淺析城市道路雨水口設(shè)計(jì)理論計(jì)算

張鵬飛

(廊坊臨空商業(yè)運(yùn)營管理有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

雨水口是在雨水管渠或合流管渠上收集雨水的構(gòu)筑物，一般布置于道路的車行道上，降水時(shí)路面上的雨水必須首先經(jīng)過雨水口進(jìn)行匯集，通過雨水口連接管流入排水管渠系統(tǒng)。科學(xué)合理地設(shè)計(jì)雨水口的數(shù)量和間距布置是城市道路排水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，在《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中雨水口設(shè)置有相應(yīng)的規(guī)定，即雨水口間距宜為25m～50m，但是不同地區(qū)降雨強(qiáng)度不同，產(chǎn)生的降雨量會不同，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)地區(qū)匯水面積上所產(chǎn)生的雨水量對雨水口布置進(jìn)行計(jì)算。本文主要對降水形成地面徑流至雨水口收集段進(jìn)行理論計(jì)算，對雨水口的流量、布置間距等進(jìn)行分析。

1 雨水口流量設(shè)計(jì)理論計(jì)算

1.1 道路雨水匯水流量計(jì)算

在降水時(shí)可以看作是道路路面上的雨水形成地表徑流，匯流入道路雨水口內(nèi)，假定在道路的匯水面積上降雨在時(shí)空上是均勻分布的，則可采用推理公式法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量［1］，雨水設(shè)計(jì)流量公式如下：

式中:Qs—雨水設(shè)計(jì)流量（L/s）；

q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/（s·ha））；

ψ—徑流系數(shù)；

F—匯水面積（ha）。

廊坊市暴雨強(qiáng)度公式為：

式中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/（s·ha））；

P—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（a）；

t—降雨歷時(shí)，t=t1+t2（min）；

t1—地面集水時(shí)間（min），應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類計(jì)算確定，一般采用5min～15min；

t2—管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間（min）。

1.2 道路雨水口明渠流計(jì)算

邊界部分為固體、部分為大氣，具有自由表面的液體運(yùn)動稱為無壓流或明渠流，道路上的水體流動為無壓流，可簡單將道路水體流量看成為明渠均勻流［2］，如圖1所示。

圖1 假定明渠均勻流

在明渠均勻流狀態(tài)下，流量計(jì)算公式為：

x=b+l+h

A—過水?dāng)嗝婷娣e（㎡）；

C—謝齊系數(shù)；

J—水力坡度；

R—水力半徑（m）；

h—雨水篦子上水深（m）；

n—粗糙系數(shù)；

x—濕周（m）。

1.3 雨水口流量計(jì)算

降水時(shí)雨水口收水是一個(gè)水量逐步增大的過程，雨水首先由雨水箅子邊緣流入到雨水口內(nèi)，隨著雨量增大箅子逐漸被雨水淹沒，水流直接從箅子孔隙進(jìn)水，此時(shí)雨水箅子是最大流量狀態(tài)，根據(jù)雨水箅子孔隙厚度與箅子上水深的比值關(guān)系，可知雨水箅子被雨水完全淹沒時(shí)為薄壁大孔口自由出流［3］，流量公式為：

式中：μ—孔口的流量系數(shù)，約為0.7～0.85；

As—雨水口過水箅子面積（㎡）。

2 雨水口布置間距計(jì)算

2.1 雨水口規(guī)范間距要求

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）規(guī)定雨水口間距宜為25m～50m，規(guī)范中只給出參考范圍值，若雨水口間距取規(guī)范較小值時(shí)，雖能保障收水效果，但雨水口數(shù)量過多會增加投資，若雨水口間距取較大值時(shí)，可能會造成間距過大不能滿足路面收水需求，下面結(jié)合廊坊市暴雨強(qiáng)度公式，合理確定雨水口的間距。

2.2 雨水口布置間距計(jì)算

當(dāng)雨水口流量Q1經(jīng)過折減計(jì)算數(shù)值與道路匯水流量Qs數(shù)值相等時(shí)［4］，可由此情況推算雨水口布置間距L：

式中：L—雨水口布置間距（m）；

k—折減系數(shù)，0.7；

B—道路車行道寬度（m）。

2.3 實(shí)例分析

以廊坊市常見40m 紅線道路斷面形式為例，道路機(jī)動車道寬11.5m，機(jī)非分隔帶寬2.0m，非機(jī)動車道寬3.0m，道路兩側(cè)人行便道寬3.0m，道路橫坡1.5%，道路縱坡1‰，道路橫斷面見圖2。

圖2 道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

道路機(jī)動車道和非機(jī)動車道徑流系數(shù)取0.9，分隔帶取0.2，人行便道取0.65，加權(quán)平均計(jì)算得ψ=0.79。

在雨水口間距布置時(shí)，首選需假定雨水口間距，根據(jù)路面的匯水流量與雨水口明渠流推算出雨水箅子上的水深h，由雨水箅子上的水深h 可驗(yàn)算雨水口的實(shí)際泄水流量，從而得出雨水口泄水流量與雨水匯水流量關(guān)系，驗(yàn)證假定雨水口間距是否合理，具體計(jì)算步驟如下。

①假設(shè)雨水口間距為31m，計(jì)算道路雨水匯水流量得Qs。

根據(jù)廊坊市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算得到q=429（L/s·ha），將以上數(shù)據(jù)帶入道路雨水匯水流量公式（1），道路雨水匯水流量Qs為31.1L/s，半幅路匯水流量為15.55L/s。

②假設(shè)道路匯水面積上的雨水流量全部流入雨水口內(nèi)，則道路雨水匯水流量Qs數(shù)值與道路雨水明渠流量Q數(shù)值相等，可推算出雨水口箅子上水深h，由其校核出雨水口箅子流量能否滿足道路匯水面積上的雨水流量需求。將道路雨水匯水流量15.55 L/s代入公式（2），計(jì)算得雨水箅子上水深h為0.11m。

③將雨水箅子上水深h為0.11m代入公式（3），計(jì)算得雨水口的泄水量為23.77L/s，考慮降雨時(shí)一般雨水口會有樹葉等雜物遮擋，雨水口收水能力有一定的折減，折減系數(shù)取0.7，則雨水口實(shí)際泄水量為16.59 L/s。與道路匯水流量15.55L/s 比較，雨水口泄水量可滿足收水需求。

④根據(jù)雨水箅子泄水流量計(jì)算雨水口的布置間距，進(jìn)而驗(yàn)證假定的雨水口間距是否合理，由公式（4）驗(yàn)證得不同車行道寬度條件下，雨水口的間距布置，如表1所示。

表1

由表1可以看出，在正常設(shè)計(jì)參數(shù)情況下，橫斷面40m 的道路單箅雨水口合理距離在33m 左右，若雨水箅子采用雙箅形式，則雨水口設(shè)置間距還可適當(dāng)增大。

3 小結(jié)

雨水口是城市道路路面排水系統(tǒng)中常用的構(gòu)筑物，一般分布在道路車行道上，路面雨水首先經(jīng)過雨水口收集后進(jìn)入雨水管道系統(tǒng)，排放至河渠內(nèi)，形成一個(gè)完整的收水排放過程?？茖W(xué)合理地布置雨水口間距是城市道路排水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（1）雨水口的布置距離計(jì)算要結(jié)合道路橫斷面的具體形式，一塊板或三塊板道路橫斷面形式下雨水口的數(shù)量會有差別，一般一塊板斷面單位斷面條件下為2個(gè)雨水口，三塊板斷面單位斷面條件下為4個(gè)雨水口。

（2）雨水箅子的形式不同及雨水箅子采用的公式不同，計(jì)算出的雨水口最大過流量會有所不同。

（3）將雨水口收水流態(tài)看作明渠均勻流為基礎(chǔ)進(jìn)行理論計(jì)算，從而提出道路雨水匯水流量、雨水口明渠流及雨水口最大過流量三者之間的數(shù)值關(guān)系。

雨水口收集雨水超過自身收水能力時(shí)存在超流雨水流量及在雨水口邊緣側(cè)向通過的流量計(jì)算等情況，這兩種情況是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過程，需通過一些模型等模擬流態(tài)進(jìn)行分析方能做出有效的判斷，本文僅對雨水簡單流態(tài)下做了一些理論分析，希望對其他項(xiàng)目研究有一定參考作用。