城市道路雨水口泄流的水力特性分析

馮杭華，郭 帥，王秋萍，陳國芬，馬文瀅

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

全球城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)張和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展逐漸改變了自然的水文循環(huán)和全球氣候，“城市看?！钡葮O端天氣越來越頻繁，城市排澇防洪能力正經(jīng)歷著巨大的挑戰(zhàn)[1-3]。城市快速擴(kuò)張和發(fā)展導(dǎo)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(zhèn)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(xiàn)象加重了道路積水問題，從而加劇城市內(nèi)澇災(zāi)害[5]，并造成行車安全隱患[6-7]。雨水口作為市政排水系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是地面徑流進(jìn)入市政排水系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(guān)，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(dǎo)設(shè)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(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、舊城雨水排水系統(tǒng)的改造、海綿城市的建設(shè)等提供參照。

1 雨水口的構(gòu)造及泄流過程

1.1 雨水口的構(gòu)造

雨水口由進(jìn)水篦(雨水口篦蓋)、井筒、連接管組成，一般設(shè)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(jìn)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(lián)合式，其中，偏溝式、立孔式和聯(lián)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(jìn)水篦子靠路緣石放置，平鋪在道路上，除靠近路緣石一側(cè)，其余側(cè)設(shè)置適當(dāng)?shù)膮R水坡度，使進(jìn)水篦子略低于道路表面高程，利于徑流進(jìn)入雨水口。道路徑流主要從進(jìn)水篦子的上游和不靠近路緣石的側(cè)邊匯入雨水口。

1.1.2 立式雨水口

立式雨水口的進(jìn)水口設(shè)在路緣石上，其示意圖見圖1(b)，雨水口的進(jìn)水口底部明顯低于道路表面，部分立式雨水口的進(jìn)水口設(shè)置格柵，以防雜物進(jìn)入雨水口導(dǎo)致堵塞。立孔式雨水口進(jìn)水孔的開孔方向與徑流流向垂直，且徑流只能從一邊進(jìn)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(jié)構(gòu)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(lián)合式雨水口

聯(lián)合式雨水口的進(jìn)水口是偏溝式雨水口和立式雨水口進(jìn)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(lián)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(jìn)入路面的徑流以及路段內(nèi)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(jìn)入?yún)R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(cè)邊流向雨水口，可分成前端流QF和側(cè)邊流QS，當(dāng)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(cè)進(jìn)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(dāng)總徑流量較小或徑流流速方向偏轉(zhuǎn)角度較小時，立孔式雨水口的泄流量?。划?dāng)總徑流量大時，立孔邊緣的水深較高，進(jìn)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(jìn)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(dá)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(shè)計

市政排水設(shè)計相關(guān)規(guī)范中對雨水口設(shè)計的描述較少，規(guī)定較寬泛。如《室外排水設(shè)計規(guī)范GB50014-2006》中對雨水口設(shè)計的規(guī)定有：“雨水口的型式、數(shù)量和布置，應(yīng)按匯水面積所產(chǎn)生的流量、雨水口的泄流能力和道路形式確定?！薄坝晁陂g距宜為25～50 m。”“道路橫坡坡度不應(yīng)小于1.5%，平篦式雨水口的篦面標(biāo)高應(yīng)比周圍路面標(biāo)高低3～ 5 cm?！薄爱?dāng)?shù)缆房v坡大于0.02時，雨水口的間距可大于50 m?！盵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(qiáng)度公式也在更新，但規(guī)范中對雨水口布置的規(guī)定卻幾乎沒有改變，這也是導(dǎo)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(guān)，而且受道路坡度以及路面粗糙程度影響[10-11]?！队晁?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(biāo)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(guān)鍵影響因素間的相關(guān)關(guān)系，不能給工程設(shè)計提供精確的指導(dǎo)。

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(dāng)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(jù)明渠均勻流的謝才公式和曼寧公式，利用圖中所示幾何關(guān)系，得出各參數(shù)間的定量關(guān)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(shù)。

(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(yīng)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(tài)在雨水口附近及其下游會發(fā)生劇烈的變化，徑流寬度與沿程水深的變化規(guī)律需通過試驗進(jìn)行測量。徑流量Qa可根據(jù)匯流面積、徑流系數(shù)與當(dāng)?shù)卦O(shè)計暴雨強(qiáng)度公式，采用式(3)進(jìn)行設(shè)計計算

Qa=ΨqF.

(3)

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

2.3 雨水口實際泄流量公式推導(dǎo)

將式(2)改寫為水深h的函數(shù)，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(jù)孔口出流公式進(jìn)行計算

(5)

式中：Co為孔口出流系數(shù)；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(shù)。

從式(6)可以看出，雨水口的泄流量與雨水口進(jìn)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(guān)。且泄流量隨進(jìn)水篦子開孔面積、路面徑流量、路面粗糙系數(shù)、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(shè)計來說，應(yīng)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(jìn)行雨水口布置，可以用式(6)進(jìn)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(lián)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(biāo)型偏溝式雨水口進(jìn)行泄流能力試驗，該雨水口平面結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)縱、橫坡度，設(shè)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(diào)節(jié)的徑流，待測試雨水口設(shè)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(jìn)行，并在路面徑流穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(cè)，使徑流面寬度發(fā)生明顯地減小，但在下游段徑流寬度較穩(wěn)定。由圖7可看出徑流深度自徑流進(jìn)入模擬道路先發(fā)生劇烈的波動，然后在下游逐漸趨于穩(wěn)定，在7～10 m之間水深幾乎達(dá)到恒定值?？v坡坡度為3%、橫坡坡度為1.5%時觀察到相同現(xiàn)象。由以上分析可知，實驗過程中，徑流在雨水口上游都達(dá)到均勻流態(tài)。

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(biāo)型雨水篦子的C值Cn，發(fā)現(xiàn)Cn與Qa相關(guān)，且兩種實驗坡度組合中Cn的差值在4%以內(nèi)。相同徑流量下，取兩種坡度下Cn的均值，擬合其與Qa的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果見圖8，表達(dá)式為式(7)，則國標(biāo)型偏溝式雨水口的E可用式(8)計算。為校驗式(8)的準(zhǔn)確性，在SL=4%、SC=1.5%條件下進(jìn)行試驗驗證，其結(jié)果見圖9。預(yù)測值與實測值相對誤差在4%以內(nèi)，說明式(8)能較準(zhǔn)確地預(yù)測國標(biāo)型雨水篦子泄流量。

(7)

(8)

圖8 Cn與Qa的關(guān)系

圖9 式(8)校核(SL=4%, SC=1.5%)

3 結(jié) 論

1)雨水口的泄流效果可以用雨水口泄流量評估。

2)雨水口泄流時，上游徑流的橫斷面為三角形，作水力分析時，應(yīng)當(dāng)用橫斷面為三角形的明渠流理論對其進(jìn)行分析。

3)雨水口泄流量可以用曼寧公式、謝才公式以及孔口出流公式推導(dǎo)出理論計算公式，泄流量與雨水口進(jìn)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(guān)。

4)對道路雨水口進(jìn)行工程設(shè)計時，應(yīng)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。