雨水口箅子的孔口流量系數(shù)試驗(yàn)研究

吳　鵬，楊　敏，何京蓮，李　衛(wèi)

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

?

雨水口箅子的孔口流量系數(shù)試驗(yàn)研究

吳鵬，楊敏，何京蓮，李衛(wèi)

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

摘要：孔口流量系數(shù)大小對(duì)雨水口箅子的泄流能力具有重要影響。對(duì)等格條間距和等格條厚度的矩形斷面橫條箅子和圓形斷面橫格條箅子的孔口流量系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明雨水口箅寬方向截留縱坡向來(lái)水時(shí)，隨來(lái)水量增大，矩形斷面格條箅子的流量系數(shù)呈略減小趨勢(shì)，其流量系數(shù)比圓形斷面格條箅子穩(wěn)定；雨水口泄流箅上深度積水時(shí)，矩形斷面格條箅子的流量系數(shù)明顯小于圓形斷面格條箅子。該結(jié)果可對(duì)雨水口箅子的選用和雨水口的設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：格條；流量系數(shù)；縱坡向來(lái)水；積水

雨水口作為城市雨水排水系統(tǒng)的重要組成部分，具有收集地面徑流并泄流至排水管渠的功能。文獻(xiàn)[1]研究了雨水口型式和規(guī)格以及道路因素對(duì)雨水口泄流能力的影響。文獻(xiàn)[2-3]研究了箅子格條布置形式對(duì)雨水口泄流能力的影響。但對(duì)于箅子孔口流量系數(shù)方面的研究很少有報(bào)道。在雨水口設(shè)計(jì)中，平箅式雨水口箅子的泄流量大多根據(jù)箅上允許積水深度，采用孔口流量公式計(jì)算得出[4-6]?？卓诹髁肯禂?shù)大小可反映箅子的泄流能力，其取值也直接影響了雨水口泄流量計(jì)算的精準(zhǔn)度。目前，孔口流量系數(shù)取值一般為圓角孔0.8，方角孔0.6[5-7]。實(shí)際上箅子的孔口流量系數(shù)因孔口形狀、孔口邊緣情況、孔口間距、長(zhǎng)徑比和水流條件等不同而取值不同[5-11]。因此，本文采用物理模型試驗(yàn)方法，對(duì)格條斷面形狀分別為矩形和圓形的兩種常見(jiàn)橫格條雨水口箅子在不同的水力條件下截留縱坡向來(lái)水和箅上深度積水工況下箅子孔口泄流進(jìn)行了試驗(yàn)，并分析了其流量系數(shù)變化特征，可為今后雨水口箅子選用以及雨水口設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，水流由渠道(平面圖中矩形堰左側(cè)的所有部分)下面的循環(huán)水箱經(jīng)水泵提升至矩形堰內(nèi)，并由電磁流量計(jì)記錄經(jīng)閘閥調(diào)節(jié)后的試驗(yàn)流量。矩形堰內(nèi)水流溢流進(jìn)入梯形渠道，由導(dǎo)流板匯流進(jìn)入雨水口泄流，渠底縱坡坡度為4.21%，導(dǎo)流板與渠底接觸處用玻璃膠密封。矩形堰為鋼板制成，渠道及導(dǎo)流板采用PVC板。圖1中導(dǎo)流角度α可通過(guò)3塊不同長(zhǎng)度的導(dǎo)流板來(lái)調(diào)節(jié)，導(dǎo)流板編號(hào)為1#、2#和3#，其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度分別為1.27 m、1.88 m和2.58 m，高為18 cm。

圖1試驗(yàn)設(shè)備平面示意圖

試驗(yàn)雨水口箅子為木制的橫格條箅子，根據(jù)格條的斷面形狀將箅子分為矩形斷面格條箅子和圓形斷面格條箅子，分別記為J型箅子和Y型箅子。試驗(yàn)箅子規(guī)格為小型雨水口箅子原型L×B=50 cm×30 cm，其中矩形斷面格條寬1.2 cm，高3.0 cm；圓形斷面格條直徑為1.2 cm；格條間距都為2.8 cm，見(jiàn)圖2。

圖2試驗(yàn)箅子平剖面圖

1.2試驗(yàn)方法

邊溝平箅式雨水口泄流路面徑流時(shí)，主要為雨水口箅寬度方向截留縱坡向來(lái)水[12-13]。因此，模擬試驗(yàn)只有箅寬方向的縱坡向來(lái)水下的箅子泄流孔口流量系數(shù)。分別在3塊導(dǎo)流板導(dǎo)流的水力工況下，雨水口截留上游來(lái)水量。雨水口箅子頂面與雨水口周邊渠底表面平齊，水流入箅流向垂直于格條，越過(guò)箅子的水流由溢流孔排出。來(lái)水流量若太小，不利于準(zhǔn)確計(jì)算箅子過(guò)流面積，經(jīng)試驗(yàn)調(diào)試及綜合考慮小型雨水口的泄流量，選擇試驗(yàn)流量為0.005 m3/s～0.012 m3/s。測(cè)定各試驗(yàn)工況下水流入箅斷面箅寬中點(diǎn)前約2 cm處的水深作為入箅水深，并近距離拍攝箅子泄流時(shí)的箅上水流分布。

市政道路在暴雨季節(jié)易出現(xiàn)積水現(xiàn)象，最深可達(dá)30 cm[14]。因此，還模擬試驗(yàn)了雨水口箅子處于深度積水下的泄流工況，取下試驗(yàn)設(shè)備中的導(dǎo)流板，在溢流孔前安裝一擋板，擋板與渠底接觸處用玻璃膠密封，見(jiàn)圖1。由于箅子表面形成深度積水時(shí)所需來(lái)水量較大，考慮到設(shè)備中提升泵流量的限制，將箅子的有效過(guò)流孔口面積設(shè)置為2.8 cm×10 cm×3。箅子安裝示意圖見(jiàn)圖3，在原雨水口處安裝一鋁合金制槽，槽底距雨水口周邊渠底表面深10 cm，槽底幾乎全開(kāi)口，箅子置于槽底，另將一中心開(kāi)口(12 cm×10 cm)的薄泡沫板置于箅子上。

圖3泄流深度積水試驗(yàn)箅子安裝示意圖

2　數(shù)據(jù)分析

平箅式雨水口的孔口流量系數(shù)直接根據(jù)孔口出流公式可以得出[5，15-16]：

(1)

式中：μ為孔口流量系數(shù)；Q為泄水流量(m3/s)；A為實(shí)際過(guò)流孔口面積(m2)；h為箅上水頭(m)。

對(duì)于邊溝式平箅雨水口截留上游縱坡向來(lái)水時(shí)，箅上水流水面線(xiàn)彎曲，水頭變化復(fù)雜。箅上水流水頭變化與入箅流量、入箅水頭及箅子格條因素等有關(guān)，其中流量系數(shù)主要由箅子格條因素決定。因此，雨水口截留縱坡向來(lái)水時(shí)，忽略箅上水流水頭變化，以入箅水頭計(jì)算出的流量系數(shù)，仍可反映箅子的泄流能力。流量系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：P為箅子孔隙率；Aw為實(shí)際過(guò)流面積(m2)；h0為入箅水頭(m)；其余符號(hào)同前。

水流在箅子表面實(shí)際過(guò)流面積采用AutoCAD2008軟件先求出箅子泄流照片中的實(shí)際過(guò)流面積，再按比例換算求得。

3　結(jié)果與討論

3.1雨水口截留縱坡向來(lái)水

圖4入箅水流平均流速

圖5入箅水流平均弗勞德數(shù)

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中箅上無(wú)超越水流漫過(guò)箅子，除梯形渠道出口處有極少量水流繞雨水口邊緣未被雨水口收集泄流外，雨水口截留全部縱坡向來(lái)水量。箅子的有效泄流長(zhǎng)度為(0.3～0.8)L；水流進(jìn)入箅子格條孔隙泄流后，箅上水流水面線(xiàn)呈弧線(xiàn)狀降低，隨水流量增大后，水流末端呈白色破碎狀，水流表面上揚(yáng)，最后至格條間隙泄出，箅上分布的過(guò)流水流呈不規(guī)則形狀。試驗(yàn)中箅子實(shí)際過(guò)流的有效孔隙率采用箅子的平均孔隙率58.24%，根據(jù)式(2)計(jì)算出雨水口箅寬度方向截留縱坡向來(lái)水下的孔口流量系數(shù)見(jiàn)圖6。由圖4～圖6可以看出，孔口流量系數(shù)變化與入流斷面的平均流速和平均弗勞德數(shù)無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。整體上箅子流量系數(shù)分布范圍較集中，可見(jiàn)雨水口箅寬向截留縱坡向來(lái)水時(shí)，仍可采用孔口出流公式(式(2))較精準(zhǔn)的計(jì)算出雨水口泄流量。圖6顯示：(1)隨來(lái)水量增大，J型箅子的流量系數(shù)整體上呈略減小趨勢(shì)。究其原因是較大水流量在具有直角邊的矩形斷面格條上產(chǎn)生劇烈紊動(dòng)作用，增大了孔隙的泄流阻力。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為箅上水流末端存在較長(zhǎng)段白色破碎狀水流；(2)J型箅子的流量系數(shù)變化幅度小于Y型箅子，這可能是由于J型箅子格條對(duì)水流阻力較大，受水流條件的影響比J型箅子更小。其中，J型箅子和Y型箅子的試驗(yàn)流量系數(shù)分布范圍分別為0.1871～0.2670和0.2120～0.3023，二者的平均流量系數(shù)分別為0.2224和0.2506；(3)箅上水流具有縱向水平流速水頭的作用下，J型箅子流量系數(shù)整體與Y型箅子相差不大，后者略高于前者。

圖6雨水口截留縱坡向來(lái)水時(shí)的流量系數(shù)變化

3.2雨水口泄流箅上深度積水

雨水口箅子處于深度積水時(shí)的最大泄流能力下的孔口流量系數(shù)試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)閘閥增大渠道來(lái)水量，箅上形成的積水深度逐漸增加，泡沫板開(kāi)孔處的水面一直出現(xiàn)漩渦。不斷增大水流量，雨水口處積水深度約18 cm(箅上水深25 cm)時(shí)水面幾乎無(wú)明顯漩渦、水面平穩(wěn)。保持該水位持續(xù)時(shí)間約5 min的恒定來(lái)水流量認(rèn)為是箅子接近于理想恒定孔口出流工況下的泄流量，根據(jù)式(1)計(jì)算出兩箅子6次試驗(yàn)下的孔口流量系數(shù)如圖7。結(jié)果表明，雨水口箅子處于深度積水泄流時(shí)J型箅子的孔口流量系數(shù)明顯小于Y型箅子，流量系數(shù)平均值分別為0.8641和0.9497。其原因是由于矩形斷面格條孔口較厚且表面為棱狀，對(duì)水流的阻力作用大于表面光滑的圓柱格條，此外由于箅上水頭較大，無(wú)縱向水平流速水頭作用，兩類(lèi)箅子格條的泄流阻力差別更明顯。試驗(yàn)過(guò)程中泡沫板與槽壁四周存在少量漏水，因此，箅子孔口的實(shí)際流量系數(shù)略低于該實(shí)驗(yàn)值。

綜合兩種泄流工況分析可見(jiàn)，雨水口箅寬方向截留縱坡向來(lái)水下的流量系數(shù)遠(yuǎn)小于泄流箅上深度積水時(shí)的流量系數(shù)。J型箅子和Y型箅子箅寬方向截留縱坡向來(lái)水時(shí)的流量系數(shù)分別為其深度積水泄流時(shí)流量系數(shù)的21.61%～30.89%和22.33%～31.83%，平均值分別為25.74%和26.38%。

圖7孔口流量系數(shù)

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種常用類(lèi)型橫格條箅子截留縱坡向來(lái)水和泄流箅上深度積水兩種工況下的流量系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，可以得到：雨水口箅寬方向截留縱坡向來(lái)水時(shí)，J型箅子流量系數(shù)隨來(lái)水量增大呈略減小趨勢(shì)，其流量系數(shù)比Y型箅子略小；但Y型箅子由于受水流條件影響較大，系數(shù)值變化幅度也較大。兩種斷面形狀(矩形和圓形)的橫格條箅子截留縱坡向來(lái)水時(shí)的流量系數(shù)整體相差不大，而泄流箅上深度積水時(shí)的孔口流量系數(shù)差異較明顯，J型箅子的流量系數(shù)明顯小于Y型箅子。

實(shí)際工程中選用箅子應(yīng)綜合考慮箅子泄流能力、荷載承受力以及材質(zhì)加工等因素。由于J型箅子比Y型箅子具有更大的荷載承受能力，以及對(duì)地面雜物具有更高截留能力，致使雜物不易進(jìn)入雨水口底部，阻塞排水管道。因此，J型箅子更為常用。此外，采用孔口出流公式計(jì)算雨水口的泄流量時(shí)，兩種泄流工況下的箅子孔口流量系數(shù)不宜取相同值，兩類(lèi)試驗(yàn)箅子箅寬方向截留縱坡向來(lái)水時(shí)的孔口流量系數(shù)平均為泄流箅上深度積水工況下流量系數(shù)的25%左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]安智敏，岑國(guó)平.雨水口泄水量的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)給水排水，1995，11(1):21-24.

[2]趙江，張林洪，吳培關(guān)，等.公路雨水口篦子泄水量試驗(yàn)研究[J].中南公路工程，2004，29(2):13-16.

[3]胡維芬.城市道路排水設(shè)施水力特性研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[4]姚飛駿.雨水口的流量計(jì)算方法探討[J].中國(guó)給水排水，2013，29(14):45-48.

[5]高婷.城市道路雨水口設(shè)計(jì)分析[J].中國(guó)給水排水，2006，22(12)：55-58.

[6]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5冊(cè) 城鎮(zhèn)排水)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[7]屠人俊.雨水口進(jìn)水量的計(jì)算[J].中國(guó)給水排水，1985，6(4):31-35.

[8]李建雄，胡君杰，呂宏興.梯形渠道跌水口流量系數(shù)試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2008，39(20):65-67.

[9]翼宏，張繼環(huán)，王東升，等.滑閥矩形節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,36(3)：75-77.

[10]王法猛，張忠良.平面弧形雙開(kāi)閘門(mén)流量系數(shù)影響因素分析[J].水電能源科學(xué)，2012，30(9)：136-137.

[11]張效偉，朱惠人，張霞，等.小尺度孔的流量系數(shù)試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25(11)：2479-2485.

[12]廖足良.雨水口設(shè)備諸問(wèn)題淺析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，16(4):96-100.

[13]李樹(shù)平.城市路面排水設(shè)計(jì)計(jì)算[J].城市道橋與防洪，2009，(1)：31-34.

[14]張慶軍.城市道路雨水進(jìn)水口的形式及布設(shè)[J].城市道橋與防洪，2003，(6):33-34.

[15]柯葵，朱立明，李嶸.水力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000.

[16]劉華，梁川，莫政宇，等.低流速孔板流量系數(shù)的分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27(3):105-109.

ExperimentonDischargeCoefficientsforOrificesofGutterGrates

WU Peng,YANG Min,HE Jing-lian,LI Wei

(FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan611756,China)

Abstract：Discharge coefficient for orifices has an important influence on the discharge capacity of gutter grates.Experiments were conducted to research discharge coefficients for two kinds of gutter grates.The horizontal lattice bars in both gutter grates were designed with equal distance and equal thickness,of which one was rectangular cross section,and the other was circular section.The experiment result showed that when the flow was intercepted by rain grating along the width of grating,the discharge coefficient of rectangular lattice bar grate slightly decreased with the increase of water inlet along longitudinal slope.And its coefficient was more stable than that of the circular section lattice bar grate.Besides,discharge coefficient of the former was markedly smaller than that of the latter when there was a large amount of seeper to discharge.The results can provide reference for the selection of gutter grates and the design calculation of the orifices of the grates.

Keywords：lattice bars;discharge coefficients;inlet along longitudinal slope;seeper

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TV132+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0065—04

作者簡(jiǎn)介：吳鵬(1989—)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境水力學(xué)和水污染控制。

收稿日期：2014-08-20修稿日期：2014-10-08