摘要:基(ji)于水力學(xue)理論以及(ji)對相關規(gui)範的研究(jiu),提出雨水(shui)口流量計(ji) 的計算方(fang)法。并以計(ji)算示例驗(yan)證了《雨水(shui)口》05S518)标準圖(tu)集中規定(ding)的洩水能(neng)力不準确(que),建議實際(ji)工程中應(ying)以道路坡(po)度、箅前設(she)計水深、雨(yu)水口型式(shi)及尺寸等(deng)爲條件進(jin)行具體的(de)設計流量(liang)計算,以确(que)定雨水口(kou)的設計與(yu)布置。
　　雨水(shui)口是城市(shi)雨水排水(shui)系統中收(shou)集地表水(shui)的構築物(wu),是地面徑(jing)流轉變爲(wei)管道排水(shui)的過渡點(dian)。雨水口的(de)合理設計(ji)是改善地(di)面暴雨積(ji)水的重要(yao)保證，也，是(shi)雨水排水(shui)系統設計(ji)中的一個(ge)值得重視(shi)的部分。然(ran)而國内目(mu)前的排水(shui)設計中較(jiao)忽略對雨(yu)水口的設(she)計計算，筆(bi)者依據對(dui)美國規範(fan)HEC-22的研究和(he)基本的水(shui)力學理論(lun)，提出有關(guan)雨水口設(she)計流量的(de)計算方法(fa)，以供業内(nei)工程師及(ji)學者們參(can)考。
1國内現(xian)行的雨水(shui)口設計方(fang)法
1.1現行規(gui)範
　　《室外排(pai)水設計規(gui)範》(GB50014-2006,2011.年版)中(zhong)規定:雨水(shui)口的型式(shi)、數量和布(bu)置,應按彙(hui)水面積所(suo)産生的流(liu)量、雨水口(kou)的洩水能(neng)力及道路(lu)型式确定(ding)"
　　标準圖集(ji)雨水口》(05S518)中(zhong)說明:雨水(shui)口的洩水(shui)能力與道(dao)路的坡度(du)、雨水口的(de)型式、箅前(qian)水深等因(yin)素有關。根(gen)據對不同(tong)型式的雨(yu)水口、不同(tong)箅數、不同(tong)算形的室(shi)内1:1的水工(gong)模型的水(shui)力實驗(道(dao)路縱坡爲(wei)0.3%~3.5%,橫坡爲1.5%,箅(bi)前水深爲(wei)40mm),各類雨水(shui)口的設計(ji)洩水能力(li)見表1。
 
1.2不足(zu)之處
　　現行(hang)的設計方(fang)法通常以(yi)圖集中規(gui)定的雨水(shui)口洩水能(neng)力來校驗(yan)彙水區域(yu)的暴雨設(she)計流量,進(jin)而确定雨(yu)水口數量(liang),其中有幾(ji)處需要注(zhu)意:
①雨水口(kou)的洩水能(neng)力與雨水(shui)口型式、尺(chi)寸和箅前(qian)水深相關(guan).因此需要(yao)按照實際(ji)工程中的(de)恰當參數(shu)進行計算(suan)确定,這樣(yang)以統--表格(ge)來規定洩(xie)水能力并(bing)不合理。
②即(ji)便在圖集(ji)中描述的(de)箅前水深(shen)爲40mm的條件(jian)下,表格中(zhong)規定的值(zhi)也值得推(tui)敲。一個顯(xian)而易見的(de)問題是,相(xiang)同算前水(shui)深條件下(xia),平算式顯(xian)然比立箅(bi)式水力條(tiao)件好(過水(shui)面積大,平(ping)均水頭大(da)),洩水能力(li)強。而表1中(zhong)對單箅都(dou)統一規定(ding)20L/s的洩水能(neng)力。
③工程中(zhong)實際的雨(yu)水口尺寸(cun)也并不都(dou)與圖集中(zhong)偶緻,相應(ying)的雨水口(kou)洩水能力(li)更不能參(can)照表1.
2雨水(shui)口的流量(liang)計算模型(xing)
　　筆者以偏(pian)溝式雨水(shui)口爲例，介(jie)紹雨水口(kou)流量計算(suan)的模型。随(sui)着暴雨流(liu)量增加，彙(hui)流雨水在(zai)雨水口前(qian)的深度不(bu)斷增大,雨(yu)水口的流(liu)态可分爲(wei)堰流及孔(kong)口流兩種(zhong)。
2.1堰流狀态(tai)
　　在雨水口(kou)箅前水深(shen)(H)較淺的情(qing)況下,雨水(shui)從雨水口(kou)算邊緣跌(die)落,以堰流(liu)形式流人(ren)雨水口(見(jian)圖1)。
 
　　此時,雨(yu)水口流量(liang)可按照堰(yan)流流量計(ji)算公式計(ji)算'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一(yi)設計流量(liang),m³/s
Cw一堰流綜(zong)合流量系(xi)數,爲1.66
P一濕(shi)周(即堰寬(kuan)),P=L+2B(偏溝式雨(yu)水口),m
H一雨(yu)水口箅前(qian)水深,m
　　此處(chu)對于堰流(liu)綜合流量(liang)系數Cw,若按(an)照寬頂堰(yan)流的水力(li)計算公式(shi)4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式中σ一(yi)堰流淹沒(mei)系數
Ɛ一堰(yan)流側收縮(suo)系數
m一堰(yan)流流量系(xi)數,爲0.385(按寬(kuan)頂堰流量(liang)系數計算(suan)公式可算(suan)出).
g一重力(li)加速度
　　雨(yu)水口的堰(yan)流爲自由(you)出流(σ=1)且近(jin)似無側.收(shou)縮(ε=1),則可得(de)出Cw=1.71,與美國(guo)規範HEC-22中Cw=1.66較(jiao)相近。由于(yu)σ=1、ε=1、m=0.385均爲相應(ying)系數最大(da)取值,Cw=1.71也可(ke)理解爲堰(yan)流綜合流(liu)量系數的(de)最大值，考(kao)慮到雨水(shui)口(尤其是(shi)立箅式)進(jin)水的堰流(liu)側收縮系(xi)數應小于(yu)I,因此雨水(shui)口計算以(yi)HEC-22中Cw值爲準(zhun)(偏溝式Cw=1.66,立(li)算式Cw=1.25,平箅(bi)式Cw=1.4)。
2.2孔口流(liu)狀态
　　當雨(yu)水流量增(zeng)加、雨水口(kou)算前水深(shen)(H)較深時，雨(yu)水逐漸淹(yan)沒整個雨(yu)水口算,轉(zhuan)變成以孔(kong)口流形式(shi)流人雨水(shui)口，如圖2所(suo)示。
 
　　此時,雨(yu)水口流量(liang)按照孔口(kou)流流量計(ji)算公式計(ji)算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中Co一(yi)孔口流綜(zong)合流量系(xi)數，爲0.67
A一過(guo)水面積,m2
2.3堰(yan)流與孔口(kou)流的轉變(bian)
　　雨水口流(liu)量曲線見(jian)圖3。如圖3所(suo)示,綠色爲(wei)堰流狀态(tai)的流量曲(qu)線,藍色爲(wei)孔口流狀(zhuang)态的流量(liang)曲線。而圖(tu)中紅色虛(xu)線所示，即(ji)爲雨水口(kou)的實際流(liu)量特性。在(zai)箅前水深(shen)較小時,表(biao)現爲堰流(liu)狀态;在算(suan)前水深較(jiao)大時,表現(xian)爲孔口流(liu)狀态。而當(dang)箅前水深(shen)爲臨界深(shen)度He時，堰流(liu)狀态與孔(kong)口流狀态(tai)的計算流(liu)量相同,均(jun)爲Qc.
 
　　從圖3可(ke)知,在實際(ji)雨水口流(liu)量計算中(zhong),可以對設(she)計算前水(shui)深分别計(ji)算出堰流(liu)态流量和(he)孔口流态(tai)流量,而設(she)計流量取(qu)兩者之中(zhong)較小值。
3雨(yu)水口流量(liang)計算示例(li)
　　下面以圖(tu)集中規定(ding)的雨水口(kou)的型式及(ji)水力條件(jian).(算前水深(shen)爲40mm)爲例,計(ji)算雨水口(kou)的流量,也(ye).即是雨水(shui)口的洩水(shui)能力。
3.1平箅(bi)式雨水口(kou)
　　對于平算(suan)式單箅雨(yu)水口,長度(du)L=0.68m,寬度B=0.38m。
　　堰流(liu)狀态下,濕(shi)周P=2(L+B)=2.12m,則堰流(liu)态設計流(liu)量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
　　孔口流(liu)狀态下,過(guo)水面積A=LxB=0.2584m2,則(ze)孔口流态(tai)設計流量(liang)Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因Qw<Qo故實際(ji)設計流量(liang)Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式雨(yu)水口
　　對于(yu)偏溝式單(dan)箅雨水口(kou),長度L=0.68m,寬度(du)B=0.38m。.
　　堰流狀态(tai)下,濕周P=L+2B=1.44m,則(ze)堰流态設(she)計流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
　　孔(kong)口流狀态(tai)下,過水面(mian)積A=LxB=0.2584m2,則孔口(kou)流态設計(ji)流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因Qw<Qo故(gu)實際設計(ji)流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算(suan)式雨水口(kou)
　　對于立算(suan)式單算雨(yu)水口,長度(du)L=0.68m,立算高度(du)h=0.20m(>算前水深(shen)H=0.04m)。
　　堰流狀态(tai)下,濕周P=L+2H=0.76m,則(ze)堰流态設(she)計流量Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
　　孔(kong)口流狀态(tai)下,過水面(mian)積A=LxH=0.0272m2,則孔口(kou)流态設計(ji)流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故(gu)實際設計(ji)流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流量(liang)計算結果(guo)分析
4.1計算(suan)流量與圖(tu)集中規定(ding)值比較
　　将(jiang)計算設計(ji)流量與圖(tu)集中的數(shu)據進行比(bi)較,結果如(ru)表2所示。
 
4.2适(shi)用性
　　該雨(yu)水口流量(liang)計算模型(xing)僅适用于(yu)在道路(或(huo)場地)縱坡(po)底部的雨(yu)水口，而對(dui)于在道路(lu)縱坡中間(jian)的雨水口(kou),由于是單(dan)側進水，且(qie)超出雨水(shui)口洩水能(neng)力的雨水(shui),會漫過該(gai)雨水口流(liu)往下一一(yi)個雨水口(kou),并非理想(xiang)的堰流或(huo)孔口流狀(zhuang)态，因此計(ji)算方法會(hui)有不同,不(bu)能簡單按(an)算前水深(shen)進行計算(suan)。
4.3過水斷面(mian)有效系數(shu)
　　考慮到雨(yu)水口過水(shui)斷面受到(dao)算子阻礙(ai)(以及可能(neng)受樹葉或(huo)垃圾阻塞(sai)),其過水面(mian)積還應乘(cheng)以-一個有(you)效系數,這(zhe)樣得出的(de)相應洩水(shui)能力會變(bian)小,也更接(jie)近真實。
　　過(guo)水斷面有(you)效系數的(de)基本計算(suan)原則如下(xia)式,但另外(wai)還會略受(shou)箅子格栅(shan)型式的影(ying)響。
 
4.4多箅式(shi)及聯合式(shi)雨水口的(de)計算
　　計算(suan)未涉及多(duo)箅式及聯(lian)合式雨水(shui)口,其計算(suan)可依照類(lei)似方法，但(dan)需要特别(bie)注意濕周(zhou)和過水面(mian)積的合理(li)取值。
5結語(yu)
　　雨水口的(de)設計流量(liang),應按照設(she)計中合理(li)的設計條(tiao)件進行具(ju)體計算，不(bu)适宜采用(yong)統--的規定(ding)值作爲設(she)計洩水能(neng)力。
　　對于特(te)定的算前(qian)水深,不同(tong)的雨水口(kou)型式及尺(chi)寸,會有不(bu)同的洩水(shui)能力。在工(gong)程項目中(zhong),不同的雨(yu)水口設計(ji)場所可能(neng)有不同的(de)安全水深(shen)的要求(需(xu)考慮淹沒(mei)深度對車(che)道的影響(xiang)),而且實際(ji)雨水口尺(chi)寸很可能(neng)與圖集中(zhong)的不同,設(she)計中應按(an)照實際的(de)水力模型(xing)進行計算(suan)。
　　即便設計(ji)中的雨水(shui)口尺寸和(he)水力模型(xing)與圖集中(zhong)的一緻,采(cai)用圖集規(gui)定的洩水(shui)能力值也(ye)不可靠。圖(tu)集中對平(ping)算式、偏溝(gou)式、立算式(shi)三種雨水(shui)口規定了(le)統一的洩(xie)水能力,這(zhe)種做法不(bu)夠科學。由(you)于三種型(xing)式的水力(li)特性不同(tong)，在較小水(shui)深時,洩水(shui)能力應該(gai)爲:平箅式(shi)>偏溝式>立(li)算式。

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