浅析安巴港区雨水口优化设计
时间：2020-07-02 03:48:22 来源：达达文档网 本文已影响 人 
左贺勇
【摘 要】论文针对安提瓜和巴布达港区雨水口设计，以水力学模型为基础，介绍了雨水口泄流量、截留效率及设置间距的计算方法，通过工程实例，为港区雨水口优化提供参考。
【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.
【关键词】雨水口;截流效率;排水系统;泄流能力
【Keywords】rainwater inlet; interception efficiency; drainage system; discharge capacity
【中图分类号】U417.3 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）03-0194-03
1 引言
雨水口是衔接排水管道与地表径流的重要附属构筑物，是排水工程的重要组成部分。地面积存的雨水经过雨水口连接管进入排水管道，有效地控制了雨水进入排水管道系统的径流量。科学合理地设计雨水口是排水管网设计的关键。
2 雨水口类型
排水系统雨水口通常有三种：平箅式雨水口、立式雨水口及联合式雨水口。其中平箅式又分为地面平箅式和有缘平箅式，地面式主要用于平坦的道路及易积水的地势低洼处、海工基地的生活区域，港区总装场地等。但平箅式雨水口暴露在车道边缘，长期受机动车碾压，易损坏，影响美观;有缘平箅式雨水口一般用于有路缘石的道路。立式雨水口的进水地面一般比道路路面略低。有孔式和立箅式两种，适用于有缘石的道路，此种形式的雨水口可以有效地预防地面垃圾堵塞箅隙，联合式雨水口是上述两种雨水口的综合体，截流能力强，但成本较高。港口常见类型雨水口的应用情况如表1所示。
表1 港口常见类型雨水口的应用情况
3 雨水口的设置位置
雨水口的设置位置，应具备迅速收集地面雨水的功能。
①地势低洼地带：如城市道路汇水点、单坡路面的道路低侧、双坡道路的两侧。
②立交桥道路的引桥起点。
③地下车库道路入口处，停车场、货场等地势低洼处。
④城市道路侧方支路、重点交汇处等能够截留雨水径流处。
⑤不适宜设立的位置：景观绿地低洼处、建筑物入口处、建筑物排水管地面排水点附近。
4 雨水口设置间距的计算
4.1 单位面积雨水口的汇水流量计算
港区单位面积雨水设计流量计算公式为：
式中：ψ为径流系数;q为暴雨强度（L/（S·hm2））。
综合径流系数（见表2）应按照各种地面的面积加权平均计算确定。资料不足时，港区综合径流系数可根据港口建筑物或者堆场的稠密程度在0.5～0.8内选用。
表2 径流系数
雨水设计的暴雨强度应按照项目所在地的暴雨强度公式进行计算。如当地无暴雨强度公式，可参照附近类似情况的城镇暴雨强度公式进行计算。
我国采用的暴雨强度公式为：
式中：A、c、b、n为地方参数;t为降雨历时，一般取 5～8min;P为重现期（a）。
港区雨水设计重现期选取原则如下：
①内河客运航线：2～3年。
②港区（整件杂货、粮食、盐、集装箱）：2～3年。
③港区（石油石化物资、钢铁煤炭等）：1～2年。
对于地势低洼、位置重要的场所，积水能引起较大经济损失或引起交通拥堵，易引发交通事故的地区，应取高值。
4.2 雨水口泄水能力计算
4.2.1 平箅式雨水口
平箅式雨水口为顶部进水，雨水常常漫过雨水口箅隙，此种雨水口的泄水能力可以采用孔口出流公式计算：
式中：Q■为单个雨水口泄水能力（m3/s）;？滋为孔口流量系数，此处可取0.60;？棕为雨水口箅隙有效面积（m2）;h为允许雨水口箅前水深，一般为0.02～0.06m;g为重力加速度（m/s2）;c为雨水口堵塞系数。
4.2.2 立式雨水口
立式雨水口为侧向进水，因此，计算其泄水能力时可以采用堰流公式：
式中：Q為单个雨水口泄水能力（m3/s）;σ为流量系数，此处可取0.40;L1为雨水口箅隙长度（m）;H■为雨水口侧箅水深（m）;g为重力加速度（m/s2）;c为雨水口堵塞系数。
4.3 雨水口截流效率确定
4.3.1 边沟平箅式雨水口的截流效率
设计边沟式雨水口方法如下：
将水流分为正面流、测流和越流。当边沟水流扩展超过箅子宽度时，箅子的正面水流将从箅子正上游部位流来，侧面流是绕过箅子边缘的水流部分[1]。当水流绕过箅子时，部分侧面流将被截流，截留量取决于边沟横断面坡度、流速及箅子长度。当边沟流速太高，或者箅子长度太短时，正面流将难以完全被截留，部分流量将越过雨水口而成为越流。
对于边沟，边沟正面流与边沟总流的比值E0，如果假设边沟横断面坡度单一，比值E0可表示为：
式中：W为箅子宽度（m）;T为边沟水面宽度（m）。
侧面流与边沟总流的比值E1为：
正面截流与总正面流之比，即为正面截流效率R，可表示为：
式中：K为经验常数，取0.295;v为边沟流速（m/s）;v为在越流开始产生时的临界边沟速度（m/s），也称作越流起始速度。
箅子侧面截留量与侧面总流的比值，称作侧面流效率Rs，可表示为：
式中：K为经验常数，取0.0828;L为箅子长度（m）;Sx为道路的横向坡度。
于是箅子的总截流效率ξ，可表示为正面截流与侧面截流效率函数，即：
4.3.2 立式雨水口的截流效率确定
影响立式雨水口截流能力的主要因素有近缘石处的水深、缘石开孔的长度、路面横向坡度和纵向坡度[2]。常见的缘石的开孔高度一般在100～150mm。对于单一坡度型断面边沟，截流100%边沟流量的侧边石开孔雨水口的开孔长度可以表示为：
式中：l为截流全部边沟流量所需边石雨水口开孔长度（m）;K为经验常数，取0.817;SL为道路的纵向坡度。
当缘石雨水口开孔长度小于l时，则截流效率ξ计算为：
式中：l"为边石开孔长度（m）;K为经验常数，取0.817。
4.3.3 联合式雨水口的截流效率确定
联合式雨水口是在边沟底部及相邻缘石都设置进水箅，便于雨水的泄流。如果联合式雨水口的边沟平箅部分与缘石开孔部分长度相同，则联合式雨水口的截流能力和效率与单设立式平箅雨水口相比差别不大，因此，实际计算中仍能采用立式雨水口截流能力和效率公式计算[3]。
在雨水口设计中，当道路纵坡小于0.3%，雨水会产生较为严重的迟滞，不会迅速地向低处流动汇集。此时雨水依靠路面所有雨水口排放，每一个雨水口都可发挥作用，共同承担雨水流量，一般不会形成超越流量[4]。此时雨水口的截流效率ξ可取值为100%。
当道路纵坡在0.3%～2%，特别是在道路横坡面积较小的情况下，道路雨水水面宽度将会大于雨水口宽度，此时雨水被分流为两部分：①被雨水口截流;②顺流而下，在地势低洼处形成超越水量。此时雨水口的截流效率ξ可取值为75%～90%。针对这种情况，需要在低洼处增加雨水口数量或对现有雨水口进行改造，如更改其尺寸，增加其截流效率。
当路面纵坡大于2%时，路面雨水水流将处于急流状态，同时部分水流将跃过雨水口而形成跳跃，在地势低洼路段或者暴雨期，会出现较大汇水面积[5]。此时道坡道上的雨水口泄水能力大大降低，这时雨水口的截流效率ξ一般低于75%。
4.4 雨水口间距的计算
雨水口设置间距的确定主要与雨水汇流流量Q和雨水口的截流能力Q有关。为简化计算，视单个雨水口的排水面积形状为矩形。假设雨水口服务区域垂直与道路纵坡方向的宽度为B，另根据《室外排水设计规范》2014版[6]规定，雨水口设计泄流量应为雨水管渠设计重现期计算流量的1.5～3倍，则雨水口设置间距可表示为：
5 案例分析
以安提瓜和巴布达圣约翰港码头陆域堆场道路为例，道路宽12m，双面汇水，堆场宽度为74m，堆场设计向两侧排水，汇水地面以混凝土为主，该堆场道路纵坡小于0.3%，横坡为1.5%，采用边沟平箅式双箅雨水口，道路两侧设置;码头靠岸侧引桥宽为12m，单侧汇水宽度为22m，引桥纵坡为2.9%，横坡为1.5%，雨水口采用平箅式单箅雨水口，两侧布置。
各数据取值为：ψ=0.9，P=3a，t=5min，μ=0.6，ω双=0.24m2，ω单=0.12m2，h=0.04m，g=9.8 m/s2。将以上数据带入当地暴雨强度公式及雨水口泄流量计算公式：
已知堆场道路纵坡小于0.3%，取雨水口的截流效率ξ=1，则堆场雨水口设置间距：
引桥道路纵坡为2.9%，横坡为1.5%，且雨水口箅子宽度W=0.4m，当雨水口箅前水深达到0.04m时，边沟水面宽度T=2.6m，由曼宁公式可得，边沟流速v=4.47m/s，根据雨水口平箅的栅条布置结构、箅子长度和边沟流速可得出越流起始速度v0=2.5m/s，由以上数据可得ξ=0.32，则堆场雨水口设置间距：
经过计算，本设计堆场雨水口间距为27.6m，引桥雨水口间距为45.3m，综合考虑现场实际條件及施工需求，本项目分别按照间距为27m/组和45m/个进行了优化。结合雨水管网，雨水口的优化布置如图1所示。
6 经济效果评价
本项目通过对雨水口单项优化节省雨水口、雨水井30余个，有效节省了钢筋、混凝土、人工、雨水篦子的用量累计约合人民币90余万元，有效地降低了项目的施工成本，缩短了施工工期。
7 结论
雨水口在雨水系统中占据着重要的位置，其设计应结合路面形式选择较为合适的雨水口形式，同时经过计算确定雨水口间距，合理布置雨水口，保证雨水顺利排除的同时确保经济合理。
【参考文献】
【1】张自杰.排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.
【2】严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.
【3】中国市政工程西北设计研究院有限公司.给水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.
【4】李志勇.道路雨水口排水能力分析[J].西部探矿工程，2006（10）：283-285.
【5】胡维芬.城市道路排水设施水力特性研究[D].天津：天津大学，2009.
【6】中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50014—2006室外排水设计规范（2014年版）[M].北京：中国计划出版社，2014.
