摘要 文章結(jié)合城市道路雨水口布設(shè)中的雨水口匯水流量及道路邊溝流量計(jì)算方法，提出三種不同的城市道路路面雨水口布設(shè)方式及直線段、環(huán)形交叉路段的雨水口布設(shè)方法。結(jié)合環(huán)形交叉路段雨水口布設(shè)現(xiàn)狀，探尋更科學(xué)的雨水口布設(shè)方式，并分析某城市道路路面排水設(shè)計(jì)中環(huán)形交叉口道路雨水口布設(shè)實(shí)例，以完善雨水口布設(shè)理論，提升雨水口布設(shè)科學(xué)性。

關(guān)鍵詞 城市道路；排水設(shè)計(jì)；雨水口布設(shè)

中圖分類號(hào) U417.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0031-03

0 引言

城市道路是基礎(chǔ)性、重要性設(shè)施工程，長時(shí)間道路積水，會(huì)因雨水滲入路基面導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞、路面龜裂問題，會(huì)降低路基強(qiáng)度，甚至引發(fā)車輪失控等交通安全事故。作為路面排水重要構(gòu)筑物之一的雨水口，是否具備良好的泄水能力，布設(shè)方式是否科學(xué)，與雨水排除效果直接相關(guān)。

1 城市道路路面雨水口流量計(jì)算

雨水口布設(shè)間距計(jì)算是雨水口設(shè)置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而此間距需要通過雨水口匯水量、道路邊溝流量兩個(gè)重要參數(shù)計(jì)算得出[1]。

1.1 雨水口匯水量計(jì)算

當(dāng)雨水口流域匯水面積不大、周邊地面覆蓋情況相對(duì)簡單時(shí)，按式（1）計(jì)算雨水口匯水流量，即：

（1）

式中，φ——徑流系數(shù)；A、q——匯水面積及設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度。雨水口匯水面積平均徑流系數(shù)按地面面積加權(quán)平均方法計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

（2）

式中，Ai、φi——匯水面積的地面面積及徑流系數(shù)，城市綜合徑流系數(shù)取值范圍為0.8～0.9之間。

1.2 道路邊溝流量計(jì)算

城市道路邊溝一般較淺，呈三角形，寬度通常大于30 cm、小于1 m，由路面、路肩、路緣共同圍合而成，主要作用是引流雨水[2]。道路邊溝有兩種，一是常規(guī)邊溝，具有單一橫坡，坡度與路面鋪面橫坡坡度相同。二是淺洼邊溝，為有寬度的復(fù)合橫坡低洼區(qū)邊溝。

1.2.1 常規(guī)邊溝流量計(jì)算

計(jì)算公式為：

Q=Av （3）

式中，A、v——過水?dāng)嗝婷娣e及邊溝內(nèi)平均流速，這兩個(gè)參數(shù)可通過公式（4）計(jì)算得出：

（4）

因 （5）

（6）

整理得到：

（7）

式中，i、J——道路橫坡坡度及縱坡坡度；r——過水?dāng)嗝鏉裰埽籖——水力半徑；C——泄水系數(shù)；n——曼寧系數(shù)。該文計(jì)算的是城市瀝青或水泥混凝土路面，n取值為0.015。以流速的1.2倍為修正系數(shù)[3]，邊溝斷面流量修正計(jì)算公式為：

（8）

若過水?dāng)嗝鎸挾萒為變量，邊溝流量計(jì)算公式調(diào)整為：

（9）

式中，K——修正系數(shù)，取值0.377；T——邊溝水面寬度。

1.2.2 淺洼邊溝流量計(jì)算

淺洼邊溝水流量計(jì)算公式為：

Q=ξQ′ （10）

修正系數(shù)計(jì)算：

ξ=1?（1+αβ）?1+（1+β）?1 （11）

式中，Q′——鋪面橫坡i3水流量；α、β——系數(shù)?？筛鶕?jù)道路橫坡中內(nèi)傾邊坡坡度比值及邊溝水面寬度比計(jì)算得出。

2 城市道路路面雨水口泄水能力分析

2.1 立孔式雨水口的泄水能力

立孔式雨水口進(jìn)水孔比路緣石高，底面需設(shè)置在雨水口周圍路面下，為側(cè)向進(jìn)水方式。雨水進(jìn)入時(shí)要經(jīng)過直角轉(zhuǎn)折區(qū)，上部進(jìn)水較少。泄水能力計(jì)算公式為：

（12）

式中，La——立孔長度；m、h——堰流系數(shù)、雨水孔前水深度。利用系數(shù)K修正公式，以邊溝水流平均積水深度hp取代h，得到：

（13）

K取值0.52，，邊溝水流量完全清除時(shí)立孔長度為Lt，得到：

（14）

結(jié)合公式（8）與（13），上式可整理為：

（15）

立孔式雨水孔截流率根據(jù)立孔接收雨水量、邊溝水量來計(jì)算：

（16）

2.2 平篦式雨水口的泄水能力

平篦式雨水口篦面低于路面0.3～0.5 m，有用于地面低洼處或無緣石道路的地面式、用于有緣石道路的緣石平篦式兩種類型[4]。雨水流量不大時(shí)，雨水經(jīng)由前緣流入雨水口，高雨量時(shí)，前緣及側(cè)面可同時(shí)進(jìn)水，平篦式雨水口流量需要分別計(jì)算前緣及側(cè)向泄水量。因邊溝水流在與雨水口相距0.2～0.3 m左右時(shí)流勢便會(huì)下降，因而雨水口邊溝下游的水流速度、過水?dāng)嗝婷娣e均與上游存在差異，可采用系數(shù)K1修正流量計(jì)算公式，可得到：

（17）

式中，B、h——雨水口寬度及雨水口前水深；——雨水口內(nèi)外側(cè)高差；K1——修正系數(shù)，取值為0.9。正面流量中前緣泄水量的比率計(jì)算公式：

（18）

式中，K值取值0.295；V、V0——邊溝水流入雨水口的流速及臨界速度。側(cè)向水流量利用公式（13）計(jì)算，以外側(cè)水深為水深度值，側(cè)向泄水量比率計(jì)算公式為：

（19）

式中，Lb、K2——雨水口長度及修正系數(shù)，取值0.082 8。

2.3 聯(lián)合式雨水口的泄水能力

聯(lián)合式雨水口由立孔式雨水口及平篦式雨水口組合而成，一是等長聯(lián)合，二是非等長聯(lián)合。雨水口長度為La′（La′=La?Lb）時(shí)，泄水能力計(jì)算公式為：

（20）

雨水口截留率計(jì)算公式為：

E1=1?（1?La′/Lt）1.8 （21）

式中，。長度為Lb的平篦式雨水口泄水量計(jì)算公式為：

（22）

截留率為：

（23）

式中，。h、h′——立孔前水深及雨水篦子前水深，——雨水口內(nèi)外側(cè)高差。公式（20）與（22）相加得到聯(lián)合式雨水口泄水量，將公式（21）與（23）相加得到聯(lián)合雨水口截留率。

3 城市道路路面排水設(shè)計(jì)中雨水口的布設(shè)方法

3.1 直線路段雨水口的布設(shè)

由于雨水口間距參考值范圍存在差異，且未給出具體計(jì)算方法，布設(shè)雨水口時(shí)，需通過計(jì)算，參照道路縱坡坡度確定設(shè)置間距。間距設(shè)置過小，會(huì)影響道路美觀度，間距設(shè)置過大，來水流量會(huì)高于雨水口泄水能力極限，引發(fā)道路嚴(yán)重積水。為此，應(yīng)結(jié)合城市降雨強(qiáng)度公式計(jì)算雨水流量。路面寬度已知情況下，計(jì)算雨水口間距可得到雨水口流域匯水面積及總雨水量值。為取得良好排水效果，雨水口設(shè)置時(shí)需要考慮道路的積水深度。一般情況下，雨水口上面積水處屬于道路積水深度最大的區(qū)域，因此，需分析出雨水口上方積水情況。根據(jù)水力半徑及流速公式，得到雨水口上方雨水流量計(jì)算公式為：

（24）

式中，n、J——道路粗糙度及道路縱坡坡度值；H——道路允許最大積水深度。雨水設(shè)置位置的匯水面積公式為：

（25）

式中，Q2——超越流量值，可通過雨水模型試驗(yàn)計(jì)算出超越流量，將公式（24）計(jì)算結(jié)果代入，可得出雨水口的匯流面積。在城市道路橫向坡度較小時(shí)，根據(jù)雨水口流域匯水面積、道路寬度兩個(gè)參數(shù)確定雨水口間距，并根據(jù)這一間距設(shè)置雨水口。

3.2 環(huán)形交叉路段雨水口的布設(shè)

環(huán)形交叉口指設(shè)置了中心島的交叉口。此種路段雨水口布設(shè)相關(guān)研究較少，沒有明確的相關(guān)規(guī)定。以往環(huán)形交叉口道路的雨水口采取均勻布設(shè)方法，主要是在環(huán)形交叉口的等分點(diǎn)處依次設(shè)置雨水口。此種布設(shè)方式下，環(huán)形交叉口的低點(diǎn)所布置的外圈雨水口會(huì)因地勢過高導(dǎo)致雨水無法正常進(jìn)入，會(huì)增大最高點(diǎn)及最低點(diǎn)間的積水深度，最低點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)積水最大深度區(qū)。環(huán)形交叉路段雨水口布設(shè)最高點(diǎn)及最低點(diǎn)如圖1所示。環(huán)形交叉口具備較多相交道路時(shí)，其中心線高程并不相等。因而，需要優(yōu)化環(huán)形交叉口路段的雨水口布設(shè)方案。

由于直線路段根據(jù)匯水面積布設(shè)雨水口的方式較為科學(xué)，設(shè)計(jì)時(shí)可將環(huán)形道路拉成直線，再利用極坐標(biāo)法標(biāo)注交叉口中心線，然后展開極坐標(biāo)圖，便可找出環(huán)形島中并不相等的高程中心線。之后將環(huán)形交叉口的中心點(diǎn)設(shè)為圓心，在環(huán)形交叉口的最低點(diǎn)設(shè)置為0 °的情況下，根據(jù)展開的極坐標(biāo)圖，環(huán)形交叉口最高點(diǎn)的位置在90 °處。將環(huán)形道路外圈直徑設(shè)為D1，內(nèi)圈直徑設(shè)為D2，角度為b的情況下，匯流面積應(yīng)為：

（26）

根據(jù)公式（25）求出匯水面積，再結(jié)合公式（26）找出雨水口匯水面積所對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)角度，可確定雨水口的布設(shè)位置。

3.3 環(huán)形交叉口雨水口布設(shè)實(shí)例分析

根據(jù)上一小節(jié)得出的環(huán)形交叉口雨水口布設(shè)方式，對(duì)某城市的環(huán)形交叉口的雨水布置展開分析。該城市的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為371.14 L/s/104 m2，降雨時(shí)長為5 min，最高點(diǎn)道路縱坡為1%，最低點(diǎn)道路縱坡為3%，橫坡粗糙度、坡度分別為0.014與0.015，徑流系數(shù)取值為0.8，設(shè)積水深度最高值為2.5 cm，結(jié)合公式（24）可求出最高點(diǎn)縱坡坡度雨水流量是7.93 L/s，最低點(diǎn)縱坡坡度的雨水流量為13.73 L/s。如果按照道路中線平行設(shè)置篦子的橫條，得到的排水量是最高點(diǎn)縱坡排水量的80%，是最低點(diǎn)縱坡排水量的75%。在雨水篦子上方積水深度相等且都為2.5 cm時(shí)，在不考慮第一個(gè)雨水口前路段的情況下，計(jì)算得出其他路段最高點(diǎn)縱坡坡度雨水量是1.59 L/s，最低點(diǎn)縱坡坡度雨水量則為3.44 L/s。再結(jié)合環(huán)形道內(nèi)圈及外圈的直徑大小，根據(jù)極坐標(biāo)雨水布設(shè)法，可確定此環(huán)形交叉口應(yīng)設(shè)置的雨水口數(shù)量為8個(gè)，具體布設(shè)結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語

雨水口的布設(shè)需要根據(jù)雨水口匯水量、道路邊溝流量計(jì)算得出。實(shí)際情況下雨水向雨水口流入時(shí)情況復(fù)雜，雖可通過水壓試驗(yàn)確定雨水口進(jìn)水量，但仍有部分道路工程雨水口布設(shè)需求得不到滿足。該文在立孔式、平篦式、聯(lián)合式三種雨水口進(jìn)水情況分析的基礎(chǔ)上，分別推導(dǎo)出了各種雨水口連續(xù)坡段的泄水能力計(jì)算公式和截水率計(jì)算公式，給出了雨水口布設(shè)間距計(jì)算方法，由此確定了直線段及環(huán)形交叉口道路段雨水口的最佳布設(shè)方式，最后通過實(shí)例分析驗(yàn)證了該文所提出雨水口布設(shè)方法應(yīng)用的有效性。

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收稿日期：2023-11-13

作者簡介：江楠（1990—），男，本科，研究方向：給排水。