連續(xù)道路上多雨水口徑流特性數(shù)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(qiáng)度與縱坡下道路雨水口對(duì)路面徑流的節(jié)流效果，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件CFX對(duì)連續(xù)道路上多個(gè)雨水口進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析當(dāng)上下游雨水口等距（20 m）時(shí)不同流量和坡度下截流能力變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：當(dāng)入流量為120.00 L/s時(shí)，積水基本布滿整個(gè)路面，有初期洪澇趨勢(shì)；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(shì)；當(dāng)縱坡為0.3%和4%時(shí)，距道路起始端遠(yuǎn)的雨水口受徑流寬度及流速影響截流效率最低且縱坡對(duì)下游雨水口截流效率影響比上游雨水口大，故雨水口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮道路縱坡的影響。

【關(guān)鍵詞】： 城市道路；排水系統(tǒng)；雨水口；截流效率；數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】：TU992【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：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(fā)的城市內(nèi)澇問題凸顯了市政排水管網(wǎng)的關(guān)鍵作用；雨水口作為地表-地下排水系統(tǒng)的連接點(diǎn)，對(duì)路面徑流的截流效果直接影響地下排水系統(tǒng)的效率[1～3]。研究連續(xù)道路上雨水口對(duì)降雨過程中路面徑流截流機(jī)制，可以彌補(bǔ)國內(nèi)關(guān)于雨水口在實(shí)際降雨過程中工作機(jī)理研究領(lǐng)域的空缺，對(duì)指導(dǎo)城市排水防澇工作具有非常重要的意義[4～6]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要通過雨水口模型試驗(yàn)研究入流特性、雨水口樣式、布設(shè)方式及雨水口柵條排布等因素對(duì)雨水口截流特性的影響：Mustaffa Z等[7]對(duì)3種常見不同結(jié)構(gòu)的雨水口開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合式雨水口截流效果最好；Russo B等[8]對(duì)不同形狀、柵條排布的雨水箅子進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雨水口尺寸及柵條開口角度對(duì)截流效率都有影響；Kemper S等[9]對(duì)6種不同雨水口開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(tài)下截流效率的計(jì)算公式；安智敏等[10]對(duì)不同雨水口截流能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)雨水口前沿進(jìn)水量是雨水口截流量的主要組成部分。為規(guī)避試驗(yàn)場(chǎng)地、物理試驗(yàn)裝置搭建費(fèi)用等因素的限制，國內(nèi)外對(duì)雨水口開展了數(shù)值模擬研究：Gomez M等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能很好復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)象，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較高的一致性且數(shù)值模擬有計(jì)算時(shí)間短、費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)；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(jié)果表明雨水口截流效率均未達(dá)到100%，但文章未針對(duì)不同的道路坡度工況等重要影響因素進(jìn)行研究。關(guān)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(xù)道路雨水口布設(shè)間距及雨水口形式等因素對(duì)水面寬度及雨水口水力特性的影響；王紀(jì)軍[14]基于理論計(jì)算分析，以水面寬度為控制指標(biāo)，來確定雨水口布置間距，但連續(xù)道路上雨水口截流規(guī)律仍處于理論分析階段，缺少實(shí)際的試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

綜上所述，雨水口截流的試驗(yàn)研究受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等因素的限制，具有一定局限性，無法完全反映實(shí)際降雨過程及洪澇災(zāi)害時(shí)雨水口截流情況；因此，本文在文獻(xiàn)[15]對(duì)單雨水口截流效率影響因素的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建連續(xù)道路-雨水口耦合3D數(shù)值模型，通過觀察多個(gè)等距布置的雨水口截流規(guī)律，研究道路縱坡、入流流量對(duì)上下游4個(gè)雨水口截流特性的影響，對(duì)比分析多個(gè)雨水口對(duì)路面積水寬度、積水深度及雨水口截流效率的影響。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 典型工況選取

CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）中規(guī)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(yīng)根據(jù)路段機(jī)動(dòng)車設(shè)計(jì)速度選取，當(dāng)?shù)缆吩O(shè)計(jì)車速為80 km/h時(shí)，最大道路設(shè)計(jì)縱坡為4%，但現(xiàn)實(shí)中大部分道路縱坡＜1%；因此，數(shù)值模型設(shè)計(jì)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(duì)國標(biāo)型雨水箅子共進(jìn)行48組試驗(yàn)，見表1。

1.2 計(jì)算域構(gòu)建

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件CFX17.0版。選取一段長(zhǎng)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(shè)一個(gè)雨水口，往后布設(shè)的雨水口間距為20 m，即第二個(gè)雨水口距離起始端30 m，共布設(shè)4個(gè)雨水口。見圖1。

采用設(shè)計(jì)圖集16S518《雨水口》中給出的標(biāo)準(zhǔn)型偏溝式雨水口，尺寸為0.75 m×0.45 m，箅子開孔率為國內(nèi)使用范圍最廣的54.2%。

1.3 網(wǎng)格參數(shù)及模型邊界設(shè)定

模型網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，針對(duì)模型道路不同位置采用了0.1、0.05、0.02 m3種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分并對(duì)雨水口網(wǎng)格單獨(dú)進(jìn)行加密，以滿足計(jì)算需要。

采用下底面作為流量入口，流量均勻分布于整個(gè)底面，以模擬實(shí)際降雨中路面產(chǎn)流過程。入口采用體積流量，雨水口及下游出口設(shè)置為自由出流，相對(duì)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(shí)空氣體積分?jǐn)?shù)為1，模擬降雨從開始至形成穩(wěn)定路面徑流的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)計(jì)算，迭代步數(shù)1 000～1 500步，采用k-ε湍流模型，其他設(shè)定均為系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定參數(shù)。

2 模擬結(jié)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(yàn)工況為例。降雨受道路坡度影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(duì)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(xù)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(chǎng)分布規(guī)律類似且當(dāng)流量增加時(shí)，雨水口3與雨水口4收水區(qū)域內(nèi)積水寬度已經(jīng)基本布滿整個(gè)路面，積水深度的增加有觸發(fā)內(nèi)澇的趨勢(shì)。

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(yàn)工況為例，當(dāng)?shù)缆房v坡分別取值0.3%～4%時(shí)，雨水口1～4位置處相應(yīng)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(duì)路面徑流起主要截流作用，此時(shí)雨水口1截流能力尚未達(dá)到最大；雨水口2收水區(qū)域面積相較雨水口1大，還需要承擔(dān)雨水口1未截流水量，故雨水口2入流量更大，導(dǎo)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(shí)雨水口2截流量仍以正向流為主，側(cè)邊流較少；因雨水口2未截流水量增加導(dǎo)致雨水口3柵條全部承擔(dān)泄流作用，隨著積水寬度增大，雨水口3對(duì)側(cè)邊流量的截流量增加，越箅流量開始出現(xiàn)，雨水口3對(duì)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(xù)增加，雨水口4箅前水深與流速不斷加大，導(dǎo)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(guī)律

由于路面積水深度受坡度影響，當(dāng)縱坡較小時(shí)（SL=0.3%），路面積水較深，故相對(duì)于大縱坡工況，小縱坡工況下的路面積水更容易充滿整個(gè)路面形成內(nèi)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(jié)合圖2b可知：當(dāng)縱坡為0.3%且流量＞120.00 L/s時(shí)，路面積水?dāng)U張至整個(gè)路面，此時(shí)雨水口4箅前水深受路面積水寬度影響，增長(zhǎng)趨勢(shì)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(dāng)路面積水寬度未擴(kuò)張至整個(gè)路面時(shí)，下游雨水口箅前水深隨流量增加而增加；模擬雨水口布設(shè)間距設(shè)為20 m時(shí)，路面已經(jīng)產(chǎn)生積水現(xiàn)象，如果加大雨水口布設(shè)間距，城市雨水口排水能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，路面積水情況更加嚴(yán)重；縱坡增加導(dǎo)致徑流流速增大，路面積水深度減小，不利于雨水口對(duì)徑流截流。

2.3 雨水口截流量分析

連續(xù)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(jù)截流的路面徑流方向可分為正向流及雨水口旁側(cè)流[7]；而當(dāng)雨水口截流能力未能達(dá)到100%時(shí)，未截流水量繼續(xù)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(huì)增加下游雨水口排水壓力，當(dāng)徑流流量過大時(shí)，下游雨水口不能及時(shí)排水，易造成城市路面積水。見圖9。

當(dāng)Q＜30.00 L/s時(shí)雨水口1在不同縱坡下截流量差異在5.00 L/s以內(nèi)；隨著流量持續(xù)增加，縱坡為0.3%工況下，雨水口1截流量增加趨勢(shì)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(duì)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(nèi)。

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

2.4 雨水口截流效率分析

實(shí)際降雨過程中，入流量均勻分布于整個(gè)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(duì)較大，當(dāng)縱坡為0.3%時(shí)，雨水口1實(shí)際匯流區(qū)域最大，徑流流速小，箅前水深大，故其截流效率最高；當(dāng)縱坡為4%且入流量＜20.00 L/s時(shí)，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(guān)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(nèi)，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(shí)，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(duì)減少，導(dǎo)致不同縱坡下雨水口4截流效率差異變大且當(dāng)縱坡＞1%時(shí)，雨水口4截流效率隨坡度增大而降低。見圖10。

模擬結(jié)果表明，路面徑流向下游傳遞時(shí)，雨水口截流效率逐漸降低且有飽和趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)生極端暴雨事件時(shí)，下游雨水口對(duì)徑流截流效果較差，易于道路下游發(fā)生洪澇災(zāi)害，適當(dāng)?shù)牡缆房v坡有助于雨水口排水。

3 結(jié)論

基于CFD構(gòu)建了連續(xù)道路上多雨水口數(shù)值模型，可以復(fù)現(xiàn)降雨過程中路面徑流在流動(dòng)過程中被上下游雨水口共同截流過程，反映雨水口真實(shí)截流狀態(tài)，對(duì)合理設(shè)計(jì)雨水口布設(shè)間距與數(shù)量有較大指導(dǎo)意義，主要結(jié)論如下：

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

2）當(dāng)入流量＜120.00 L/s時(shí)，雨水口2～4的箅前水深差異在5 mm以內(nèi)；入流量＞120.00 L/s時(shí)，徑流水面寬度擴(kuò)增至整個(gè)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(nèi)澇趨勢(shì)；

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(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)雨水口的布設(shè)間距等應(yīng)考慮縱坡的影響，縱坡過?。⊿L=0.3%）與縱坡過大都不適宜，此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)排水需要適當(dāng)增加雨水口數(shù)量。

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