摘要:基于水力學理論以及對相關規范的研究,提出雨水口流量計的計算方法。并以計算示例驗證了《雨水口》05S518)標準圖集中規定的泄水能力不準確,建議實際工程中應以道路坡度、箅前設計水深、雨水口型式及尺寸等為條件進行具體的設計流量計算,以確定雨水口的設計與布置。
雨水口是城市雨水排水系統中收集地表水的構筑物,是地面徑流轉變為管道排水的過渡點。雨水口的合理設計是改善地面暴雨積水的重要保證，也，是雨水排水系統設計中的一個值得重視的部分。然而國內目前的排水設計中較忽略對雨水口的設計計算，筆者依據對美國規范HEC-22的研究和基本的水力學理論，提出有關雨水口設計流量的計算方法，以供業內工程師及學者們參考。
1國內現行的雨水口設計方法
1.1現行規范
《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2011.年版)中規定:雨水口的型式、數量和布置,應按匯水面積所產生的流量、雨水口的泄水能力及道路型式確定"
標準圖集雨水口》(05S518)中說明:雨水口的泄水能力與道路的坡度、雨水口的型式、箅前水深等因素有關。根據對不同型式的雨水口、不同箅數、不同算形的室內1:1的水工模型的水力實驗(道路縱坡為0.3%~3.5%,橫坡為1.5%,箅前水深為40mm),各類雨水口的設計泄水能力見表1。
1.2不足之處
現行的設計方法通常以圖集中規定的雨水口泄水能力來校驗匯水區域的暴雨設計流量,進而確定雨水口數量,其中有幾處需要注意:
①雨水口的泄水能力與雨水口型式、尺寸和箅前水深相關.因此需要按照實際工程中的恰當參數進行計算確定,這樣以統--表格來規定泄水能力并不合理。
②即便在圖集中描述的箅前水深為40mm的條件下,表格中規定的值也值得推敲。一個顯而易見的問題是,相同算前水深條件下,平算式顯然比立箅式水力條件好(過水面積大,平均水頭大),泄水能力強。而表1中對單箅都統一規定20L/s的泄水能力。
③工程中實際的雨水口尺寸也并不都與圖集中偶致,相應的雨水口泄水能力更不能參照表1.
2雨水口的流量計算模型
筆者以偏溝式雨水口為例，介紹雨水口流量計算的模型。隨著暴雨流量增加，匯流雨水在雨水口前的深度不斷增大,雨水口的流態可分為堰流及孔口流兩種。
2.1堰流狀態
在雨水口箅前水深(H)較淺的情況下,雨水從雨水口算邊緣跌落,以堰流形式流人雨水口(見圖1)。
此時,雨水口流量可按照堰流流量計算公式計算'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一設計流量,m³/s
Cw一堰流綜合流量系數,為1.66
P一濕周(即堰寬),P=L+2B(偏溝式雨水口),m
H一雨水口箅前水深,m
此處對于堰流綜合流量系數Cw,若按照寬頂堰流的水力計算公式4,則:
Cw=σƐm√2g(2)
式中σ一堰流淹沒系數
Ɛ一堰流側收縮系數
m一堰流流量系數,為0.385(按寬頂堰流量系數計算公式可算出).
g一重力加速度
雨水口的堰流為自由出流(σ=1)且近似無側.收縮(ε=1),則可得出Cw=1.71,與美國規范HEC-22中Cw=1.66較相近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均為相應系數最大取值,Cw=1.71也可理解為堰流綜合流量系數的最大值，考慮到雨水口(尤其是立箅式)進水的堰流側收縮系數應小于I,因此雨水口計算以HEC-22中Cw值為準(偏溝式Cw=1.66,立算式Cw=1.25,平箅式Cw=1.4)。
2.2孔口流狀態
當雨水流量增加、雨水口算前水深(H)較深時，雨水逐漸淹沒整個雨水口算,轉變成以孔口流形式流人雨水口，如圖2所示。
此時,雨水口流量按照孔口流流量計算公式計算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中Co一孔口流綜合流量系數，為0.67
A一過水面積,m2
2.3堰流與孔口流的轉變
雨水口流量曲線見圖3。如圖3所示,綠色為堰流狀態的流量曲線,藍色為孔口流狀態的流量曲線。而圖中紅色虛線所示，即為雨水口的實際流量特性。在箅前水深較小時,表現為堰流狀態;在算前水深較大時,表現為孔口流狀態。而當箅前水深為臨界深度He時，堰流狀態與孔口流狀態的計算流量相同,均為Qc.
從圖3可知,在實際雨水口流量計算中,可以對設計算前水深分別計算出堰流態流量和孔口流態流量,而設計流量取兩者之中較小值。
3雨水口流量計算示例
下面以圖集中規定的雨水口的型式及水力條件.(算前水深為40mm)為例,計算雨水口的流量,也.即是雨水口的泄水能力。
3.1平箅式雨水口
對于平算式單箅雨水口,長度L=0.68m,寬度B=0.38m。
堰流狀態下,濕周P=2(L+B)=2.12m,則堰流態設計流量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
孔口流狀態下,過水面積A=LxB=0.2584m2,則孔口流態設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實際設計流量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏溝式雨水口
對于偏溝式單箅雨水口,長度L=0.68m,寬度B=0.38m。.
堰流狀態下,濕周P=L+2B=1.44m,則堰流態設計流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
孔口流狀態下,過水面積A=LxB=0.2584m2,則孔口流態設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
因Qw<Qo故實際設計流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算式雨水口
對于立算式單算雨水口,長度L=0.68m,立算高度h=0.20m(>算前水深H=0.04m)。
堰流狀態下,濕周P=L+2H=0.76m,則堰流態設計流量Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
孔口流狀態下,過水面積A=LxH=0.0272m2,則孔口流態設計流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故實際設計流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流量計算結果分析
4.1計算流量與圖集中規定值比較
將計算設計流量與圖集中的數據進行比較,結果如表2所示。
4.2適用性
該雨水口流量計算模型僅適用于在道路(或場地)縱坡底部的雨水口，而對于在道路縱坡中間的雨水口,由于是單側進水，且超出雨水口泄水能力的雨水,會漫過該雨水口流往下一一個雨水口,并非理想的堰流或孔口流狀態，因此計算方法會有不同,不能簡單按算前水深進行計算。
4.3過水斷面有效系數
考慮到雨水口過水斷面受到算子阻礙(以及可能受樹葉或垃圾阻塞),其過水面積還應乘以-一個有效系數,這樣得出的相應泄水能力會變小,也更接近真實。
過水斷面有效系數的基本計算原則如下式,但另外還會略受箅子格柵型式的影響。
4.4多箅式及聯合式雨水口的計算
計算未涉及多箅式及聯合式雨水口,其計算可依照類似方法，但需要特別注意濕周和過水面積的合理取值。
5結語
雨水口的設計流量,應按照設計中合理的設計條件進行具體計算，不適宜采用統--的規定值作為設計泄水能力。
對于特定的算前水深,不同的雨水口型式及尺寸,會有不同的泄水能力。在工程項目中,不同的雨水口設計場所可能有不同的安全水深的要求(需考慮淹沒深度對車道的影響),而且實際雨水口尺寸很可能與圖集中的不同,設計中應按照實際的水力模型進行計算。
即便設計中的雨水口尺寸和水力模型與圖集中的一致,采用圖集規定的泄水能力值也不可靠。圖集中對平算式、偏溝式、立算式三種雨水口規定了統一的泄水能力,這種做法不夠科學。由于三種型式的水力特性不同，在較小水深時,泄水能力應該為:平箅式>偏溝式>立算式。
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