摘要:基于水力(lì)學理論(lùn)以(yǐ)及對(duì)相關規範(fàn)的研(yán)究,提出雨水口(kǒu)流量計 的計算方法(fǎ)。并以計算(suàn)示例驗證(zhèng)了《雨(yǔ)水(shuǐ)口(kǒu)》05s518)标準(zhǔn)圖集(jí)中規(guī)定的洩水(shuǐ)能力不準确,建(jiàn)議實際工程中(zhōng)應以道(dào)路坡度、箅(bì)前設(shè)計水深(shēn)、雨水口型(xíng)式(shì)及(jí)尺寸等爲(wèi)條件進行(háng)具體的設(shè)計流量計算,以(yǐ)确定雨水口的(de)設計(jì)與布(bù)置。
　　雨(yǔ)水口(kǒu)是城(chéng)市雨(yǔ)水排水系(xì)統中(zhōng)收集(jí)地(dì)表水的(de)構築物(wù),是地面徑流(liú)轉變爲(wèi)管(guǎn)道排水的過渡點。雨水(shuǐ)口的合(hé)理設(shè)計(jì)是(shì)改善(shàn)地面暴雨積水(shuǐ)的重(zhòng)要(yào)保證(zhèng)，也(yě)，是雨水排(pái)水系(xì)統設計中的一個值得(dé)重(zhòng)視的(de)部分。然而國内(nèi)目前的排(pái)水設計中(zhōng)較忽(hū)略對(duì)雨水(shuǐ)口的設計(jì)計算，筆者依據(jù)對(duì)美國規範hec-22的(de)研究和基(jī)本的(de)水力學(xué)理論，提(tí)出有(yǒu)關(guān)雨水口(kǒu)設計流量的計(jì)算(suàn)方(fāng)法(fǎ)，以供業(yè)内工程(chéng)師及學(xué)者們參考(kǎo)。
1國内(nèi)現行(háng)的雨水口(kǒu)設計方法
1.1現行(háng)規範(fàn)
　　《室(shì)外排水(shuǐ)設計規範(fàn)》(gb50014-2006,2011.年版)中規定:雨水口(kǒu)的型式、數量和(hé)布置(zhì),應按彙水(shuǐ)面積所産生的(de)流量、雨水口(kǒu)的(de)洩水能力(lì)及道(dào)路型式确(què)定"
　　标(biāo)準圖(tú)集雨水口(kǒu)》(05s518)中說明:雨(yǔ)水口(kǒu)的洩水能力與道路的坡度、雨(yǔ)水口的(de)型(xíng)式、箅(bì)前水深等因素(sù)有(yǒu)關。根據對不(bú)同型式的雨水(shuǐ)口、不(bú)同箅(bì)數、不(bú)同算形(xíng)的室内(nèi)1:1的水工模型的水力(lì)實驗(道路(lù)縱坡爲0.3%~3.5%,橫(héng)坡爲(wèi)1.5%,箅前(qián)水深爲40mm),各(gè)類雨水口(kǒu)的設(shè)計洩(xiè)水能力見(jiàn)表1。
 
1.2不足(zú)之(zhī)處
　　現(xiàn)行的設計方法(fǎ)通常以圖(tú)集中(zhōng)規定的(de)雨水口(kǒu)洩水能力(lì)來校(xiào)驗(yàn)彙(huì)水區域的(de)暴雨設計流量(liàng),進而确定(dìng)雨水(shuǐ)口數量,其(qí)中有(yǒu)幾處(chù)需(xū)要注意(yì):
①雨水口(kǒu)的洩水(shuǐ)能力與雨水口(kǒu)型式、尺(chǐ)寸(cùn)和箅前水深相關.因(yīn)此需(xū)要按照實(shí)際工程中的恰(qià)當參(cān)數進行計(jì)算确定,這樣以(yǐ)統--表格來規定(dìng)洩水能力(lì)并不(bú)合理。
②即便在圖(tú)集中描述(shù)的(de)箅(bì)前水深爲(wèi)40mm的條(tiáo)件下,表(biǎo)格中規(guī)定的值也值得推敲。一個顯而(ér)易見的問(wèn)題(tí)是,相同(tóng)算前(qián)水深(shēn)條件下(xià),平算式顯然(rán)比立箅式(shì)水力條件好(過(guò)水面(miàn)積大,平(píng)均(jun1)水頭(tóu)大),洩水能(néng)力強。而表1中對(duì)單箅都統(tǒng)一規(guī)定20l/s的洩水(shuǐ)能力(lì)。
③工程中實(shí)際的雨水口尺(chǐ)寸也并不都與圖集中偶緻,相應的雨水口洩水能(néng)力更不(bú)能參照(zhào)表1.
2雨水口(kǒu)的流(liú)量計算模型
　　筆(bǐ)者以偏溝式雨水口爲例，介紹(shào)雨水口流量計(jì)算的(de)模(mó)型。随着暴雨流量增加(jiā)，彙流(liú)雨水(shuǐ)在雨(yǔ)水口(kǒu)前的(de)深度(dù)不斷增大(dà),雨水(shuǐ)口的流态(tài)可分(fèn)爲堰流及孔口(kǒu)流兩種。
2.1堰流狀态(tài)
　　在雨水口箅(bì)前水深(h)較(jiào)淺的情況(kuàng)下,雨水從(cóng)雨水口算邊緣(yuán)跌落,以堰流形式流人雨水口(kǒu)(見圖1)。
 
　　此(cǐ)時,雨(yǔ)水口流量(liàng)可(kě)按照(zhào)堰流流量計算(suàn)公式(shì)計算(suàn)'):
q=cwph1.5(1)
式中q一設計(jì)流量,m³/s
cw一(yī)堰流綜合(hé)流量(liàng)系數(shù),爲1.66
p一濕周(zhōu)(即堰寬(kuān)),p=l+2b(偏溝式(shì)雨水口),m
h一雨水(shuǐ)口箅(bì)前水深,m
　　此(cǐ)處對(duì)于堰流(liú)綜(zōng)合流量系(xì)數cw,若(ruò)按照寬(kuān)頂堰流(liú)的水力計算公式4,則:
cw=σƐm√2g(2)
式中σ一堰(yàn)流淹沒系數
Ɛ一堰流側收縮系數
m一堰(yàn)流流量(liàng)系數,爲0.385(按寬頂堰流量系(xì)數計(jì)算公式可(kě)算出(chū)).
g一重力加速度
　　雨水口的堰流(liú)爲自由出(chū)流(σ=1)且近似無(wú)側.收縮(suō)(ε=1),則可得(dé)出(chū)cw=1.71,與美國規(guī)範hec-22中cw=1.66較相(xiàng)近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均(jun1)爲相應系(xì)數最大取(qǔ)值,cw=1.71也可理解爲堰流(liú)綜合流量(liàng)系數(shù)的(de)最(zuì)大值，考慮(lǜ)到雨水口(kǒu)(尤其(qí)是立(lì)箅式(shì))進水的堰(yàn)流側(cè)收縮系(xì)數應小于i,因此雨水口(kǒu)計算以hec-22中(zhōng)cw值爲準(偏(piān)溝(gōu)式cw=1.66,立算(suàn)式(shì)cw=1.25,平箅(bì)式cw=1.4)。
2.2孔口(kǒu)流狀(zhuàng)态
　　當雨(yǔ)水(shuǐ)流量增(zēng)加(jiā)、雨水(shuǐ)口算前水(shuǐ)深(h)較(jiào)深時，雨水逐漸(jiàn)淹(yān)沒整個雨水(shuǐ)口算,轉變成以孔口(kǒu)流形式流(liú)人雨水(shuǐ)口(kǒu)，如圖2所示。
 
　　此時,雨水(shuǐ)口(kǒu)流量(liàng)按照孔(kǒng)口流流量計算(suàn)公式計算:
q=coa(2gh)0.5(3)
式中(zhōng)co一孔口流綜合(hé)流量系數，爲0.67
a一(yī)過(guò)水(shuǐ)面積(jī),m2
2.3堰流(liú)與孔口流的轉(zhuǎn)變
　　雨水口(kǒu)流量曲線見圖(tú)3。如圖3所示(shì),綠色(sè)爲堰(yàn)流狀态(tài)的(de)流量(liàng)曲線(xiàn),藍色爲孔(kǒng)口流狀(zhuàng)态的流量曲(qǔ)線。而圖中(zhōng)紅色虛線(xiàn)所示，即爲雨水口的(de)實際流量(liàng)特性。在箅前水深較(jiào)小時(shí),表現(xiàn)爲堰流狀(zhuàng)态;在算前水深較大時,表現爲(wèi)孔(kǒng)口(kǒu)流(liú)狀(zhuàng)态。而當(dāng)箅(bì)前水(shuǐ)深爲(wèi)臨界深度(dù)he時，堰流(liú)狀(zhuàng)态與(yǔ)孔口流狀态的(de)計算(suàn)流量相同(tóng),均爲(wèi)qc.
 
　　從圖(tú)3可知(zhī),在實(shí)際雨(yǔ)水口(kǒu)流量(liàng)計算中,可以對設計(jì)算前水深(shēn)分别計算出堰流态(tài)流量(liàng)和孔(kǒng)口(kǒu)流态流(liú)量,而設計流量(liàng)取(qǔ)兩者之中較(jiào)小值。
3雨水口流量計(jì)算(suàn)示例
　　下面以圖集(jí)中規(guī)定的(de)雨(yǔ)水口的(de)型式及水力條(tiáo)件.(算(suàn)前水深(shēn)爲(wèi)40mm)爲例(lì),計算(suàn)雨水口的流(liú)量,也.即是雨水口的洩(xiè)水能(néng)力。
3.1平箅式(shì)雨水口
　　對(duì)于平(píng)算式單(dān)箅(bì)雨水(shuǐ)口,長度l=0.68m,寬(kuān)度b=0.38m。
　　堰流狀(zhuàng)态下,濕周(zhōu)p=2(l+b)=2.12m,則堰流态設計(jì)流量qw=cwph1.5=0.024m³/s.
　　孔口流狀(zhuàng)态下,過水面積(jī)a=lxb=0.2584m2,則孔(kǒng)口(kǒu)流态設(shè)計流量qo=coa(2gh)0.5=0.153m³/s.
　　因(yīn)qw<qo故實(shí)際設(shè)計流量q=qw=0.024m³/s.
3.2偏(piān)溝式雨水口
　　對(duì)于偏(piān)溝(gōu)式單箅(bì)雨水口,長(zhǎng)度l=0.68m,寬(kuān)度b=0.38m。.
　　堰(yàn)流狀态下,濕周p=l+2b=1.44m,則堰(yàn)流态(tài)設計流量qw=cwph1.5=0.019m³/s。
　　孔(kǒng)口(kǒu)流狀态下,過水(shuǐ)面積(jī)a=lxb=0.2584m2,則孔口流态設(shè)計流量qo=coa(2gh)0.5=0.153m³/s.
　　因(yīn)qw<qo故實(shí)際(jì)設計流(liú)量q=qw=0.019m³/s。
3.3立算式雨水(shuǐ)口
　　對于立算式(shì)單算(suàn)雨(yǔ)水口,長(zhǎng)度l=0.68m,立(lì)算高度h=0.20m(>算(suàn)前水(shuǐ)深h=0.04m)。
　　堰流狀态下(xià),濕周p=l+2h=0.76m,則堰(yàn)流态設計流量(liàng)qw=cwph1.5=0.008m³/s.
　　孔口流狀态下(xià),過水(shuǐ)面積(jī)a=lxh=0.0272m2,則孔(kǒng)口流态(tài)設計流(liú)量qo=coa(2gh)0.5=0.016m³/s。因qw<qo,故實際設(shè)計流量(liàng)q=qw=0.008m³/s。
4流(liú)量計(jì)算結果(guǒ)分析
4.1計(jì)算流量與圖集(jí)中規定值比較(jiào)
　　将計算設計流(liú)量與圖集(jí)中的(de)數據(jù)進行比較(jiào),結果如表2所示。
 
4.2适(shì)用性
　　該雨水(shuǐ)口流量計算模型僅(jǐn)适用(yòng)于在(zài)道路(lù)(或場地)縱坡底(dǐ)部的雨水(shuǐ)口，而(ér)對于(yú)在道(dào)路縱坡(pō)中間(jiān)的(de)雨水口,由(yóu)于是單側(cè)進水，且超(chāo)出雨水口洩水能力(lì)的雨(yǔ)水,會(huì)漫過(guò)該雨水(shuǐ)口流往下一一個雨水口,并(bìng)非理想的(de)堰(yàn)流或孔(kǒng)口流狀(zhuàng)态，因此(cǐ)計算方法(fǎ)會有(yǒu)不同,不能簡單按算前(qián)水深進(jìn)行計(jì)算。
4.3過水斷面有(yǒu)效系數
　　考(kǎo)慮到雨水(shuǐ)口過(guò)水斷面受(shòu)到算(suàn)子阻礙(ài)(以(yǐ)及可(kě)能受(shòu)樹葉或垃(lā)圾阻塞),其(qí)過水(shuǐ)面積還應乘以(yǐ)-一個(gè)有(yǒu)效(xiào)系數(shù),這樣得出(chū)的相(xiàng)應洩水能(néng)力會變(biàn)小,也更接近(jìn)真實。
　　過水斷面(miàn)有效(xiào)系數的基本計算(suàn)原(yuán)則如(rú)下式(shì),但另外還(hái)會略受箅子格(gé)栅型(xíng)式的影(yǐng)響(xiǎng)。
 
4.4多箅(bì)式及聯合(hé)式雨(yǔ)水口(kǒu)的計(jì)算
　　計算未涉及(jí)多箅式及聯合(hé)式雨水口(kǒu),其計算可(kě)依照(zhào)類似(sì)方法，但需(xū)要特别注(zhù)意(yì)濕周和(hé)過(guò)水面積的合(hé)理取(qǔ)值。
5結語
　　雨(yǔ)水口(kǒu)的設(shè)計流量,應按(àn)照(zhào)設計(jì)中合(hé)理的(de)設計(jì)條件(jiàn)進行(háng)具體(tǐ)計算(suàn)，不(bú)适宜(yí)采(cǎi)用統(tǒng)--的規定值(zhí)作爲設計洩水能力。
　　對于(yú)特定(dìng)的算前水深,不(bú)同的雨水口型(xíng)式及尺(chǐ)寸,會有不同的洩水能(néng)力。在(zài)工程(chéng)項目中,不(bú)同的雨水(shuǐ)口設計(jì)場(chǎng)所(suǒ)可(kě)能有(yǒu)不同(tóng)的安(ān)全水深的要求(qiú)(需考慮淹沒深(shēn)度對車道(dào)的影(yǐng)響),而且實際雨水口(kǒu)尺寸很可能與圖(tú)集中的(de)不同,設計中應(yīng)按照(zhào)實際的水(shuǐ)力模型進行計(jì)算。
　　即便設計中(zhōng)的雨水(shuǐ)口尺寸(cùn)和水力模型與(yǔ)圖集中的(de)一緻(zhì),采用(yòng)圖(tú)集規定(dìng)的洩水能(néng)力值(zhí)也不可(kě)靠。圖集(jí)中對(duì)平算式、偏(piān)溝式(shì)、立算式三(sān)種雨(yǔ)水口(kǒu)規定(dìng)了統(tǒng)一的(de)洩水(shuǐ)能力(lì),這種做法不夠(gòu)科(kē)學(xué)。由于(yú)三種型式(shì)的水(shuǐ)力特(tè)性不同(tóng)，在(zài)較小水深時,洩(xiè)水能力應該爲(wèi):平箅(bì)式>偏溝式>立算式。

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