城市道路雨水口设置研究
1 水工模拟平台
雨水口过流特性试验水工模拟平台包括蓄水池、进水渠、缓冲配水区、模拟城市道路、雨水口、出水渠道及测量附件等组成。模拟雨水储存在蓄水池内, 经过水泵提升至进水渠, 出水自流进入缓冲配水区, 通过缓冲配水渠出水堰均匀配水后, 进入模拟道路路面, 模拟道路路面径流雨水经过雨水口收集后, 通过电磁流量计测量流量后, 排入蓄水池, 未经雨水口收集的模拟径流雨水通过道路末端的横截沟收集, 通过电磁流量计测量流量后, 汇入蓄水池。
图1 雨水口过流特性试验水工模拟平台
雨水口过流特性试验模拟平台如图1所示。
试验模拟道路选择纵坡为0.3%、1%和3.5%, 横坡为1.5%进行试验。试验选取城市道路中常见的偏沟式、立箅式、联合式雨水口进行试验。根据试验, 得到雨水口箅前水深与流量的对应曲线。
2 模型构建
本次模型模拟选用英国Wallingford软件公司开发的InfoWorksicm水力模型软件平台。
图2 单箅雨水口箅子道路纵坡0.3%、1.0%、3.5%过流特性曲线
图3 双箅雨水口箅子道路纵坡0.3%、1.0%、3.5%过流特性曲线
图4 四箅雨水口箅子道路纵坡0.3%、1.0%、3.5%过流特性曲线
图5 道路及雨水口模型平台
2.1 道路构建
对应试验平台, 构建横坡1.5%、纵坡为0.3%、1%、3.5%的道路, 通过对城市道路调研, 城市主干路的路面宽度不超过40m, 因此本次模拟搭建道路半幅路, 宽度设定为20m, 低点两侧道路长度各设置800m, 基本可涵盖道路雨水口布置的各种道路形式。
2.2 雨水口形式选择
根据水工模拟平台试验研究结果, 偏沟式、联合式在正常路段收水能力相似, 仅在高水头情况下联合式高于偏沟式雨水口, 立箅式能力远小于偏沟式及联合式雨水口, 球墨铸铁雨水口过流能力远大于复合材料雨水口及混凝土雨水口, 此次模拟最终选用偏沟式雨水口作为典型雨水口构建模型。偏沟式雨水口过流特性曲线详见图2~图4, 模型构建见图5。
2.3 设计降雨构建
本次模型选用芝加哥合成暴雨过程线, 雨峰位置选择r=0.5, 暴雨公式选用北京暴雨公式, 设计重现期选择P=5年及P=50年对应设计重现期及校核重现期。降雨过程见图6。
3 模型模拟
通过推理公式法计算模拟道路共需雨水口60座 (按1%纵坡计算) , 采用4种布置形式进行对比分析, 分别为方案一:雨水口全部布置在低点;方案二:雨水口间隔40m布置, 上游均布置为单箅雨水口, 其余雨水口布置在低点 (低点布置22座雨水口) ;方案三:雨水口间隔40m布置, 起端为单箅雨水口, 下游为双箅雨水口, 低点布置四箅雨水口 (20单箅, 18双箅, 低点1四箅) ;方案四:雨水口间隔40m布置, 起端为单箅雨水口, 下游为双箅雨水口, 低点翻倍布置雨水口 (28单箅, 10双箅, 低点3四箅) 。
3.1 模拟分析
道路纵坡0.3%、1.0%、3.5%时的模拟结果见表1~表3。
表1 纵坡0.3%道路模拟结果
表2 纵坡1.0%道路模拟结果
表3 纵坡3.5%道路模拟结果
通过模拟可以看出, 重现期5年及50年降雨均为方案一沿途及低点最大水深均最大, 沿途最大水面宽度也是最大, 在重现期50年道路纵坡3.5%的情况下, 低点收水能力不足。方案二、方案三、方案四沿途最大水面宽度基本一致, 沿途最大水深也相差不大, 方案二、方案四低点情况相近, 好于方案三, 重现期5年时方案三低点略有滞水, 重现期50年时方案三低点收水能力明显不足, 产生较严重滞水。综合对比, 方案二与方案四效果相似, 方案四效果最佳。
3.2 模拟分析
以纵坡1.0%道路为例, 对各方案进行具体分析, 增加方案五:雨水口间隔40m布置, 上游均布置为双箅雨水口, 低点布置四箅雨水口;方案六:雨水口间隔40m布置, 上游均布置为四箅雨水口, 低点布置八箅雨水口。最上游雨水口编号为1, 各方案各点箅前最大来水量及雨水口最大收水量详见表4。
重现期5年, 上游全单箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.108m3/s, 平均雨水口最大收水量0.038m3/s, 上游全双箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.066m3/s, 平均雨水口最大收水量0.046 m3/s, 上游全四箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.060m3/s, 平均雨水口最大收水量0.049m3/s。重现期50年, 上游全单箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.242 m3/s, 平均雨水口最大收水量0.048 m3/s, 上游全双箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.117m3/s, 平均雨水口最大收水量0.064 m3/s, 上游全四箅, 稳定段平均箅前最大来水量0.093m3/s, 平均雨水口最大收水量0.070m3/s。通过模拟可以看出, 单箅箅前最大来水量最大, 雨水口最大收水量最小, 而双箅与四箅雨水口差距不大, 四箅略好于双箅。通过对比可以看出方案三、方案四、方案五低点箅前最大来水量基本相同, 通过在低点上游布置5个双箅雨水口可达到低点箅前最大来水量与上游全部布置双箅雨水口基本相同的效果。
图6 重现期5年、50年北京芝加哥降雨过程线
通过以上模拟可以看出, 随着道路坡度的增大, 各点汇水峰值流量逐渐增大。仅在低点布置雨水口, 道路长度较长时, 会造成沿途汇流水深加大, 间隔布置雨水口可减小沿途汇流水深。低点汇流量明显大于沿途各点, 靠近低点处增加雨水口布置量可减轻低点汇流量, 低点收水量远大于沿途各点, 低点应加倍布置雨水口, 以避免积水。由于箅前水深高于国标标准图, 各点雨水箅子峰值收水量均高于设计流量, 尤其低点雨水口收水量远高于设计流量, 低点雨水口支管应比计算值增大一到两级, 以满足收水要求。
表4 纵坡1.0%道路时各方案模拟结果
注:上为箅前最大来水量, 下为雨水口最大收水量, 单位m3/s。
4 结论
(1) 随道路坡度增大, 雨水口汇水量增大, 应相应增加雨水口布设数量。
(2) 雨水口布设应优先保证低点处雨水口数量, 宜按正常计算量翻倍布置, 低点雨水口支管也应适当增加。靠近低点处增加雨水口, 可减轻低点汇流量, 沿途布置双箅雨水口效果最佳, 收水量与四箅雨水口效果相差不大, 好于单箅雨水口。
(3) 按重现期5年设计雨水口数量可满足重现期50年校核要求。