摘要:基于(yú)水力學理論以(yǐ)及對相關規範(fan)的研究,提出雨(yu)水口流量計 的(de)計算方法。并以(yǐ)計算示例驗證(zheng)了《雨水口》05S518)标準(zhun)圖集中規定的(de)洩水能力不準(zhun)确,建議實際工(gong)程中應以道路(lu)坡度、箅前設計(jì)水深、雨水口型(xing)式及尺寸等爲(wei)條件進行具體(tǐ)的設計流量計(jì)算,以确定雨水(shuǐ)口的設計與布(bu)置。
　　雨水口是城(cheng)市雨水排水系(xi)統中收集地表(biao)水的構築物,是(shi)地面徑流轉變(biàn)爲管道排水的(de)過渡點。雨水口(kǒu)的合理設計是(shi)改善地面暴雨(yǔ)積水的重要保(bao)證，也，是雨水排(pai)水系統設計中(zhōng)的一個值得重(zhòng)視的部分。然而(ér)國内目前的排(pái)水設計中較忽(hu)略對雨水口的(de)設計計算，筆者(zhe)依據對美國規(guī)範HEC-22的研究和基(jī)本的水力學理(li)論，提出有關雨(yu)水口設計流量(liàng)的計算方法，以(yi)供業内工程師(shī)及學者們參考(kǎo)。
1國内現行的雨(yǔ)水口設計方法(fǎ)
1.1現行規範
　　《室外(wài)排水設計規範(fàn)》(GB50014-2006,2011.年版)中規定:雨(yu)水口的型式、數(shù)量和布置,應按(àn)彙水面積所産(chan)生的流量、雨水(shui)口的洩水能力(li)及道路型式确(què)定"
　　标準圖集雨(yu)水口》(05S518)中說明:雨(yǔ)水口的洩水能(néng)力與道路的坡(pō)度、雨水口的型(xing)式、箅前水深等(deng)因素有關。根據(ju)對不同型式的(de)雨水口、不同箅(bi)數、不同算形的(de)室内1:1的水工模(mo)型的水力實驗(yan)(道路縱坡爲0.3%~3.5%,橫(héng)坡爲1.5%,箅前水深(shen)爲40mm),各類雨水口(kou)的設計洩水能(neng)力見表1。
 
1.2不足之(zhī)處
　　現行的設計(ji)方法通常以圖(tu)集中規定的雨(yu)水口洩水能力(lì)來校驗彙水區(qu)域的暴雨設計(ji)流量,進而确定(ding)雨水口數量,其(qí)中有幾處需要(yao)注意:
①雨水口的(de)洩水能力與雨(yu)水口型式、尺寸(cun)和箅前水深相(xiàng)關.因此需要按(àn)照實際工程中(zhōng)的恰當參數進(jìn)行計算确定,這(zhè)樣以統--表格來(lai)規定洩水能力(li)并不合理。
②即便(bian)在圖集中描述(shù)的箅前水深爲(wei)40mm的條件下,表格(ge)中規定的值也(yě)值得推敲。一個(ge)顯而易見的問(wèn)題是,相同算前(qián)水深條件下,平(ping)算式顯然比立(li)箅式水力條件(jian)好(過水面積大(dà),平均水頭大),洩(xie)水能力強。而表(biao)1中對單箅都統(tong)一規定20L/s的洩水(shuǐ)能力。
③工程中實(shi)際的雨水口尺(chǐ)寸也并不都與(yu)圖集中偶緻,相(xiàng)應的雨水口洩(xie)水能力更不能(neng)參照表1.
2雨水口(kǒu)的流量計算模(mó)型
　　筆者以偏溝(gou)式雨水口爲例(lì)，介紹雨水口流(liú)量計算的模型(xing)。随着暴雨流量(liàng)增加，彙流雨水(shui)在雨水口前的(de)深度不斷增大(da),雨水口的流态(tài)可分爲堰流及(jí)孔口流兩種。
2.1堰(yan)流狀态
　　在雨水(shui)口箅前水深(H)較(jiào)淺的情況下,雨(yu)水從雨水口算(suàn)邊緣跌落,以堰(yan)流形式流人雨(yu)水口(見圖1)。
 
　　此時(shi),雨水口流量可(kě)按照堰流流量(liang)計算公式計算(suan)'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一設計流(liú)量,m³/s
Cw一堰流綜合(hé)流量系數,爲1.66
P一(yi)濕周(即堰寬),P=L+2B(偏(piān)溝式雨水口),m
H一(yī)雨水口箅前水(shuǐ)深,m
　　此處對于堰(yàn)流綜合流量系(xì)數Cw,若按照寬頂(dǐng)堰流的水力計(jì)算公式4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式中(zhōng)σ一堰流淹沒系(xì)數
Ɛ一堰流側收(shōu)縮系數
m一堰流(liú)流量系數,爲0.385(按(an)寬頂堰流量系(xi)數計算公式可(kě)算出).
g一重力加(jiā)速度
　　雨水口的(de)堰流爲自由出(chū)流(σ=1)且近似無側(cè).收縮(ε=1),則可得出(chu)Cw=1.71,與美國規範HEC-22中(zhōng)Cw=1.66較相近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均(jun1)爲相應系數最(zui)大取值,Cw=1.71也可理(li)解爲堰流綜合(hé)流量系數的最(zui)大值，考慮到雨(yu)水口(尤其是立(lì)箅式)進水的堰(yan)流側收縮系數(shù)應小于I,因此雨(yu)水口計算以HEC-22中(zhōng)Cw值爲準(偏溝式(shi)Cw=1.66,立算式Cw=1.25,平箅式(shì)Cw=1.4)。
2.2孔口流狀态
　　當(dang)雨水流量增加(jiā)、雨水口算前水(shuǐ)深(H)較深時，雨水(shui)逐漸淹沒整個(ge)雨水口算,轉變(bian)成以孔口流形(xíng)式流人雨水口(kou)，如圖2所示。
 
　　此時(shí),雨水口流量按(àn)照孔口流流量(liang)計算公式計算(suan):
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中Co一孔口流(liú)綜合流量系數(shu)，爲0.67
A一過水面積(ji),m2
2.3堰流與孔口流(liú)的轉變
　　雨水口(kǒu)流量曲線見圖(tu)3。如圖3所示,綠色(se)爲堰流狀态的(de)流量曲線,藍色(sè)爲孔口流狀态(tai)的流量曲線。而(ér)圖中紅色虛線(xiàn)所示，即爲雨水(shui)口的實際流量(liàng)特性。在箅前水(shui)深較小時,表現(xiàn)爲堰流狀态;在(zai)算前水深較大(da)時,表現爲孔口(kou)流狀态。而當箅(bi)前水深爲臨界(jiè)深度He時，堰流狀(zhuàng)态與孔口流狀(zhuang)态的計算流量(liang)相同,均爲Qc.
 
　　從圖(tú)3可知,在實際雨(yu)水口流量計算(suan)中,可以對設計(ji)算前水深分别(bie)計算出堰流态(tài)流量和孔口流(liú)态流量,而設計(jì)流量取兩者之(zhi)中較小值。
3雨水(shui)口流量計算示(shì)例
　　下面以圖集(ji)中規定的雨水(shuǐ)口的型式及水(shui)力條件.(算前水(shui)深爲40mm)爲例,計算(suan)雨水口的流量(liàng),也.即是雨水口(kou)的洩水能力。
3.1平(ping)箅式雨水口
　　對(duì)于平算式單箅(bì)雨水口,長度L=0.68m,寬(kuān)度B=0.38m。
　　堰流狀态下(xià),濕周P=2(L+B)=2.12m,則堰流态(tai)設計流量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
　　孔口(kǒu)流狀态下,過水(shuǐ)面積A=LxB=0.2584m2,則孔口流(liu)态設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因(yin)Qw<Qo故實際設計流(liu)量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式雨水(shuǐ)口
　　對于偏溝式(shì)單箅雨水口,長(zhǎng)度L=0.68m,寬度B=0.38m。.
　　堰流狀(zhuàng)态下,濕周P=L+2B=1.44m,則堰(yan)流态設計流量(liang)Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
　　孔口流狀态下(xia),過水面積A=LxB=0.2584m2,則孔(kong)口流态設計流(liu)量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
　　因Qw<Qo故實際設(she)計流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算式(shi)雨水口
　　對于立(lì)算式單算雨水(shuǐ)口,長度L=0.68m,立算高(gāo)度h=0.20m(>算前水深H=0.04m)。
　　堰(yàn)流狀态下,濕周(zhōu)P=L+2H=0.76m,則堰流态設計(ji)流量Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
　　孔口流狀(zhuàng)态下,過水面積(jī)A=LxH=0.0272m2,則孔口流态設(shè)計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故實(shi)際設計流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流(liu)量計算結果分(fèn)析
4.1計算流量與(yu)圖集中規定值(zhi)比較
　　将計算設(she)計流量與圖集(jí)中的數據進行(hang)比較,結果如表(biǎo)2所示。
 
4.2适用性
　　該(gāi)雨水口流量計(jì)算模型僅适用(yòng)于在道路(或場(chǎng)地)縱坡底部的(de)雨水口，而對于(yú)在道路縱坡中(zhong)間的雨水口,由(you)于是單側進水(shui)，且超出雨水口(kou)洩水能力的雨(yǔ)水,會漫過該雨(yǔ)水口流往下一(yi)一個雨水口,并(bing)非理想的堰流(liu)或孔口流狀态(tai)，因此計算方法(fǎ)會有不同,不能(néng)簡單按算前水(shuǐ)深進行計算。
4.3過(guò)水斷面有效系(xì)數
　　考慮到雨水(shui)口過水斷面受(shòu)到算子阻礙(以(yǐ)及可能受樹葉(ye)或垃圾阻塞),其(qí)過水面積還應(yīng)乘以-一個有效(xiao)系數,這樣得出(chū)的相應洩水能(néng)力會變小,也更(geng)接近真實。
　　過水(shui)斷面有效系數(shù)的基本計算原(yuan)則如下式,但另(lìng)外還會略受箅(bi)子格栅型式的(de)影響。
 
4.4多箅式及(ji)聯合式雨水口(kǒu)的計算
　　計算未(wei)涉及多箅式及(jí)聯合式雨水口(kǒu),其計算可依照(zhao)類似方法，但需(xū)要特别注意濕(shi)周和過水面積(ji)的合理取值。
5結(jie)語
　　雨水口的設(she)計流量,應按照(zhào)設計中合理的(de)設計條件進行(hang)具體計算，不适(shì)宜采用統--的規(gui)定值作爲設計(jì)洩水能力。
　　對于(yú)特定的算前水(shuǐ)深,不同的雨水(shuǐ)口型式及尺寸(cun),會有不同的洩(xie)水能力。在工程(cheng)項目中,不同的(de)雨水口設計場(chang)所可能有不同(tong)的安全水深的(de)要求(需考慮淹(yan)沒深度對車道(dao)的影響),而且實(shí)際雨水口尺寸(cùn)很可能與圖集(ji)中的不同,設計(jì)中應按照實際(ji)的水力模型進(jìn)行計算。
　　即便設(she)計中的雨水口(kǒu)尺寸和水力模(mo)型與圖集中的(de)一緻,采用圖集(ji)規定的洩水能(neng)力值也不可靠(kào)。圖集中對平算(suan)式、偏溝式、立算(suàn)式三種雨水口(kǒu)規定了統一的(de)洩水能力,這種(zhǒng)做法不夠科學(xue)。由于三種型式(shì)的水力特性不(bu)同，在較小水深(shen)時,洩水能力應(ying)該爲:平箅式>偏(pian)溝式>立算式。

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