集裝箱堆場排水溝的優(yōu)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(fā)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(yōu)點。但是，排水溝的水力計算相對復雜，工程設計中常按經(jīng)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(tǒng)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(tài)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(xiàn)行排水設計規(guī)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(yōu)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(jīng)濟有效。

1 水力計算模型

1.1 堆場降雨量計算模型

根據(jù)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?shù)卦O計暴雨強度；

ψ為堆場的地面徑流系數(shù)；

F為設計的匯流面積。

根據(jù)堆場鋪面形式可以計算出相應的徑流系數(shù)；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(jù)下式計算：

式中：

P為設計重現(xiàn)期；

t為降雨歷時；

A1、b、C、n為統(tǒng)計參數(shù)。

設計重現(xiàn)期根據(jù)堆場用途、規(guī)模及重要性確定，集裝箱堆場為 1～2 a；而統(tǒng)計參數(shù)可以通過查詢設計手冊或者咨詢當?shù)貧庀蟛块T獲得。降雨歷時則根據(jù)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(jù)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(jù)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(tài)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(shù)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(yōu)化思路

而排水溝的優(yōu)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(yōu)的設計尺寸。

在設計和優(yōu)化過程中應注意：

1）排水溝的流速應滿足室外排水規(guī)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(yè)。

2 工程實例

某港自動化集裝箱碼頭，其堆箱區(qū)內采用鋼筋混凝土箱角梁加級配碎石鋪面，堆箱區(qū)間為聯(lián)鎖塊鋪面，軌道梁為整體道床。軌道梁長 429 m、寬1.4 m，箱區(qū)寬25.7 m，箱區(qū)間平均寬度4.5 m。其中，軌道梁和箱角梁的徑流系數(shù)為 0.9，聯(lián)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(shù)為0.511。堆場的設計重現(xiàn)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(qū)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(yōu)方案。規(guī)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(yōu)化比選

將本例中的各項參數(shù)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(tǒng)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(guī)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(jīng)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(yōu)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(tǒng)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(yōu)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(jīng)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(qū)。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(jù)本文使用的水力模型可知，要減小排水系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)的設計規(guī)模，平面和道堆等相關專業(yè)應在設計實踐中引起重視。