摘要:基于水力學(xué)理論以及對(duì)相關(guān)規(guī)范的研究,提出雨水口流量計(jì)的計(jì)算方法。并以計(jì)算示例驗(yàn)證了《雨水口》05S518)標(biāo)準(zhǔn)圖集中規(guī)定的泄水能力不準(zhǔn)確,建議實(shí)際工程中應(yīng)以道路坡度、箅前設(shè)計(jì)水深、雨水口型式及尺寸等為條件進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)流量計(jì)算,以確定雨水口的設(shè)計(jì)與布置。
雨水口是城市雨水排水系統(tǒng)中收集地表水的構(gòu)筑物,是地面徑流轉(zhuǎn)變?yōu)楣艿琅潘倪^(guò)渡點(diǎn)。雨水口的合理設(shè)計(jì)是改善地面暴雨積水的重要保證，也，是雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)值得重視的部分。然而國(guó)內(nèi)目前的排水設(shè)計(jì)中較忽略對(duì)雨水口的設(shè)計(jì)計(jì)算，筆者依據(jù)對(duì)美國(guó)規(guī)范HEC-22的研究和基本的水力學(xué)理論，提出有關(guān)雨水口設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法，以供業(yè)內(nèi)工程師及學(xué)者們參考。
1國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的雨水口設(shè)計(jì)方法
1.1現(xiàn)行規(guī)范
《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006,2011.年版)中規(guī)定: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、雨水口的泄水能力及道路型式確定"
標(biāo)準(zhǔn)圖集雨水口》(05S518)中說(shuō)明:雨水口的泄水能力與道路的坡度、雨水口的型式、箅前水深等因素有關(guān)。根據(jù)對(duì)不同型式的雨水口、不同箅數(shù)、不同算形的室內(nèi)1:1的水工模型的水力實(shí)驗(yàn)(道路縱坡為0.3%~3.5%,橫坡為1.5%,箅前水深為40mm),各類雨水口的設(shè)計(jì)泄水能力見(jiàn)表1。
1.2不足之處
現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法通常以圖集中規(guī)定的雨水口泄水能力來(lái)校驗(yàn)匯水區(qū)域的暴雨設(shè)計(jì)流量,進(jìn)而確定雨水口數(shù)量,其中有幾處需要注意:
①雨水口的泄水能力與雨水口型式、尺寸和箅前水深相關(guān).因此需要按照實(shí)際工程中的恰當(dāng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定,這樣以統(tǒng)--表格來(lái)規(guī)定泄水能力并不合理。
②即便在圖集中描述的箅前水深為40mm的條件下,表格中規(guī)定的值也值得推敲。一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是,相同算前水深條件下,平算式顯然比立箅式水力條件好(過(guò)水面積大,平均水頭大),泄水能力強(qiáng)。而表1中對(duì)單箅都統(tǒng)一規(guī)定20L/s的泄水能力。
③工程中實(shí)際的雨水口尺寸也并不都與圖集中偶致,相應(yīng)的雨水口泄水能力更不能參照表1.
2雨水口的流量計(jì)算模型
筆者以偏溝式雨水口為例，介紹雨水口流量計(jì)算的模型。隨著暴雨流量增加，匯流雨水在雨水口前的深度不斷增大,雨水口的流態(tài)可分為堰流及孔口流兩種。
2.1堰流狀態(tài)
在雨水口箅前水深(H)較淺的情況下,雨水從雨水口算邊緣跌落,以堰流形式流人雨水口(見(jiàn)圖1)。
此時(shí),雨水口流量可按照堰流流量計(jì)算公式計(jì)算'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一設(shè)計(jì)流量,m³/s
Cw一堰流綜合流量系數(shù),為1.66
P一濕周(即堰寬),P=L+2B(偏溝式雨水口),m
H一雨水口箅前水深,m
此處對(duì)于堰流綜合流量系數(shù)Cw,若按照寬頂堰流的水力計(jì)算公式4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式中σ一堰流淹沒(méi)系數(shù)
Ɛ一堰流側(cè)收縮系數(shù)
m一堰流流量系數(shù),為0.385(按寬頂堰流量系數(shù)計(jì)算公式可算出).
g一重力加速度
雨水口的堰流為自由出流(σ=1)且近似無(wú)側(cè).收縮(ε=1),則可得出Cw=1.71,與美國(guó)規(guī)范HEC-22中Cw=1.66較相近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均為相應(yīng)系數(shù)最大取值,Cw=1.71也可理解為堰流綜合流量系數(shù)的最大值，考慮到雨水口(尤其是立箅式)進(jìn)水的堰流側(cè)收縮系數(shù)應(yīng)小于I,因此雨水口計(jì)算以HEC-22中Cw值為準(zhǔn)(偏溝式Cw=1.66,立算式Cw=1.25,平箅式Cw=1.4)。
2.2孔口流狀態(tài)
當(dāng)雨水流量增加、雨水口算前水深(H)較深時(shí)，雨水逐漸淹沒(méi)整個(gè)雨水口算,轉(zhuǎn)變成以孔口流形式流人雨水口，如圖2所示。
此時(shí),雨水口流量按照孔口流流量計(jì)算公式計(jì)算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中Co一孔口流綜合流量系數(shù)，為0.67
A一過(guò)水面積,m2
2.3堰流與孔口流的轉(zhuǎn)變
雨水口流量曲線見(jiàn)圖3。如圖3所示,綠色為堰流狀態(tài)的流量曲線,藍(lán)色為孔口流狀態(tài)的流量曲線。而圖中紅色虛線所示，即為雨水口的實(shí)際流量特性。在箅前水深較小時(shí),表現(xiàn)為堰流狀態(tài);在算前水深較大時(shí),表現(xiàn)為孔口流狀態(tài)。而當(dāng)箅前水深為臨界深度He時(shí)，堰流狀態(tài)與孔口流狀態(tài)的計(jì)算流量相同,均為Qc.
從圖3可知,在實(shí)際雨水口流量計(jì)算中,可以對(duì)設(shè)計(jì)算前水深分別計(jì)算出堰流態(tài)流量和孔口流態(tài)流量,而設(shè)計(jì)流量取兩者之中較小值。
3雨水口流量計(jì)算示例
下面以圖集中規(guī)定的雨水口的型式及水力條件.(算前水深為40mm)為例,計(jì)算雨水口的流量,也.即是雨水口的泄水能力。
3.1平箅式雨水口
對(duì)于平算式單箅雨水口,長(zhǎng)度L=0.68m,寬度B=0.38m。
堰流狀態(tài)下,濕周P=2(L+B)=2.12m,則堰流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
孔口流狀態(tài)下,過(guò)水面積A=LxB=0.2584m2,則孔口流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實(shí)際設(shè)計(jì)流量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式雨水口
對(duì)于偏溝式單箅雨水口,長(zhǎng)度L=0.68m,寬度B=0.38m。.
堰流狀態(tài)下,濕周P=L+2B=1.44m,則堰流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
孔口流狀態(tài)下,過(guò)水面積A=LxB=0.2584m2,則孔口流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實(shí)際設(shè)計(jì)流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算式雨水口
對(duì)于立算式單算雨水口,長(zhǎng)度L=0.68m,立算高度h=0.20m(>算前水深H=0.04m)。
堰流狀態(tài)下,濕周P=L+2H=0.76m,則堰流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
孔口流狀態(tài)下,過(guò)水面積A=LxH=0.0272m2,則孔口流態(tài)設(shè)計(jì)流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故實(shí)際設(shè)計(jì)流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流量計(jì)算結(jié)果分析
4.1計(jì)算流量與圖集中規(guī)定值比較
將計(jì)算設(shè)計(jì)流量與圖集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。
4.2適用性
該雨水口流量計(jì)算模型僅適用于在道路(或場(chǎng)地)縱坡底部的雨水口，而對(duì)于在道路縱坡中間的雨水口,由于是單側(cè)進(jìn)水，且超出雨水口泄水能力的雨水,會(huì)漫過(guò)該雨水口流往下一一個(gè)雨水口,并非理想的堰流或孔口流狀態(tài)，因此計(jì)算方法會(huì)有不同,不能簡(jiǎn)單按算前水深進(jìn)行計(jì)算。
4.3過(guò)水?dāng)嗝嬗行禂?shù)
考慮到雨水口過(guò)水?dāng)嗝媸艿剿阕幼璧K(以及可能受樹(shù)葉或垃圾阻塞),其過(guò)水面積還應(yīng)乘以-一個(gè)有效系數(shù),這樣得出的相應(yīng)泄水能力會(huì)變小,也更接近真實(shí)。
過(guò)水?dāng)嗝嬗行禂?shù)的基本計(jì)算原則如下式,但另外還會(huì)略受箅子格柵型式的影響。
4.4多箅式及聯(lián)合式雨水口的計(jì)算
計(jì)算未涉及多箅式及聯(lián)合式雨水口,其計(jì)算可依照類似方法，但需要特別注意濕周和過(guò)水面積的合理取值。
5結(jié)語(yǔ)
雨水口的設(shè)計(jì)流量,應(yīng)按照設(shè)計(jì)中合理的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行具體計(jì)算，不適宜采用統(tǒng)--的規(guī)定值作為設(shè)計(jì)泄水能力。
對(duì)于特定的算前水深,不同的雨水口型式及尺寸,會(huì)有不同的泄水能力。在工程項(xiàng)目中,不同的雨水口設(shè)計(jì)場(chǎng)所可能有不同的安全水深的要求(需考慮淹沒(méi)深度對(duì)車道的影響),而且實(shí)際雨水口尺寸很可能與圖集中的不同,設(shè)計(jì)中應(yīng)按照實(shí)際的水力模型進(jìn)行計(jì)算。
即便設(shè)計(jì)中的雨水口尺寸和水力模型與圖集中的一致,采用圖集規(guī)定的泄水能力值也不可靠。圖集中對(duì)平算式、偏溝式、立算式三種雨水口規(guī)定了統(tǒng)一的泄水能力,這種做法不夠科學(xué)。由于三種型式的水力特性不同，在較小水深時(shí),泄水能力應(yīng)該為:平箅式>偏溝式>立算式。
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