摘要:基于(yu)水力學理論以及(jí)對相關規範的研(yan)究,提出雨水口流(liú)量計
的計算方法(fa)。并以計算示例驗(yan)證了《雨水口》05S518)标準(zhun)圖集中規定的洩(xiè)水能力不準确,建(jian)議實際工程中應(ying)以道路坡度、箅前(qian)設計水深、雨水口(kou)型式及尺寸等爲(wèi)條件進行具體的(de)設計流量計算,以(yi)确定雨水口的設(shè)計與布置。
雨水口(kou)是城市雨水排水(shui)系統中收集地表(biǎo)水的構築物,是地(dì)面徑流轉變爲管(guǎn)道排水的過渡點(diǎn)。雨水口的合理設(shè)計是改善地面暴(bao)雨積水的重要保(bao)證，也，是雨水排水(shuǐ)系統設計中的一(yi)個值得重視的部(bu)分。然而國内目前(qian)的排水設計中較(jiào)忽略對雨水口的(de)設計計算，筆者依(yi)據對美國規範HEC-22的(de)研究和基本的水(shuǐ)力學理論，提出有(yǒu)關雨水口設計流(liu)量的計算方法，以(yi)供業内工程師及(ji)學者們參考。
1國内(nei)現行的雨水口設(shè)計方法
1.1現行規範(fan)
《室外排水設計規(guī)範》(GB50014-2006,2011.年版)中規定:雨(yǔ)水口的型式、數量(liàng)和布置,應按彙水(shuǐ)面積所産生的流(liu)量、雨水口的洩水(shuǐ)能力及道路型式(shì)确定"
标準圖集雨(yǔ)水口》(05S518)中說明:雨水(shuǐ)口的洩水能力與(yu)道路的坡度、雨水(shuǐ)口的型式、箅前水(shui)深等因素有關。根(gen)據對不同型式的(de)雨水口、不同箅數(shu)、不同算形的室内(nèi)1:1的水工模型的水(shui)力實驗(道路縱坡(po)爲0.3%~3.5%,橫坡爲1.5%,箅前水(shui)深爲40mm),各類雨水口(kǒu)的設計洩水能力(li)見表1。
1.2不足之處
現(xian)行的設計方法通(tōng)常以圖集中規定(ding)的雨水口洩水能(neng)力來校驗彙水區(qū)域的暴雨設計流(liu)量,進而确定雨水(shuǐ)口數量,其中有幾(jǐ)處需要注意:
①雨水(shuǐ)口的洩水能力與(yǔ)雨水口型式、尺寸(cun)和箅前水深相關(guan).因此需要按照實(shi)際工程中的恰當(dang)參數進行計算确(què)定,這樣以統--表格(gé)來規定洩水能力(lì)并不合理。
②即便在(zai)圖集中描述的箅(bi)前水深爲40mm的條件(jian)下,表格中規定的(de)值也值得推敲。一(yī)個顯而易見的問(wen)題是,相同算前水(shui)深條件下,平算式(shi)顯然比立箅式水(shuǐ)力條件好(過水面(miàn)積大,平均水頭大(dà)),洩水能力強。而表(biǎo)1中對單箅都統一(yi)規定20L/s的洩水能力(li)。
③工程中實際的雨(yu)水口尺寸也并不(bú)都與圖集中偶緻(zhi),相應的雨水口洩(xiè)水能力更不能參(cān)照表1.
2雨水口的流(liú)量計算模型
筆者(zhě)以偏溝式雨水口(kǒu)爲例，介紹雨水口(kou)流量計算的模型(xing)。随着暴雨流量增(zeng)加，彙流雨水在雨(yǔ)水口前的深度不(bú)斷增大,雨水口的(de)流态可分爲堰流(liu)及孔口流兩種。
2.1堰(yan)流狀态
在雨水口(kǒu)箅前水深(H)較淺的(de)情況下,雨水從雨(yu)水口算邊緣跌落(luò),以堰流形式流人(ren)雨水口(見圖1)。
此時(shi),雨水口流量可按(àn)照堰流流量計算(suan)公式計算'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一(yī)設計流量,m³/s
Cw一堰流(liu)綜合流量系數,爲(wèi)1.66
P一濕周(即堰寬),P=L+2B(偏(pian)溝式雨水口),m
H一雨(yǔ)水口箅前水深,m
此(ci)處對于堰流綜合(hé)流量系數Cw,若按照(zhào)寬頂堰流的水力(li)計算公式4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式中(zhong)σ一堰流淹沒系數(shu)
Ɛ一堰流側收縮系(xì)數
m一堰流流量系(xì)數,爲0.385(按寬頂堰流(liú)量系數計算公式(shi)可算出).
g一重力加(jia)速度
雨水口的堰(yàn)流爲自由出流(σ=1)且(qiě)近似無側.收縮(ε=1),則(ze)可得出Cw=1.71,與美國規(guī)範HEC-22中Cw=1.66較相近。由于(yu)σ=1、ε=1、m=0.385均爲相應系數最(zuì)大取值,Cw=1.71也可理解(jie)爲堰流綜合流量(liang)系數的最大值，考(kǎo)慮到雨水口(尤其(qi)是立箅式)進水的(de)堰流側收縮系數(shù)應小于I,因此雨水(shuǐ)口計算以HEC-22中Cw值爲(wèi)準(偏溝式Cw=1.66,立算式(shì)Cw=1.25,平箅式Cw=1.4)。
2.2孔口流狀(zhuang)态
當雨水流量增(zeng)加、雨水口算前水(shui)深(H)較深時，雨水逐(zhu)漸淹沒整個雨水(shui)口算,轉變成以孔(kǒng)口流形式流人雨(yu)水口，如圖2所示。
此(cǐ)時,雨水口流量按(an)照孔口流流量計(ji)算公式計算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中(zhong)Co一孔口流綜合流(liú)量系數，爲0.67
A一過水(shuǐ)面積,m2
2.3堰流與孔口(kǒu)流的轉變
雨水口(kou)流量曲線見圖3。如(ru)圖3所示,綠色爲堰(yàn)流狀态的流量曲(qu)線,藍色爲孔口流(liú)狀态的流量曲線(xiàn)。而圖中紅色虛線(xiàn)所示，即爲雨水口(kǒu)的實際流量特性(xing)。在箅前水深較小(xiǎo)時,表現爲堰流狀(zhuàng)态;在算前水深較(jiao)大時,表現爲孔口(kou)流狀态。而當箅前(qián)水深爲臨界深度(du)He時，堰流狀态與孔(kong)口流狀态的計算(suàn)流量相同,均爲Qc.
從(cóng)圖3可知,在實際雨(yu)水口流量計算中(zhong),可以對設計算前(qián)水深分别計算出(chu)堰流态流量和孔(kǒng)口流态流量,而設(she)計流量取兩者之(zhi)中較小值。
3雨水口(kou)流量計算示例
下(xià)面以圖集中規定(dìng)的雨水口的型式(shi)及水力條件.(算前(qian)水深爲40mm)爲例,計算(suàn)雨水口的流量,也(ye).即是雨水口的洩(xiè)水能力。
3.1平箅式雨(yǔ)水口
對于平算式(shi)單箅雨水口,長度(du)L=0.68m,寬度B=0.38m。
堰流狀态下(xia),濕周P=2(L+B)=2.12m,則堰流态設(shè)計流量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
孔口流狀(zhuàng)态下,過水面積A=LxB=0.2584m2,則(ze)孔口流态設計流(liu)量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實際設計(ji)流量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式雨水(shui)口
對于偏溝式單(dan)箅雨水口,長度L=0.68m,寬(kuān)度B=0.38m。.
堰流狀态下,濕(shi)周P=L+2B=1.44m,則堰流态設計(jì)流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
孔口流狀态(tai)下,過水面積A=LxB=0.2584m2,則孔(kong)口流态設計流量(liàng)Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實際設計流(liu)量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算式雨水口(kou)
對于立算式單算(suan)雨水口,長度L=0.68m,立算(suàn)高度h=0.20m(>算前水深H=0.04m)。
堰(yan)流狀态下,濕周P=L+2H=0.76m,則(zé)堰流态設計流量(liang)Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
孔口流狀态下,過(guò)水面積A=LxH=0.0272m2,則孔口流(liú)态設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故(gù)實際設計流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流(liu)量計算結果分析(xī)
4.1計算流量與圖集(ji)中規定值比較
将(jiāng)計算設計流量與(yǔ)圖集中的數據進(jin)行比較,結果如表(biǎo)2所示。
4.2适用性
該雨(yu)水口流量計算模(mó)型僅适用于在道(dào)路(或場地)縱坡底(dǐ)部的雨水口，而對(dui)于在道路縱坡中(zhōng)間的雨水口,由于(yú)是單側進水，且超(chāo)出雨水口洩水能(neng)力的雨水,會漫過(guò)該雨水口流往下(xià)一一個雨水口,并(bìng)非理想的堰流或(huo)孔口流狀态，因此(cǐ)計算方法會有不(bú)同,不能簡單按算(suàn)前水深進行計算(suàn)。
4.3過水斷面有效系(xi)數
考慮到雨水口(kǒu)過水斷面受到算(suàn)子阻礙(以及可能(néng)受樹葉或垃圾阻(zǔ)塞),其過水面積還(hái)應乘以-一個有效(xiào)系數,這樣得出的(de)相應洩水能力會(huì)變小,也更接近真(zhēn)實。
過水斷面有效(xiào)系數的基本計算(suàn)原則如下式,但另(ling)外還會略受箅子(zǐ)格栅型式的影響(xiang)。
4.4多箅式及聯合式(shì)雨水口的計算
計(ji)算未涉及多箅式(shì)及聯合式雨水口(kǒu),其計算可依照類(lei)似方法，但需要特(tè)别注意濕周和過(guo)水面積的合理取(qu)值。
5結語
雨水口的(de)設計流量,應按照(zhào)設計中合理的設(shè)計條件進行具體(ti)計算，不适宜采用(yòng)統--的規定值作爲(wèi)設計洩水能力。
對(dui)于特定的算前水(shui)深,不同的雨水口(kou)型式及尺寸,會有(you)不同的洩水能力(lì)。在工程項目中,不(bu)同的雨水口設計(ji)場所可能有不同(tóng)的安全水深的要(yào)求(需考慮淹沒深(shēn)度對車道的影響(xiang)),而且實際雨水口(kou)尺寸很可能與圖(tu)集中的不同,設計(jì)中應按照實際的(de)水力模型進行計(ji)算。
即便設計中的(de)雨水口尺寸和水(shuǐ)力模型與圖集中(zhōng)的一緻,采用圖集(ji)規定的洩水能力(lì)值也不可靠。圖集(jí)中對平算式、偏溝(gou)式、立算式三種雨(yǔ)水口規定了統一(yī)的洩水能力,這種(zhǒng)做法不夠科學。由(you)于三種型式的水(shuǐ)力特性不同，在較(jiào)小水深時,洩水能(neng)力應該爲:平箅式(shi)>偏溝式>立算式。
本(ben)文來源于網絡,如(ru)有侵權聯系即删(shān)除！
