淺析安巴港區(qū)雨水口優(yōu)化設(shè)計(jì)

左賀勇

【摘? 要】論文針對(duì)安提瓜和巴布達(dá)港區(qū)雨水口設(shè)計(jì)，以水力學(xué)模型為基礎(chǔ)，介紹了雨水口泄流量、截留效率及設(shè)置間距的計(jì)算方法，通過(guò)工程實(shí)例，為港區(qū)雨水口優(yōu)化提供參考。

【Abstract】Aiming at the design of the rainwater inlet in Antigua and Barbuda Port area， this paper introduces the calculation method of discharge， interception efficiency and spacing of the rainwater inlet? based on the hydraulic model， and provides a reference for the optimization of the rainwater inlet in the port area through an engineering example.

【關(guān)鍵詞】雨水口;截流效率;排水系統(tǒng);泄流能力

【Keywords】rainwater inlet; interception efficiency; drainage system; discharge capacity

【中圖分類號(hào)】U417.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）03-0194-03

1 引言

雨水口是銜接排水管道與地表徑流的重要附屬構(gòu)筑物，是排水工程的重要組成部分。地面積存的雨水經(jīng)過(guò)雨水口連接管進(jìn)入排水管道，有效地控制了雨水進(jìn)入排水管道系統(tǒng)的徑流量?？茖W(xué)合理地設(shè)計(jì)雨水口是排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 雨水口類型

排水系統(tǒng)雨水口通常有三種：平箅式雨水口、立式雨水口及聯(lián)合式雨水口。其中平箅式又分為地面平箅式和有緣平箅式，地面式主要用于平坦的道路及易積水的地勢(shì)低洼處、海工基地的生活區(qū)域，港區(qū)總裝場(chǎng)地等。但平箅式雨水口暴露在車道邊緣，長(zhǎng)期受機(jī)動(dòng)車碾壓，易損壞，影響美觀;有緣平箅式雨水口一般用于有路緣石的道路。立式雨水口的進(jìn)水地面一般比道路路面略低。有孔式和立箅式兩種，適用于有緣石的道路，此種形式的雨水口可以有效地預(yù)防地面垃圾堵塞箅隙，聯(lián)合式雨水口是上述兩種雨水口的綜合體，截流能力強(qiáng)，但成本較高。港口常見類型雨水口的應(yīng)用情況如表1所示。

表1? 港口常見類型雨水口的應(yīng)用情況

3 雨水口的設(shè)置位置

雨水口的設(shè)置位置，應(yīng)具備迅速收集地面雨水的功能。

①地勢(shì)低洼地帶：如城市道路匯水點(diǎn)、單坡路面的道路低側(cè)、雙坡道路的兩側(cè)。

②立交橋道路的引橋起點(diǎn)。

③地下車庫(kù)道路入口處，停車場(chǎng)、貨場(chǎng)等地勢(shì)低洼處。

④城市道路側(cè)方支路、重點(diǎn)交匯處等能夠截留雨水徑流處。

⑤不適宜設(shè)立的位置：景觀綠地低洼處、建筑物入口處、建筑物排水管地面排水點(diǎn)附近。

4 雨水口設(shè)置間距的計(jì)算

4.1 單位面積雨水口的匯水流量計(jì)算

港區(qū)單位面積雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為：

式中：ψ為徑流系數(shù);q為暴雨強(qiáng)度（L/（S·hm2））。

綜合徑流系數(shù)（見表2）應(yīng)按照各種地面的面積加權(quán)平均計(jì)算確定。資料不足時(shí)，港區(qū)綜合徑流系數(shù)可根據(jù)港口建筑物或者堆場(chǎng)的稠密程度在0.5～0.8內(nèi)選用。

表2? 徑流系數(shù)

雨水設(shè)計(jì)的暴雨強(qiáng)度應(yīng)按照項(xiàng)目所在地的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。如當(dāng)?shù)責(zé)o暴雨強(qiáng)度公式，可參照附近類似情況的城鎮(zhèn)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。

我國(guó)采用的暴雨強(qiáng)度公式為：

式中：A、c、b、n為地方參數(shù);t為降雨歷時(shí)，一般取 5～8min;P為重現(xiàn)期（a）。

港區(qū)雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期選取原則如下：

①內(nèi)河客運(yùn)航線：2～3年。

②港區(qū)（整件雜貨、糧食、鹽、集裝箱）：2～3年。

③港區(qū)（石油石化物資、鋼鐵煤炭等）：1～2年。

對(duì)于地勢(shì)低洼、位置重要的場(chǎng)所，積水能引起較大經(jīng)濟(jì)損失或引起交通擁堵，易引發(fā)交通事故的地區(qū)，應(yīng)取高值。

4.2 雨水口泄水能力計(jì)算

4.2.1 平箅式雨水口

平箅式雨水口為頂部進(jìn)水，雨水常常漫過(guò)雨水口箅隙，此種雨水口的泄水能力可以采用孔口出流公式計(jì)算：

式中：Q■為單個(gè)雨水口泄水能力（m3/s）;？滋為孔口流量系數(shù)，此處可取0.60;？棕為雨水口箅隙有效面積（m2）;h為允許雨水口箅前水深，一般為0.02～0.06m;g為重力加速度（m/s2）;c為雨水口堵塞系數(shù)。

4.2.2 立式雨水口

立式雨水口為側(cè)向進(jìn)水，因此，計(jì)算其泄水能力時(shí)可以采用堰流公式：

式中：Q為單個(gè)雨水口泄水能力（m3/s）;σ為流量系數(shù)，此處可取0.40;L1為雨水口箅隙長(zhǎng)度（m）;H■為雨水口側(cè)箅水深（m）;g為重力加速度（m/s2）;c為雨水口堵塞系數(shù)。

4.3 雨水口截流效率確定

4.3.1 邊溝平箅式雨水口的截流效率

設(shè)計(jì)邊溝式雨水口方法如下：

將水流分為正面流、測(cè)流和越流。當(dāng)邊溝水流擴(kuò)展超過(guò)箅子寬度時(shí)，箅子的正面水流將從箅子正上游部位流來(lái)，側(cè)面流是繞過(guò)箅子邊緣的水流部分[1]。當(dāng)水流繞過(guò)箅子時(shí)，部分側(cè)面流將被截流，截留量取決于邊溝橫斷面坡度、流速及箅子長(zhǎng)度。當(dāng)邊溝流速太高，或者箅子長(zhǎng)度太短時(shí)，正面流將難以完全被截留，部分流量將越過(guò)雨水口而成為越流。

對(duì)于邊溝，邊溝正面流與邊溝總流的比值E0，如果假設(shè)邊溝橫斷面坡度單一，比值E0可表示為：

式中：W為箅子寬度（m）;T為邊溝水面寬度（m）。

側(cè)面流與邊溝總流的比值E1為：

正面截流與總正面流之比，即為正面截流效率R，可表示為：

式中：K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.295;v為邊溝流速（m/s）;v為在越流開始產(chǎn)生時(shí)的臨界邊溝速度（m/s），也稱作越流起始速度。

箅子側(cè)面截留量與側(cè)面總流的比值，稱作側(cè)面流效率Rs，可表示為：

式中：K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.0828;L為箅子長(zhǎng)度（m）;Sx為道路的橫向坡度。

于是箅子的總截流效率ξ，可表示為正面截流與側(cè)面截流效率函數(shù)，即：

4.3.2 立式雨水口的截流效率確定

影響立式雨水口截流能力的主要因素有近緣石處的水深、緣石開孔的長(zhǎng)度、路面橫向坡度和縱向坡度[2]。常見的緣石的開孔高度一般在100～150mm。對(duì)于單一坡度型斷面邊溝，截流100%邊溝流量的側(cè)邊石開孔雨水口的開孔長(zhǎng)度可以表示為：

式中：l為截流全部邊溝流量所需邊石雨水口開孔長(zhǎng)度（m）;K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.817;SL為道路的縱向坡度。

當(dāng)緣石雨水口開孔長(zhǎng)度小于l時(shí)，則截流效率ξ計(jì)算為：

式中：l'為邊石開孔長(zhǎng)度（m）;K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.817。

4.3.3 聯(lián)合式雨水口的截流效率確定

聯(lián)合式雨水口是在邊溝底部及相鄰緣石都設(shè)置進(jìn)水箅，便于雨水的泄流。如果聯(lián)合式雨水口的邊溝平箅部分與緣石開孔部分長(zhǎng)度相同，則聯(lián)合式雨水口的截流能力和效率與單設(shè)立式平箅雨水口相比差別不大，因此，實(shí)際計(jì)算中仍能采用立式雨水口截流能力和效率公式計(jì)算[3]。

在雨水口設(shè)計(jì)中，當(dāng)?shù)缆房v坡小于0.3%，雨水會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的遲滯，不會(huì)迅速地向低處流動(dòng)匯集。此時(shí)雨水依靠路面所有雨水口排放，每一個(gè)雨水口都可發(fā)揮作用，共同承擔(dān)雨水流量，一般不會(huì)形成超越流量[4]。此時(shí)雨水口的截流效率ξ可取值為100%。

當(dāng)?shù)缆房v坡在0.3%～2%，特別是在道路橫坡面積較小的情況下，道路雨水水面寬度將會(huì)大于雨水口寬度，此時(shí)雨水被分流為兩部分：①被雨水口截流;②順流而下，在地勢(shì)低洼處形成超越水量。此時(shí)雨水口的截流效率ξ可取值為75%～90%。針對(duì)這種情況，需要在低洼處增加雨水口數(shù)量或?qū)ΜF(xiàn)有雨水口進(jìn)行改造，如更改其尺寸，增加其截流效率。

當(dāng)路面縱坡大于2%時(shí)，路面雨水水流將處于急流狀態(tài)，同時(shí)部分水流將躍過(guò)雨水口而形成跳躍，在地勢(shì)低洼路段或者暴雨期，會(huì)出現(xiàn)較大匯水面積[5]。此時(shí)道坡道上的雨水口泄水能力大大降低，這時(shí)雨水口的截流效率ξ一般低于75%。

4.4 雨水口間距的計(jì)算

雨水口設(shè)置間距的確定主要與雨水匯流流量Q和雨水口的截流能力Q有關(guān)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，視單個(gè)雨水口的排水面積形狀為矩形。假設(shè)雨水口服務(wù)區(qū)域垂直與道路縱坡方向的寬度為B，另根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》2014版[6]規(guī)定，雨水口設(shè)計(jì)泄流量應(yīng)為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期計(jì)算流量的1.5～3倍，則雨水口設(shè)置間距可表示為：

5 案例分析

以安提瓜和巴布達(dá)圣約翰港碼頭陸域堆場(chǎng)道路為例，道路寬12m，雙面匯水，堆場(chǎng)寬度為74m，堆場(chǎng)設(shè)計(jì)向兩側(cè)排水，匯水地面以混凝土為主，該堆場(chǎng)道路縱坡小于0.3%，橫坡為1.5%，采用邊溝平箅式雙箅雨水口，道路兩側(cè)設(shè)置;碼頭靠岸側(cè)引橋?qū)挒?2m，單側(cè)匯水寬度為22m，引橋縱坡為2.9%，橫坡為1.5%，雨水口采用平箅式單箅雨水口，兩側(cè)布置。

各數(shù)據(jù)取值為：ψ=0.9，P=3a，t=5min，μ=0.6，ω雙=0.24m2，ω單=0.12m2，h=0.04m，g=9.8 m/s2。將以上數(shù)據(jù)帶入當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式及雨水口泄流量計(jì)算公式：

已知堆場(chǎng)道路縱坡小于0.3%，取雨水口的截流效率ξ=1，則堆場(chǎng)雨水口設(shè)置間距：

引橋道路縱坡為2.9%，橫坡為1.5%，且雨水口箅子寬度W=0.4m，當(dāng)雨水口箅前水深達(dá)到0.04m時(shí)，邊溝水面寬度T=2.6m，由曼寧公式可得，邊溝流速v=4.47m/s，根據(jù)雨水口平箅的柵條布置結(jié)構(gòu)、箅子長(zhǎng)度和邊溝流速可得出越流起始速度v0=2.5m/s，由以上數(shù)據(jù)可得ξ=0.32，則堆場(chǎng)雨水口設(shè)置間距：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本設(shè)計(jì)堆場(chǎng)雨水口間距為27.6m，引橋雨水口間距為45.3m，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及施工需求，本項(xiàng)目分別按照間距為27m/組和45m/個(gè)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合雨水管網(wǎng)，雨水口的優(yōu)化布置如圖1所示。

6 經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)雨水口單項(xiàng)優(yōu)化節(jié)省雨水口、雨水井30余個(gè)，有效節(jié)省了鋼筋、混凝土、人工、雨水篦子的用量累計(jì)約合人民幣90余萬(wàn)元，有效地降低了項(xiàng)目的施工成本，縮短了施工工期。

7 結(jié)論

雨水口在雨水系統(tǒng)中占據(jù)著重要的位置，其設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合路面形式選擇較為合適的雨水口形式，同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算確定雨水口間距，合理布置雨水口，保證雨水順利排除的同時(shí)確保經(jīng)濟(jì)合理。

【參考文獻(xiàn)】

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