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雨水口的流量计算方法探讨
发布时间:2022-4-26 08:34:20

摘要:基于水力学理论以及对相关规范的研究,提出雨水口流量计的计算方法。并以计算示例验证了《雨水口》05S518)标准图集中规定的泄水能力不准确,建议实际工程中应以道路坡度、箅前设计水深、雨水口型式及尺寸等为条件进行具体的设计流量计算,以确定雨水口的设计与布置。
  雨水口是城市雨水排水系统中收集地表水的构筑物,是地面径流转变为管道排水的过渡点。雨水口的合理设计是改善地面暴雨积水的重要保证,也,是雨水排水系统设计中的一个值得重视的部分。然而国内目前的排水设计中较忽略对雨水口的设计计算,笔者依据对美国规范HEC-22的研究和基本的水力学理论,提出有关雨水口设计流量的计算方法,以供业内工程师及学者们参考。
1国内现行的雨水口设计方法
1.1现行规范
  《室外排水设计规范》(GB50014-2006,2011.年版)中规定:雨水口的型式、数量和布置,应按汇水面积所产生的流量、雨水口的泄水能力及道路型式确定"
  标准图集雨水口》(05S518)中说明:雨水口的泄水能力与道路的坡度、雨水口的型式、箅前水深等因素有关。根据对不同型式的雨水口、不同箅数、不同算形的室内1:1的水工模型的水力实验(道路纵坡为0.3%~3.5%,横坡为1.5%,箅前水深为40mm),各类雨水口的设计泄水能力见表1。
 
1.2不足之处
  现行的设计方法通常以图集中规定的雨水口泄水能力来校验汇水区域的暴雨设计流量,进而确定雨水口数量,其中有几处需要注意:
①雨水口的泄水能力与雨水口型式、尺寸和箅前水深相关.因此需要按照实际工程中的恰当参数进行计算确定,这样以统--表格来规定泄水能力并不合理。
②即便在图集中描述的箅前水深为40mm的条件下,表格中规定的值也值得推敲。一个显而易见的问题是,相同算前水深条件下,平算式显然比立箅式水力条件好(过水面积大,平均水头大),泄水能力强。而表1中对单箅都统一规定20L/s的泄水能力。
③工程中实际的雨水口尺寸也并不都与图集中偶致,相应的雨水口泄水能力更不能参照表1.
2雨水口的流量计算模型
  笔者以偏沟式雨水口为例,介绍雨水口流量计算的模型。随着暴雨流量增加,汇流雨水在雨水口前的深度不断增大,雨水口的流态可分为堰流及孔口流两种。
2.1堰流状态
  在雨水口箅前水深(H)较浅的情况下,雨水从雨水口算边缘跌落,以堰流形式流人雨水口(见图1)。
 
  此时,雨水口流量可按照堰流流量计算公式计算'):
Q=CwPH1.5(1)
式中Q一设计流量,m³/s
Cw一堰流综合流量系数,为1.66
P一湿周(即堰宽),P=L+2B(偏沟式雨水口),m
H一雨水口箅前水深,m
  此处对于堰流综合流量系数Cw,若按照宽顶堰流的水力计算公式4,则:
Cw=σƐm√2g(2)
式中σ一堰流淹没系数
Ɛ一堰流侧收缩系数
m一堰流流量系数,为0.385(按宽顶堰流量系数计算公式可算出).
g一重力加速度
  雨水口的堰流为自由出流(σ=1)且近似无侧.收缩(ε=1),则可得出Cw=1.71,与美国规范HEC-22中Cw=1.66较相近。由于σ=1、ε=1、m=0.385均为相应系数最大取值,Cw=1.71也可理解为堰流综合流量系数的最大值,考虑到雨水口(尤其是立箅式)进水的堰流侧收缩系数应小于I,因此雨水口计算以HEC-22中Cw值为准(偏沟式Cw=1.66,立算式Cw=1.25,平箅式Cw=1.4)。
2.2孔口流状态
  当雨水流量增加、雨水口算前水深(H)较深时,雨水逐渐淹没整个雨水口算,转变成以孔口流形式流人雨水口,如图2所示。
 
  此时,雨水口流量按照孔口流流量计算公式计算:
Q=CoA(2gH)0.5(3)
式中Co一孔口流综合流量系数,为0.67
A一过水面积,m2
2.3堰流与孔口流的转变
  雨水口流量曲线见图3。如图3所示,绿色为堰流状态的流量曲线,蓝色为孔口流状态的流量曲线。而图中红色虚线所示,即为雨水口的实际流量特性。在箅前水深较小时,表现为堰流状态;在算前水深较大时,表现为孔口流状态。而当箅前水深为临界深度He时,堰流状态与孔口流状态的计算流量相同,均为Qc.
 
  从图3可知,在实际雨水口流量计算中,可以对设计算前水深分别计算出堰流态流量和孔口流态流量,而设计流量取两者之中较小值。
3雨水口流量计算示例
  下面以图集中规定的雨水口的型式及水力条件.(算前水深为40mm)为例,计算雨水口的流量,也.即是雨水口的泄水能力。
3.1平箅式雨水口
  对于平算式单箅雨水口,长度L=0.68m,宽度B=0.38m。
  堰流状态下,湿周P=2(L+B)=2.12m,则堰流态设计流量Qw=CwPH1.5=0.024m³/s.
  孔口流状态下,过水面积A=LxB=0.2584m2,则孔口流态设计流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
  因Qw<Qo故实际设计流量Q=Qw=0.024m³/s.
3.2偏沟式雨水口
  对于偏沟式单箅雨水口,长度L=0.68m,宽度B=0.38m。.
  堰流状态下,湿周P=L+2B=1.44m,则堰流态设计流量Qw=CwPH1.5=0.019m³/s。
  孔口流状态下,过水面积A=LxB=0.2584m2,则孔口流态设计流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.153m³/s.
  因Qw<Qo故实际设计流量Q=Qw=0.019m³/s。
3.3立算式雨水口
  对于立算式单算雨水口,长度L=0.68m,立算高度h=0.20m(>算前水深H=0.04m)。
  堰流状态下,湿周P=L+2H=0.76m,则堰流态设计流量Qw=CwPH1.5=0.008m³/s.
  孔口流状态下,过水面积A=LxH=0.0272m2,则孔口流态设计流量Qo=CoA(2gH)0.5=0.016m³/s。因Qw<Qo,故实际设计流量Q=Qw=0.008m³/s。
4流量计算结果分析
4.1计算流量与图集中规定值比较
  将计算设计流量与图集中的数据进行比较,结果如表2所示。
 
4.2适用性
  该雨水口流量计算模型仅适用于在道路(或场地)纵坡底部的雨水口,而对于在道路纵坡中间的雨水口,由于是单侧进水,且超出雨水口泄水能力的雨水,会漫过该雨水口流往下一一个雨水口,并非理想的堰流或孔口流状态,因此计算方法会有不同,不能简单按算前水深进行计算。
4.3过水断面有效系数
  考虑到雨水口过水断面受到算子阻碍(以及可能受树叶或垃圾阻塞),其过水面积还应乘以-一个有效系数,这样得出的相应泄水能力会变小,也更接近真实。
  过水断面有效系数的基本计算原则如下式,但另外还会略受箅子格栅型式的影响。
 
4.4多箅式及联合式雨水口的计算
  计算未涉及多箅式及联合式雨水口,其计算可依照类似方法,但需要特别注意湿周和过水面积的合理取值。
5结语
  雨水口的设计流量,应按照设计中合理的设计条件进行具体计算,不适宜采用统--的规定值作为设计泄水能力。
  对于特定的算前水深,不同的雨水口型式及尺寸,会有不同的泄水能力。在工程项目中,不同的雨水口设计场所可能有不同的安全水深的要求(需考虑淹没深度对车道的影响),而且实际雨水口尺寸很可能与图集中的不同,设计中应按照实际的水力模型进行计算。
  即便设计中的雨水口尺寸和水力模型与图集中的一致,采用图集规定的泄水能力值也不可靠。图集中对平算式、偏沟式、立算式三种雨水口规定了统一的泄水能力,这种做法不够科学。由于三种型式的水力特性不同,在较小水深时,泄水能力应该为:平箅式>偏沟式>立算式。

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