海口体育场位于五源河文体公园西北角的C0801地块, 地块西侧是长滨路, 东侧是经一路, 北侧是纬一路, 南侧是长秀大道, 该体育场为可容纳约40 000座观众规模的甲级体育场, 满足举办全国性和单项国际比赛, 达到多个项目国家级冬季训练基地场地及配套设施要求。

　　 体育场西区看台内侧罩棚屋盖主要用来保护观众, 防止雨水和强烈阳光, 材料采用半透明的预应力纤维膜, 钢索桁架的上弦拉索之间采用拱形结构, 体育场罩棚材料选用PTFE涂层的玻璃纤维膜。

　　 该处罩棚汇水面积约为13 500 m², 按照海口50年一遇的雨量设计, 其排水总流量为953.1L/s。罩棚效果详见图1。

　　 罩棚径向最高点排水坡度可达50%, 如图2所示。在罩棚的内侧最低处设置环向排水天沟, 环向排水天沟平均坡度为13.6%。可以看出, 由于罩棚构造设计的特殊性, 其雨水仅能通过环向天沟向两侧的低点排水, 两端的排水量各约为500L/s。

　　 独特的建筑造型决定了雨水排放系统的特殊性。雨水排放总体思路是结合建筑形态, 利用膜结构的径向坡度和环向坡度将屋面雨水汇至两侧的雨水调蓄池, 再通过雨水管道将屋面雨水排至地下室雨水蓄水池和室外埋地蓄水池, 最终溢流排至市政管网, 具体见图3。

　　 由于罩棚径向排水坡度大, 罩棚屋面的雨水垂直排至环向天沟时的水流速度为6~8m/s, 如何将此高速水流安全有效地收集至环向雨水天沟而不翻越至罩棚下方的观众看台区域, 这是本工程罩棚设计最具挑战性的难点, 同时也关系到造型美观、防汛安全和结构安全, 并且国内外无类似工程案例可循, 因而成为本工程设计中备受关注的问题。为此, 对上述问题进行了深入的理论计算分析和现场模拟试验, 最终形成了各方都能够接受的系统解决方案。

　　 选取本工程最具代表性的排水区域———罩棚最高处 (如图4所示) , 该排水区域面积约1 000m², 高差约27m, 倾角约30°。

　　 排水沟断面及天沟转接点示意见图5。由于钢结构的造型影响, 将天沟分为2个小的三角形天沟, 选取其中一个典型天沟尺寸如图6所示。

　　 为简化计算本工程选用谢才公式, 谢才系数选择曼宁公式:

　　 式中v———流速;

　　 n———糙率取n=0.010;

　　 R———水力半径;

　　 I———坡度取I=0.5;

　　 h———高度;

　　 Q_X———流量。

　　 典型三角形天沟排水理论计算见表1。由表1可以看出, 罩棚的排水排至最低点的流速很大, 可达6~8m/s, 雨水的水深为25~31mm。随着降雨量的增大, 罩棚雨水的流速逐渐增大, 水深也逐渐增加。相对于天沟深度25mm时, 水流宽度为178mm;相对于天沟深度31mm时, 水流宽度为217mm;从上述数据中可以看出:径向天沟排水时, 水流主要集中在此三角形天沟内, 雨水不会溢出此区域, 即径向天沟内存在此2条雨水天沟 (三角形天沟) 。

　　 由于本工程的设计难点集中在罩棚最高点径向天沟与环形天沟的交汇处, 因此在同济大学水力实验室设计了该区域1∶1局部试验模型进行排水模拟试验, 见图7。搭建该处径向排水天沟, 按照实际雨水量由加压水泵在天沟的顶端布水, 罩棚顶端设有布水器。图7c的右侧为径向排水与环向天沟的交汇处的水力现象。

　　 (1) 给水系统选用2台流量为187 m³/h, 扬程为17m的水泵, 1用1备。

　　 (2) 水源为实验室内的储水水池 (容积约为300m³) , 水源可通过实验室内地沟循环使用。

　　 (3) 试验装置高度4.5m, 坡度50%, 选用实际的膜材料铺设于径向天沟内, 天沟断面尺寸为图6罩棚典型三角形天沟。环向天沟尺寸1m×0.7m (按照钢结构专业设计的参数) 。

　　 (4) 流量采用多普勒超声流量计测定。该流量计为非接触式测试, 测量传感器设置在给水系统的供水管上。

　　 (1) 确定环向天沟挡板高度和角度。

　　 (2) 降低径向天沟水流在环向天沟跃水高度的有效措施。

　　 (1) 根据海口1年、3年、10年、50年重现期的雨水量, 测定其水跃高度, 核实雨水是否能翻越环向天沟挡板至看台处, 以及环向天沟挡板坡度对水跃高度的影响。天沟挡板设置角度见图8, 主要结果见表2。

　　 由表2的数据可以看出, 当挡板与地面夹角为105°时, 雨水量为10年重现期时, 即有水跃出天沟;当与地面夹角为90°时, 水跃高度刚好与挡板高度一致;改变天沟末端挡板的角度, 水跃高度也逐渐变化, 随着挡板角度逐渐变小, 水跃高度逐渐降低, 在最小角度60°处, 水跃高度最小;但在挡板角度为60°时, 天沟断面最小, 环向天沟的通水能力也最低, 不适合本工程采用, 因此选用天沟挡板角度为75°。

　　 试验进一步分析产生这种状况的原因, 当环向天沟的挡板角度改变时, 高速水流的能量转变方式发生改变, 能量中仅有少部分转化为势能, 水流中的动能部分仍然很大, 只不过水流方向转向膜内侧, 同时水流在膜内侧降落时, 对正在流动的雨水产生干扰, 进一步降低了水跃高度。其对比效果如图9所示。

　　 (2) 试验二, 降低雨水水跃高度的另外一种方式是设置导流措施;在天沟内设置导流措施, 研究导流措施对水跃高度的影响。导流装置见图10。

　　 在径向天沟内距末端挡板不同位置处设置该导流装置后, 水跃高度变化见表3。

　　 由表3数据可见, 增加该导流措施后, 水跃的高度明显减小, 约为400mm, 说明该导流措施对降低末端水跃有很好的效果;改变导流装置在径向天沟的设置位置后, 水跃高度的减小存在最佳位置, 位于距天沟挡板2m左右处。

　　 本工程罩棚的材质为PTFE涂层的玻璃纤维膜, 由于水流对导流板有很大的冲击作用, 在膜表面安装该导流措施很难实施, 因此本工程导流装置最佳安装位置在环向天沟内, 即距离挡板500 mm左右的位置;由于海口气候条件的特殊性, 与建筑专业确认环向天沟的材质为金属材质;在金属材料表面安装此装置很容易实施。

　　 试验中选取的导流装置宽度为700 mm, 导流角度约为45°, 导流板的下方约10mm为通水区域 (见图10) , 小雨时雨水可通过此通道直接流走, 膜不会集聚垃圾, 同时也能降低导流装置的受力。大雨时部分雨水 (约为断面1/3处水流最深部位) 可通过导流板导流, 其他断面雨水与排水方向改变的雨水相互作用, 内部消能, 将水跃的高度降低。

　　 (3) 试验中也对径向天沟的水流状态进行了理论计算数值与实验测得数据比较, 如图11所示。

　　 从图11中可以看出, 对于水深的计算, 理论计算与实际测得数据比较接近;而两者在水流宽度方面存在较大差异, 实际测得的水流宽度约为理论计算宽度的2倍。同时也可以看出, 随着重现期的增大 (即水流量增大) 水深的变化较小, 由25mm增大到28mm, 而水流的宽度变化非常明显, 由36 mm增大到48.3mm。

　　 本工程罩棚坡度很大, 水流流速很大 (6~8m/s) , 在高速水流的情况下, 水流的阻力很高, 水流的厚度很难增大, 因而水流宽度会逐渐增大。

　　 根据以上分析, 设置环向天沟挡板的角度为60°及增加导流装置后, 径向的雨水很难跃过挡板至下侧贵宾看台处, 此两种方式对降低径向雨水的水跃高度非常有效。

　　 本试验旨在找到降低大坡度雨水水跃高度的方法, 改变环向天沟挡板角度及设置导流板的方案可有效解决该问题, 此试验结论可为以后大坡度雨水设计提供设计参考。

　　 由于试验条件限制, 试验中存在一些不足, 需要对此有兴趣的单位做进一步详细的分析研究。

　　 致谢:特别感谢同济大学水力实验室的各位老师为本试验提供指导, 上海深海宏添建材有限公司搭建试验装置, 上海太阳膜结构有限公司为本试验提供玻璃纤维膜。