宋弘飛

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，涿州 072750)

在城市市政道路路面結構中，行車道邊緣處的雨水口是常見的構筑物。降雨過程中積存于各通道上的雨水首先被雨水口所收集，再統(tǒng)一排放至地下管道[1-3]，因此雨水口對于市政道路路面排水至關重要。對于市政道路來說，降雨時進入地下排水管道的雨水徑流量決定著路面積水的排除效果，而路面雨水徑流量的大小與雨水口的泄水能力有著直接關系。因此，雖然雨水口只是路面積水排入地下雨水管道的一個中轉站，但是其設計與布置合理與否，不僅直接影響著路面積水消除的過程，也間接影響著路面的結構性能和使用壽命。

設計和布置市政道路雨水口時需要考慮的因素很多，如雨水口材質、尺寸、間距等，雨水徑流路徑也是其中一種需要考慮的因素[4-6]。雨水徑流路徑作為一種影響雨水口設計的不可控因素，從雨水口匯水流量和道路邊溝流量兩個方面對雨水口的泄水量有著直接或間接的影響。因此，設計市政道路雨水口時考慮雨水徑流路徑的影響很有必要[7-8]。降雨時，市政道路路面積存的雨水能否通過路面排水系統(tǒng)順暢排放與雨水口設計與布置的合理性直接相關。目前已有學者對此進行了研究，陳小蘭等[9]運用軟件構建城市雨洪模型,分析發(fā)生洪澇災害的原因,并結合項目實際情況提出近遠期解決方案。段園煜等[10]采用實地勘察結果與雨洪模型相結合，模擬不同降雨重現(xiàn)期情景下的地表徑流、節(jié)點溢流等情況,找出了發(fā)生內澇的具體因素。丁曉峰等[11]運用數學模型法分析了不同道路路面的排水效果，判斷影響路面排水的因素。為分析雨洪對排水體系的影響情況，避免雨水口流量不足導致的積水，本文基于改善市政道路雨水口設計合理性的角度，探討考慮雨水徑流路徑影響下市政道路雨水口設計的過程、方法與實施要點，以期為其他市政道路雨水口布設提供參考。

1 雨水口流量理論計算

1.1 各水量間關系

遭遇降雨時，市政道路路面上的植物、土壤會吸收一部分雨水，剩余的雨水則會積存于路面形成雨水徑流，從路面中間向兩側流淌，經雨水口匯集后流入地下排水管道。雨水形成的徑流路徑無法人為進行控制。通常可以將雨水徑流分為3種不同的路徑，而不同的雨水徑流路徑形成的雨水流量及水量關系也不相同。不同路徑雨水徑流的雨水流量影響因素如表1所示，不同雨水徑流路徑形成的水量間關系如圖1所示。

圖1 不同雨水徑流路徑形成的水量間關系

表1 不同路徑雨水徑流的雨水流量影響因素

表1中，Q1為雨水匯水流量，通過綜合徑流系數計算得出；Q2為道路邊溝雨水流量，如僅考慮路面橫坡的影響，此種情況下Q2等于Q1；Q3為雨水口泄水量，Q3數值通常小于Q2。

1.2 雨水匯水流量

目前，市政道路雨水口設計時參考的雨水匯水流量通常是根據推理公式計算得出的。雨水匯水流量計算公式為

Q1=φqA/1 000

(1)

式中，φ為綜合徑流系數；q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；A為匯水面積，m2。

1.3 道路邊溝雨水流量

市政道路施工鋪設時，會在路面兩側設置一定尺寸的道路邊溝，將路面上的積水引入雨水口，緩解路面積水狀況。市政道路邊溝由路肩、平石和路緣石組成，通常為0.3～1.0 m寬的淺梯形。路面積水通過道路邊溝流入雨水口前，會在邊溝短暫匯集，形成一定寬度的過水斷面，此時的雨水匯集流量即為道路邊溝雨水流量。常規(guī)道路邊溝過水斷面示意如圖2所示。

圖2 常規(guī)道路邊溝過水斷面示意

道路邊溝雨水流量Q2的計算公式為

Q2=Av

(2)

(3)

(4)

(5)

R=A/ρ

(6)

式中，A為匯水面積，m2；v為邊溝內的平均流速，m/s；a為邊溝底寬，m；i為橫坡坡度，%；h0為邊溝內過水斷面的水深，m；C為謝才系數；J為縱坡坡度，%；n為曼寧系數；R為水利半徑，m；ρ為過水斷面濕周，m。

1.4 雨水口泄水量

降低不同因素對雨水口排水能力的影響、提高雨水口的泄水能力是增強市政道路路面積水排除效果的有效途徑之一。影響市政道路雨水口泄水能力的因素分為可控因素和不可控因素，可控因素包括：路面縱橫坡度的大小，雨水篦子材質、形式及尺寸，雨水口布設間距、數量及位置等；不可控因素包括雨水徑流路徑、降雨強度大小等。無錫地區(qū)常用的雨水篦子尺寸為350 mm×500 mm，雨水篦子示意如圖3所示。

圖3 雨水篦子示意(單位：mm)

雨水口泄水量(Q3)計算公式為

(7)

式中，μ為流量系數；P為鐵蓋的空隙比；b為鐵蓋最邊緣兩條縫隙的間距，mm；L為縫隙的有效進水長度，mm；hc為雨水口蓋上緣水深，mm。

根據雨水口泄水量計算公式，本文總結了3種不同材質和尺寸的雨水篦子的泄水量限值，不同尺寸和材質的雨水篦子泄水量限值如表2所示。

表2 不同尺寸和材質的雨水篦子泄水量限值

1.5 雨水口連接管

不同材質和規(guī)格的連接管對應雨水口數量如表3所示。

表3 不同材質和規(guī)格的連接管對應雨水口數量

不同材質、不同規(guī)格的雨水口連接管所能串聯(lián)的雨水口數量各不相同，目前市政道路雨水口連接管所連接的雨水口個數無法根據現(xiàn)有的理論公式進行計算，通常根據設計經驗值來控制，滿足相關規(guī)范要求即可。

2 雨水口布設間距

雨水口布設間距是否合理影響著路面積水的排除效果，布設間距過大或過小都會對市政道路排水系統(tǒng)建設造成不利影響。相鄰雨水口布設間距過大，會導致路面雨水口布設數量減少，在一定程度上節(jié)約了成本，但當發(fā)生較大強度的降雨時，來自路面和邊溝的大量雨水無法及時通過雨水口排入地下管道，容易導致雨水在路面積存。相鄰雨水口布設間距過小時，路面所布設雨水口數量相對增多，來自路面和邊溝的大量雨水可以及時通過雨水口排除，增強了積水排除效果，但同時會使施工成本增加，也會影響道路美觀。因此，應根據理論計算同時綜合考慮各方面因素的影響來確定雨水口布設間距。

雨水口布設理論間距計算公式為

Ly=ψQ3/γQ

(8)

式中，Ly為設計間距，m；ψ為折減系數；Q3為理論泄水流量，L/s；γ為雨水口截流率；Q為匯集流量，L/(s·m)。

3 考慮雨水徑流的雨水口設計案例分析

3.1 工程概況

以無錫市某城市道路改造設計斷面為例，東-西路城市道路全長3 800 m，改造路段非機動專用車道面積為15 200 m2，人行道透水鋪裝路面面積為21 280 m2，綠化帶面積為12 160 m2，道路紅線寬度為20 m。其橫斷面組成為：20 m=2 m人行道+7 m 機動車道+2 m中央綠化帶+7 m機動車道+2 m 人行道。道路橫坡坡度為1.5%，縱坡坡度為1‰，道路按雙側布管。

3.2 雨水口設計

考慮雨水徑流路徑因素影響的雨水口布設大致可分為以下4個過程：

(1)計算雨水口匯水流量(Q1)，可根據假定的雨水口布置間距、集水區(qū)域面積和綜合徑流系數計算得出。以上述無錫市東-西路設計斷面為例，降雨時路面徑流量可根據式(9)所示的無錫市暴雨強度公式進行計算，公式為

(9)

根據式(9)可得出人行道、車行道、中央分隔帶徑流系數分別為0.9、0.8、0.2，進而可得綜合徑流系數為0.805。若按照25 m的間距布設雨水口，單位長度路面縱坡方向的匯水流量以路面左右縱深10 m范圍內的排水量為取值，則可以求出雨水口單位集水面積內的匯水量為19.25 L/s。

(2)以雨水口收集的匯水流量全部通過邊溝引入為前提條件，邊溝流量(Q2)數值則可視為與Q1相等，邊溝雨水匯入形成的斷面水深h0可通過Q2計算得出，經過計算得到斷面水深h0為4.2 mm。已知路面設計縱坡坡度為1‰，取80%作為雨水口截流率，可計算得出雨水口泄水量需求值為15.4 L/s。

(3)步驟(2)中計算得出的雨水口泄水量僅為需求值，雨水口的實際泄水量要通過理論泄水量與泄水量需求值比較確定。根據雨水口實際泄水量可判斷雨水口的形式及尺寸設置是否合理。以球墨鑄鐵形式的雨水口為例，雨水口尺寸為350 mm×500 mm，h0取值為4.2 mm，折減系數取值為0.6。根據式(3)，可分別計算出雨水口理論、實際泄水量分別為26.82 L/s和16.09 L/s。16.09 L/s>15.4 L/s，說明雨水口的形式及尺寸合理。

(4)對步驟(1)中假定的雨水口布設間距進行驗證，判斷按此間距進行雨水口布設的合理性，驗證方法為將雨水口實際布設最大間距與假設間距進行比較。仍以步驟(3)中球墨鑄鐵形式的雨水口為例，實際布設時相鄰兩個雨水口的最大間距可根據步驟(3)中得出的實際泄水量及式(4)計算求出。根據計算，兩個相鄰雨水口布設的最大間距為26.1 m，大于步驟(1)中假設的雨水口布設間距25 m，說明以 25 m的間距進行雨水口布設是合理的。

綜上所述，此次無錫市東-西路雨水口布設應選用球墨鑄鐵形式的雨水口，雨水口尺寸為350 mm×500 mm，相鄰雨水口的布設間距為25 m。

3.3 雨水口徑流控制效果分析

假定在同一重現(xiàn)期和同一雨型下，分析城市市政道路考慮雨水徑流路徑影響下的雨水口設計對徑流的控制效果。以下分析采用5年重現(xiàn)期、雨型系數r=0.4進行模擬分析，得到匯水區(qū)徑流統(tǒng)計如表4所示。

表4 匯水區(qū)徑流統(tǒng)計

根據上述匯水區(qū)徑流統(tǒng)計表，可得出匯水區(qū)降水規(guī)律：25～75 s時間段內降水達到波峰狀態(tài)，且在50 s左右達到最大。在不考慮雨水徑流影響因素情況下，雨水口匯水區(qū)徑流流量在25～75 s的時間內明顯大于其他時段，且在50 s左右達到最大徑流流量，為0.02 m3/s。90～120 s 時間段內呈現(xiàn)明顯的徑流流量，且在95 s呈現(xiàn)出最大的徑流流量，達到0.001 3 m3/s。不考慮徑流影響時，徑流流量與降水保持一致的變化規(guī)律，即降水后立即轉化為積水，該情況下難以排除道路積水，導致水在道路上不斷積累。

當有雨水口實現(xiàn)降水徑流的控制后，由于雨水口大量吸收道路表面的積水，徑流量明顯下降，從0.02 m3/s 下降至0.001 3 m3/s。由此可見，雨水口的合理設計對排除積水具有明顯的效果。同時，雨水口吸收道路徑流對道路波峰徑流具有延緩功能，在不考慮徑流的情況下，徑流波峰出現(xiàn)在50 s，其波峰值與降水的波峰值一致，表明在沒有雨水口的情況下降水立刻轉化為徑流，導致道路積水快速產生。而在考慮了徑流的情況下，徑流的峰值在 95 s時才產生且徑流流量明顯減少，表面雨水口對減少積水和徑流量具有明顯效果。

3.4 與傳統(tǒng)雨水口設計的差異

傳統(tǒng)雨水口設計存在的問題主要有：

(1)垃圾進入引起堵塞。雨水口結構頂面是雨水篦子,雨水篦子上均采用鏤空、開放的設計,安裝在道路兩側,容易聚集垃圾，由此造成下水通道堵塞，雨期形成漬水點，形成安全隱患。雨水口中垃圾多為樹葉和淤泥，對雨水口的正常泄流不利。

(2)逸出異味。雨水口內沉積的垃圾會在雨水浸泡下發(fā)酵腐爛、散發(fā)出異味，污染周圍的空氣,還可能引起管道爆炸等，導致重大的經濟損失和不良的社會影響。

(3)檢修清理不便、管理不善。為減少堵塞和提高排水性能,需要定期將雨水篦子打開,清理內部垃圾。傳統(tǒng)的清理方法是人工使用鐵鍬等工具將淤積在井底的垃圾清掏轉運，費時費力，同時會影響城市道路運輸暢通和交通安全。另外，還存在管理制度不完善,雨水口缺乏維護。

(4)回用設施不完善。雨水篦子下方是雨水口井筒，傳統(tǒng)的雨水口收集的雨水通過底部的雨水支管排入自然水體,雨水的資源性未得到體現(xiàn)。

本文考慮雨水徑流路徑的市政道路雨水口設計為加強雨水口截污排水能力，解決傳統(tǒng)雨水口易堵塞、檢修不便、雨水無法回用的問題，考慮對傳統(tǒng)雨水口進行優(yōu)化設計，如增設自動調節(jié)井口、截污掛籃、雨水回用支管等設施。此外，為加強雨水口的截污排水運行效果，還應加強運行維護管理。

4 結論

降雨時，市政道路路面積存的雨水能否通過路面排水系統(tǒng)順暢排放與雨水口設計和布置的合理性直接相關。本文基于改善市政道路雨水口設計合理性的角度，探討了考慮雨水徑流路徑影響下市政道路雨水口設計的過程、方法與實施要點，對后續(xù)其他市政道路雨水口設計具有一定的參考價值。主要結論如下：

(1)市政道路雨水口進行設計時應采用理論+實際的設計方法，即先對雨水口設計間距、泄水量根據理論計算出設計值，再根據雨水口布設實際情況及經驗進行校核、調整。

(2)由于不同材質、不同尺寸的雨水篦子泄水能力不同，雨水口布設所用的雨水篦子要根據篦子的材質、尺寸進行綜合考慮。

(3)確定市政道路雨水口布設間距時除考慮雨水口實際泄水流量外，還應考慮垃圾堵塞、路面縱坡偏小等因素。

(4)相較其他材質的雨水口，單個鋼格柵雨水口的泄水流量較大。市政道路雨水口布設采用鋼格柵材質時，與雨水口相連接的連接管管徑應根據連接管所連接的雨水口的數量進行相應調整。僅與一個雨水口相連時，連接管管徑可不調整，當與兩個及兩個以上數量的雨水口相連時，連接管管徑應進行相應的放大。

(5)雨水口能明顯降低道路雨水的徑流流量，延緩道路積水的波峰流量，發(fā)揮道路排水的作用。