摘要:基于水(shui)力學理論以(yi)及對相關規(gui)範的研究,提(ti)出雨水口流(liú)量計 的計算(suàn)方法。并以計(ji)算示例驗證(zheng)了《雨水口》05S518)标(biao)準圖集中規(gui)定的洩水能(neng)力不準确,建(jiàn)議實際工程(cheng)中應以道路(lu)坡度、箅前設(shè)計水深、雨水(shuǐ)口型式及尺(chǐ)寸等爲條件(jian)進行具體的(de)設計流量計(ji)算,以确定雨(yǔ)水口的設計(jì)與布置。
　　雨水(shui)口是城市雨(yǔ)水排水系統(tǒng)中收集地表(biǎo)水的構築物(wù),是地面徑流(liú)轉變爲管道(dao)排水的過渡(du)點。雨水口的(de)合理設計是(shi)改善地面暴(bào)雨積水的重(zhong)要保證，也，是(shi)雨水排水系(xì)統設計中的(de)一個值得重(zhòng)視的部分。然(rán)而國内目前(qian)的排水設計(ji)中較忽略對(dui)雨水口的設(she)計計算，筆者(zhe)依據對美國(guó)規範HEC-22的研究(jiu)和基本的水(shui)力學理論，提(tí)出有關雨水(shui)口設計流量(liang)的計算方法(fǎ)，以供業内工(gong)程師及學者(zhe)們參考。
1國内(nèi)現行的雨水(shuǐ)口設計方法(fǎ)
1.1現行規範
　　《室(shì)外排水設計(ji)規範》(GB50014-2006,2011.年版)中(zhōng)規定:雨水口(kǒu)的型式、數量(liang)和布置,應按(àn)彙水面積所(suo)産生的流量(liang)、雨水口的洩(xiè)水能力及道(dào)路型式确定(dìng)"
　　标準圖集雨(yǔ)水口》(05S518)中說明(ming):雨水口的洩(xie)水能力與道(dao)路的坡度、雨(yu)水口的型式(shì)、箅前水深等(deng)因素有關。根(gēn)據對不同型(xing)式的雨水口(kou)、不同箅數、不(bú)同算形的室(shì)内1:1的水工模(mó)型的水力實(shí)驗(道路縱坡(po)爲0.3%~3.5%,橫坡爲1.5%,箅(bì)前水深爲40mm),各(gè)類雨水口的(de)設計洩水能(neng)力見表1。
 
1.2不足(zú)之處
　　現行的(de)設計方法通(tōng)常以圖集中(zhōng)規定的雨水(shui)口洩水能力(lì)來校驗彙水(shui)區域的暴雨(yu)設計流量,進(jìn)而确定雨水(shui)口數量,其中(zhong)有幾處需要(yào)注意:
①雨水口(kǒu)的洩水能力(lì)與雨水口型(xíng)式、尺寸和箅(bì)前水深相關(guān).因此需要按(an)照實際工程(chéng)中的恰當參(cān)數進行計算(suan)确定,這樣以(yi)統--表格來規(gui)定洩水能力(lì)并不合理。
②即(ji)便在圖集中(zhong)描述的箅前(qián)水深爲40mm的條(tiao)件下,表格中(zhong)規定的值也(ye)值得推敲。一(yi)個顯而易見(jian)的問題是,相(xiàng)同算前水深(shen)條件下,平算(suan)式顯然比立(li)箅式水力條(tiáo)件好(過水面(mian)積大,平均水(shuǐ)頭大),洩水能(neng)力強。而表1中(zhong)對單箅都統(tong)一規定20L/s的洩(xie)水能力。
③工程(cheng)中實際的雨(yu)水口尺寸也(yě)并不都與圖(tú)集中偶緻,相(xiàng)應的雨水口(kǒu)洩水能力更(gèng)不能參照表(biao)1.
2雨水口的流(liú)量計算模型(xíng)
　　筆者以偏溝(gōu)式雨水口爲(wei)例，介紹雨水(shui)口流量計算(suàn)的模型。随着(zhe)暴雨流量增(zēng)加，彙流雨水(shui)在雨水口前(qián)的深度不斷(duàn)增大,雨水口(kou)的流态可分(fen)爲堰流及孔(kǒng)口流兩種。
2.1堰(yàn)流狀态
　　在雨(yǔ)水口箅前水(shuǐ)深(H)較淺的情(qíng)況下,雨水從(cóng)雨水口算邊(biān)緣跌落,以堰(yàn)流形式流人(rén)雨水口(見圖(tú)1)。
 
　　此時,雨水口(kǒu)流量可按照(zhao)堰流流量計(ji)算公式計算(suàn)'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一設計(ji)流量,m³/s
Cw一堰流(liu)綜合流量系(xì)數,爲1.66
P一濕周(zhou)(即堰寬),P=L+2B(偏溝(gōu)式雨水口),m
H一(yī)雨水口箅前(qian)水深,m
　　此處對(dui)于堰流綜合(hé)流量系數Cw,若(ruo)按照寬頂堰(yàn)流的水力計(ji)算公式4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式(shì)中σ一堰流淹(yan)沒系數
Ɛ一堰(yàn)流側收縮系(xì)數
m一堰流流(liu)量系數,爲0.385(按(àn)寬頂堰流量(liang)系數計算公(gong)式可算出).
g一(yi)重力加速度(du)
　　雨水口的堰(yan)流爲自由出(chu)流(σ=1)且近似無(wú)側.收縮(ε=1),則可(kě)得出Cw=1.71,與美國(guó)規範HEC-22中Cw=1.66較相(xiang)近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均爲(wèi)相應系數最(zui)大取值,Cw=1.71也可(kě)理解爲堰流(liu)綜合流量系(xì)數的最大值(zhi)，考慮到雨水(shuǐ)口(尤其是立(lì)箅式)進水的(de)堰流側收縮(suo)系數應小于(yu)I,因此雨水口(kǒu)計算以HEC-22中Cw值(zhi)爲準(偏溝式(shi)Cw=1.66,立算式Cw=1.25,平箅(bì)式Cw=1.4)。
2.2孔口流狀(zhuàng)态
　　當雨水流(liu)量增加、雨水(shuǐ)口算前水深(shēn)(H)較深時，雨水(shuǐ)逐漸淹沒整(zhěng)個雨水口算(suan),轉變成以孔(kǒng)口流形式流(liu)人雨水口，如(rú)圖2所示。
 
　　此時(shi),雨水口流量(liang)按照孔口流(liú)流量計算公(gōng)式計算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中(zhong)Co一孔口流綜(zōng)合流量系數(shu)，爲0.67
A一過水面(miàn)積,m2
2.3堰流與孔(kǒng)口流的轉變(biàn)
　　雨水口流量(liàng)曲線見圖3。如(rú)圖3所示,綠色(se)爲堰流狀态(tài)的流量曲線(xiàn),藍色爲孔口(kou)流狀态的流(liu)量曲線。而圖(tú)中紅色虛線(xiàn)所示，即爲雨(yǔ)水口的實際(jì)流量特性。在(zài)箅前水深較(jiao)小時,表現爲(wèi)堰流狀态;在(zài)算前水深較(jiào)大時,表現爲(wèi)孔口流狀态(tai)。而當箅前水(shuǐ)深爲臨界深(shen)度He時，堰流狀(zhuang)态與孔口流(liu)狀态的計算(suan)流量相同,均(jun1)爲Qc.
 
　　從圖3可知(zhi),在實際雨水(shuǐ)口流量計算(suan)中,可以對設(she)計算前水深(shēn)分别計算出(chu)堰流态流量(liang)和孔口流态(tài)流量,而設計(jì)流量取兩者(zhě)之中較小值(zhi)。
3雨水口流量(liàng)計算示例
　　下(xià)面以圖集中(zhong)規定的雨水(shuǐ)口的型式及(jí)水力條件.(算(suan)前水深爲40mm)爲(wei)例,計算雨水(shui)口的流量,也(ye).即是雨水口(kǒu)的洩水能力(lì)。
3.1平箅式雨水(shui)口
　　對于平算(suàn)式單箅雨水(shuǐ)口,長度L=0.68m,寬度(dù)B=0.38m。
　　堰流狀态下(xia),濕周P=2(L+B)=2.12m,則堰流(liú)态設計流量(liàng)Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
　　孔口流狀态(tài)下,過水面積(jī)A=LxB=0.2584m2,則孔口流态(tài)設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因(yīn)Qw<Qo故實際設計(jì)流量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式(shi)雨水口
　　對于(yú)偏溝式單箅(bi)雨水口,長度(dù)L=0.68m,寬度B=0.38m。.
　　堰流狀(zhuang)态下,濕周P=L+2B=1.44m,則(zé)堰流态設計(ji)流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
　　孔口流(liú)狀态下,過水(shui)面積A=LxB=0.2584m2,則孔口(kǒu)流态設計流(liú)量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因Qw<Qo故實際(ji)設計流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立(li)算式雨水口(kǒu)
　　對于立算式(shi)單算雨水口(kǒu),長度L=0.68m,立算高(gāo)度h=0.20m(>算前水深(shēn)H=0.04m)。
　　堰流狀态下(xià),濕周P=L+2H=0.76m,則堰流(liú)态設計流量(liàng)Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
　　孔口流狀态(tài)下,過水面積(ji)A=LxH=0.0272m2,則孔口流态(tai)設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因(yin)Qw<Qo,故實際設計(jì)流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流量計(jì)算結果分析(xī)
4.1計算流量與(yu)圖集中規定(dìng)值比較
　　将計(jì)算設計流量(liàng)與圖集中的(de)數據進行比(bi)較,結果如表(biǎo)2所示。
 
4.2适用性(xing)
　　該雨水口流(liu)量計算模型(xíng)僅适用于在(zai)道路(或場地(di))縱坡底部的(de)雨水口，而對(dui)于在道路縱(zong)坡中間的雨(yu)水口,由于是(shì)單側進水，且(qie)超出雨水口(kou)洩水能力的(de)雨水,會漫過(guo)該雨水口流(liu)往下一一個(gè)雨水口,并非(fēi)理想的堰流(liú)或孔口流狀(zhuàng)态，因此計算(suàn)方法會有不(bú)同,不能簡單(dan)按算前水深(shēn)進行計算。
4.3過(guo)水斷面有效(xiào)系數
　　考慮到(dào)雨水口過水(shuǐ)斷面受到算(suàn)子阻礙(以及(ji)可能受樹葉(yè)或垃圾阻塞(sāi)),其過水面積(jī)還應乘以-一(yi)個有效系數(shù),這樣得出的(de)相應洩水能(néng)力會變小,也(ye)更接近真實(shi)。
　　過水斷面有(yǒu)效系數的基(ji)本計算原則(zé)如下式,但另(lìng)外還會略受(shou)箅子格栅型(xing)式的影響。
 
4.4多(duo)箅式及聯合(he)式雨水口的(de)計算
　　計算未(wèi)涉及多箅式(shì)及聯合式雨(yǔ)水口,其計算(suàn)可依照類似(sì)方法，但需要(yao)特别注意濕(shī)周和過水面(mian)積的合理取(qu)值。
5結語
　　雨水(shui)口的設計流(liú)量,應按照設(shè)計中合理的(de)設計條件進(jìn)行具體計算(suan)，不适宜采用(yòng)統--的規定值(zhí)作爲設計洩(xiè)水能力。
　　對于(yú)特定的算前(qián)水深,不同的(de)雨水口型式(shi)及尺寸,會有(yǒu)不同的洩水(shui)能力。在工程(chéng)項目中,不同(tóng)的雨水口設(shè)計場所可能(neng)有不同的安(ān)全水深的要(yào)求(需考慮淹(yan)沒深度對車(chē)道的影響),而(er)且實際雨水(shui)口尺寸很可(kě)能與圖集中(zhōng)的不同,設計(jì)中應按照實(shi)際的水力模(mo)型進行計算(suàn)。
　　即便設計中(zhong)的雨水口尺(chǐ)寸和水力模(mó)型與圖集中(zhōng)的一緻,采用(yòng)圖集規定的(de)洩水能力值(zhi)也不可靠。圖(tu)集中對平算(suàn)式、偏溝式、立(li)算式三種雨(yu)水口規定了(le)統一的洩水(shui)能力,這種做(zuò)法不夠科學(xué)。由于三種型(xíng)式的水力特(tè)性不同，在較(jiào)小水深時,洩(xie)水能力應該(gai)爲:平箅式>偏(pian)溝式>立算式(shì)。

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