被下游雨水口截流，故截流效率差異不明顯；上游雨水口未截流水量傳遞至雨水口4時，由于流量增加，路面積水寬度增加，雨水口4有效截流寬度相對減少，導致不同縱坡下雨水口4截流效率差異變大且當縱坡＞1%時，雨水口4截流效率隨坡度增大而降低。見圖10。

模擬結果表明，路面徑流向下游傳遞時，雨水口截流效率逐漸降低且有飽和趨勢，當發生極端暴雨事件時，下游雨水口對徑流截流效果較差，易于道路下游發生洪澇災害，適當的道路縱坡有助于雨水口排水。

3 結論

基于CFD構建了連續道路上多雨水口數值模型，可以復現降雨過程中路面徑流在流動過程中被上下游雨水口共同截流過程，反映雨水口真實截流狀態，對合理設計雨水口布設間距與數量有較大指導意義，主要結論如下：

1）模擬結果顯示，入流量＞120.00 L/s時，路面徑流寬度布滿整個道路路面，徑流再向下游傳遞時，積水深度增加較快從而造成路面積水影響行車安全且當路面徑流寬度增加時，雨水口截流效率降低；

2）當入流量＜120.00 L/s時，雨水口2～4的箅前水深差異在5 mm以內；入流量＞120.00 L/s時，徑流水面寬度擴增至整個路面，雨水口2～4箅前水深隨流量增加而逐漸增加，有形成內澇趨勢；

3）路面徑流向下游傳遞過程中，下游雨水口與上游雨水口截流量與截流效率差異逐漸減小，截流量與截流效率趨于飽和；在道路雨水口設計時，對雨水口的布設間距等應考慮縱坡的影響，縱坡過小（SL=0.3%）與縱坡過大都不適宜，此時應當根據排水需要適當增加雨水口數量。

參考文獻：

[1]張建云， 王銀堂， 賀瑞敏， 等. 中國城市洪澇問題及成因分析[J]．水科學進展， 2016，27（4）：485-491.

[2]于? ? 淼. 基于海綿城市理論城市道路設計研究[J]. 天津建設科技， 2019，29（5）：69-72.

[3]李? ? 鵬. 基于雨水模型模擬的海綿城市建設效果分析[J]. 天津建設科技， 2019，29（5）：35-38.

[4]陳? ? 倩，夏軍強，董柏良.城市洪澇中雨水口泄流能力的試驗研究[J]. 水科學進展，2020，31（1）：10-17.

[5]朱呈浩，夏軍強，周美蓉，等.雨水口泄流計算對城市洪澇模擬結果影響研究[J].水力發電學報，2019，38（8）：75-86.

[6]Lopes P， Carvalho R F， Leandro J. Numerical and experimental study of the fundamental flow characteristics of a 3D gully box under drainage[J]. Water Science & Technology， 2017， 75（9）： 2204.

[7]Mustaffa Z， Rajaratnam N， Zhu D Z. An experimental study of flow into orifices and grating inlets on streets[J]. Canadian Journal of Civil Engineering， 2006，33（7）： 837-845.

[8]Russo B， Gomez M. Methodology to estimate hydraulic efficiency of drain inlets[J]. Water Management， 2011， 164（2）：81-90.

[9]Kemper S， Schlenkhoff A. Experimental study on the hydraulic capacity of grate inlets with supercritical surface flow conditions[J]. Water Science & Technology， 2019，79（9）：1717-1721.

[10]安智敏，岑國平，吳彰春.雨水口泄水量的試驗研究[J].中國給水排水，1995，11（1）：21-24+27.

[11]Gomez M， Recasens J， Russo B， et al. Assessment of inlet efficiency through a 3D simulation： numerical and experimental comparison[J]. Water Science & Technology，2016，74（8）：1926-1935.

[12]陳國芬，郭? ? 帥，段園煜.海綿城市道路雨水口截流率研究[J].中國給水排水，2019，35（11）：135-138.

[13]Nicklow J W， Hellman A P. Optimal design of storm water inlets for highway drainage[J]. Journal of Hydroinformatics， 2004，6（4）：245-257.

[14]王紀軍. 關于城鎮道路雨水口布置間距、數量設計計算的探討[J]. 城市道橋與防洪， 2019，（11）：81-85+89.

[15]郭? ? 帥，曾云輝，陳國芬，等.城市道路雨水口截流效率數值模擬研究[J]. 水利水電技術，2020，51（10）：28-34.