顧立忠，趙建坤，張曉雷，宮鵬杰

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635;3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000;4.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 概述

隨著城市化進(jìn)程加快及全球氣候變化的影響，下墊面硬化區(qū)域急劇擴(kuò)大[1]，暴雨導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，提高城市防洪減災(zāi)體系的能力迫在眉睫。雨水口作為連接地表徑流與地下管流的重要節(jié)點(diǎn)，其泄流能力直接影響到洪水排除的效果[2]。因此，對(duì)不同形式雨水口泄流能力開展水槽試驗(yàn)研究，對(duì)于城市洪澇形成機(jī)理以及雨水口設(shè)計(jì)計(jì)算、布設(shè)間距方式等防汛排澇對(duì)策研究具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)開展試驗(yàn)研究道路地形、來(lái)流特性、雨篦子形式、布置方式以及篦子格條排列方式等對(duì)雨水口泄流能力的影響[2-6]。安智敏等[4]對(duì)道牙平篦式、立孔式及聯(lián)合式雨水口泄流能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并基于堰流和孔口出流模式提出了計(jì)算公式。此外，西南交通大學(xué)的吳鵬[5]、天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院的李鵬[2]、京都大學(xué)的Seungsoo LEE[6]等都通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)不同形式的雨水篦的排水能力以及流量系數(shù)進(jìn)行了分析和率定。Bazin[7]等通過(guò)試驗(yàn)研究了雨水口泄流及管網(wǎng)內(nèi)水流從雨水口溢流狀態(tài)下地表徑流與地下管流的流量交換特性，并提出了計(jì)算公式。然而受到試驗(yàn)條件的限制，其研究成果一般均具有一定的適用條件。陳倩等[3]采用完整的雨水口結(jié)構(gòu)，通過(guò)開展模型試驗(yàn)對(duì)較大來(lái)流水深下雨水口泄流能力進(jìn)行了研究，并基于堰流及管嘴出流模式以及量綱分析法提出了較為通用的計(jì)算公式。上述研究?jī)H陳倩等[3]精細(xì)考慮了雨水口本身結(jié)構(gòu)的影響，但其僅采用了一種特定規(guī)格的雨水口進(jìn)行試驗(yàn)，沒(méi)有考慮雨篦子形式對(duì)雨水口泄流量的影響，其余學(xué)者均未考慮，僅研究了雨篦子本身及其結(jié)構(gòu)之上的因素對(duì)雨水口泄流能力的影響。雨水口通常由雨水篦、雨水井、側(cè)支管組成[8]。

針對(duì)上述研究的不足，本文對(duì)2種形式的雨水口，采用完整的雨水口結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析篦前水深、流速等水力要素對(duì)不同來(lái)流情況下雨水口泄水能力進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雨水口泄流能力試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。水體被地下水庫(kù)中的水泵抽送，沿管道一路分別經(jīng)過(guò)平水塔、閥門、穩(wěn)水前池、消能板，然后平穩(wěn)地進(jìn)入水槽，水槽中的水一部分被雨水口收集進(jìn)入退水渠，隨后通過(guò)三角堰測(cè)流裝置后流入出水池；水槽中未被收集的水體通過(guò)下游的尾門進(jìn)入出水池與退水渠中的水匯合后進(jìn)入地下水庫(kù)，最終完成水流循環(huán)。水槽長(zhǎng)為20 m、寬為3 m、深為0.6 m，坡度為0。此外，槽內(nèi)水位通過(guò)調(diào)節(jié)尾門處的閘門來(lái)控制；水槽的總供水量通過(guò)調(diào)節(jié)閥門以及觀察水管道上的電磁流量計(jì)精確控制。

(a)平面示意

(b)立面示意

雨水口泄流的主要作用力是重力，試驗(yàn)平臺(tái)按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，保證幾何相似。模型的長(zhǎng)度比尺為 1.5。本試驗(yàn)以雨水口標(biāo)準(zhǔn)圖集(16S518)[8]中 750 mm×450 mm 的順格條平面形以及橫格條平面形雨篦子為原形，控制其孔隙率相同，均為34%，安裝于試驗(yàn)水槽中部，對(duì)其展開試驗(yàn)研究，模型形狀見圖2所示，尺寸見圖3。

圖2 雨水口立面示意

(a)順格條型篦子平面雨水口

(b)橫格條型篦子平面雨水口

本研究中三角堰測(cè)量裝置位于退水渠中，三角堰測(cè)量裝置中水位測(cè)針的位置位于三角堰前方0.9 m處，用于測(cè)量雨水口雨水下泄量。消能板位于前池與水槽銜接處以及退水渠中，主要用于保證水流能夠平穩(wěn)地從前池進(jìn)入水槽中以及提高三角堰測(cè)量精度，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雨水口上游1 m處水流形態(tài)受雨水口泄流影響較小，因此，認(rèn)為該處所測(cè)得的水深、流速值即為篦前水深、流速。該處水深及流速分別通過(guò)自動(dòng)水位跟蹤儀以及旋漿流速儀測(cè)得。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)控制閥門雨水口上游來(lái)流量在30～40 L/s 范圍內(nèi)變化，每個(gè)流量工況下通過(guò)調(diào)節(jié)尾門平板閘門來(lái)改變槽內(nèi)水深，待水流達(dá)到恒定流后，分別利用電磁流量計(jì)、自動(dòng)水位跟蹤儀、懸槳流速儀和三角堰測(cè)量裝置讀取測(cè)量電磁流量計(jì)示數(shù)、篦前水深、流速以及退水渠流量(通過(guò)雨水口下泄流量)。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析及3種出流模式下泄流公式

通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)兩種雨水口水流下泄過(guò)程流態(tài)相似。當(dāng)篦前水深較小時(shí)，水流沿雨水篦格柵外側(cè)流入雨水井，雨水井未被灌滿，水流以堰流形式通過(guò)雨水口。此時(shí)，雨水口泄流能力可按堰流公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

隨著篦前水深的不斷變大，當(dāng)雨水篦格柵被全部淹沒(méi)，雨水篦周圍形成漩渦水流，由于雨水篦格柵面積總和大于側(cè)支管截面面積，側(cè)支管內(nèi)變?yōu)橛袎毫?，雨水井有一定的容積，仍未被完全灌滿，存在大量氣泡，水流以孔口出流模式通過(guò)雨水口。此時(shí)，雨水口泄流能力可按孔口出流公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中ζp為孔流的綜合流量系數(shù)；Ap為雨水口格柵總面積之和；其他符號(hào)同前。

隨來(lái)流導(dǎo)致篦前水深的繼續(xù)變大，當(dāng)雨水井被完全灌滿，不存在氣泡時(shí)，受地下管道泄流能力的影響，雨水井及側(cè)支管均為有壓狀態(tài)，可將雨水口完整結(jié)構(gòu)同水槽看作一個(gè)整體，水流以管嘴出流方式泄流。此時(shí)雨水口泄流量可按管嘴出流公式(3)計(jì)算。

(3)

3.2 流量系數(shù)的率定以及3種泄流公式的判定條件

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)，流速水頭在總作用水頭中占比較小，因此，下述分析中忽略流速水頭部分，并將測(cè)量點(diǎn)的水深視為雨水口的總水頭[3-6]。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制出橫縱格條形雨水口下泄流量與篦前水深的關(guān)系，如圖4(a)(b)所示。由試驗(yàn)點(diǎn)據(jù)可以看出：2種雨水口下泄流量與篦前水深的關(guān)系趨勢(shì)整體相似且均為3段遞增函數(shù)關(guān)系，隨著篦前水深的逐漸增大，3段函數(shù)關(guān)系的下泄流量增速依次減小。且在第1段與第2段關(guān)系變化處存在一定的過(guò)渡區(qū)間，分析認(rèn)為該過(guò)渡狀態(tài)是由于該階段存在流態(tài)轉(zhuǎn)換，雨水口上方流態(tài)不穩(wěn)，篦前流速變化較大所致，且觀察發(fā)現(xiàn)該過(guò)渡區(qū)間與雨水口上方漩渦從無(wú)到成熟的形成區(qū)間完全吻合，過(guò)渡狀態(tài)之前以堰流模式出流；其之后到第2個(gè)過(guò)渡狀態(tài)之間以孔口出流模式泄流；第2段至第3段之間并無(wú)明顯過(guò)渡狀態(tài)，可能是由于孔口出流公式與管嘴出流公式具有齊次性，雨水口上方漩渦已充分成熟，流態(tài)較穩(wěn)定，故出流模式轉(zhuǎn)換時(shí)才無(wú)明顯變化。

(a)橫格條型雨水口

(b)順格條型雨水口

順格條雨水口相較于橫格條雨水口的過(guò)渡區(qū)間所對(duì)應(yīng)的篦前水深較大，順格條型雨水口的過(guò)渡區(qū)間為0.033～0.05 m，所對(duì)應(yīng)的下泄流量為0.023 9～ 0.026 7 m3/s，橫格條型為雨水口為0.034 1～0.046 8 m，所對(duì)應(yīng)的下泄流量為0.021 2～ 0.026 2 m3/s。由此可見，順格條的過(guò)渡區(qū)間大于橫格條的過(guò)渡區(qū)間。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)式(1)(2)(3)中的流量系數(shù)進(jìn)行率定(見表1)。分別利用所得流量系數(shù)，將公式計(jì)算曲線也繪制于圖4中，可見試驗(yàn)實(shí)測(cè)點(diǎn)均勻分布在曲線兩側(cè)，且由表1可得相關(guān)度均在0.75以上，表明公式擬合效果相對(duì)較好。從表1可知，順格條形式比橫格條形式雨水口的流量系數(shù)在堰流出流模式下較大，孔口出流模式下略大，管嘴出流模式下基本相同。此外，通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)現(xiàn)象分析得出2種雨水口在3種泄流模式下泄流公式的判定條件(見表1)，即橫格條雨水口在泄流量小于等于0.020 8 m3/s、篦前水深小于等于0.034 m時(shí)，適宜用堰流公式計(jì)算泄流量；當(dāng)泄流量Q在0.020 8～0.030 7 m3/s，篦前水深h在0.044 7～0.098 9 m時(shí)，適宜用孔口泄流公式計(jì)算泄流量；當(dāng)泄流量Q大于等于0.307 m3/s、篦前水深大于等于0.098 9 m時(shí)，適宜用管嘴出流公式計(jì)算下泄流量；同理，順格條雨水口的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

因此，通過(guò)比較兩種類型雨水口的過(guò)渡區(qū)間所對(duì)應(yīng)的篦前水深、相應(yīng)的下泄流量以及流量系數(shù)可知，堰流以及孔口模式出流情況下，橫格條型雨水口泄流能力弱于順格條形式雨水口，這是由于橫格條對(duì)入篦水流阻擋所致[9]。而管嘴出流模式下，2種形式雨水口的泄流能力則基本相同，分析可知，當(dāng)雨水口處于管嘴出流情況下，可將雨水篦、雨水井、側(cè)支管與水槽看作一個(gè)整體，其內(nèi)水體為連續(xù)介質(zhì)，由于其雨水篦孔隙率相同，故在管嘴出流模式下，雨水口下泄能力與雨水口形式無(wú)關(guān)。

表1 2種雨水口形式不同出流模式下參數(shù)匯總

3.3 2種雨水口及現(xiàn)行雨水口泄流能力參考值比較

將本文所提出的3種雨水口泄流計(jì)算公式與現(xiàn)行的雨水口泄流能力參考值(雨水口16S518[8])進(jìn)行比較(如圖5所示)。黑實(shí)線為雨水口圖集(16S518)[8]中給出原形尺寸雨水口(750 mm×450 mm)過(guò)流特性曲線，紅色線條及藍(lán)色線條分別為用3種泄流公式(1)(2)(3)，結(jié)合表1中得系數(shù)繪制的2種原型尺寸雨水口的過(guò)流特性曲線。

圖5 過(guò)流曲線與現(xiàn)行雨水口泄流能力參考曲線對(duì)比

從圖5可以看出，2種雨水口的過(guò)流特性曲線與現(xiàn)行參考曲線的變化趨勢(shì)大體一致，但順橫格條雨水口的過(guò)流特性曲線為斷開的，其原因如前所述，由于過(guò)渡區(qū)間存在流態(tài)轉(zhuǎn)換，雨水口上方流態(tài)不穩(wěn)，篦前流速變化較大所致。在具體數(shù)值上，2種雨水口相差不大，但其與現(xiàn)行雨水口參考曲線在具體數(shù)值上存在差異，具體表現(xiàn)在：當(dāng)水深較小時(shí)，2種雨水口計(jì)算值較符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)參考值，而水深較大(超過(guò)0.1 m)時(shí)，即當(dāng)雨水口處于管嘴出流模式時(shí)，則偏小較多。造成該結(jié)果的原因可能是沒(méi)有考慮雨水井及側(cè)支管等結(jié)構(gòu)對(duì)水流下泄過(guò)程的影響[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究在精細(xì)考慮雨水口整體結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)順橫格條2種形式雨水篦的雨水口進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

基于試驗(yàn)現(xiàn)象分別提出了雨水口3種不同出流模式，即堰流出流模式、孔口出流模式及管嘴出流模式，對(duì)應(yīng)提出了計(jì)算公式，基于篦前水深以及下泄流量分別給出了2種雨水口的3個(gè)公式適用的判定條件。該成果可為雨水口的設(shè)計(jì)計(jì)算、布設(shè)方式提供科學(xué)參考。

通過(guò)分析橫縱格條形式雨水口下泄流量與篦前水深的關(guān)系以及基于3種模式利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)率定出的流量系數(shù)，得出堰流以及孔口模式出流時(shí)，順格條形式雨水口泄流能力優(yōu)于橫格條形式雨水口，且2種雨水口在管嘴出流模式下，雨水口下泄能力與雨水篦形式無(wú)關(guān)。