雨水充沛的地区,尤其是暴雨强度较大的城市硬化铺装区域,容易在短时间内形成地面径流。强行打开雨水口以便扩大排水,这导致路表出现无防护的窟窿。为了避免人或物等的陷落,在开启雨水口后一般同步立起突出路面的障碍物进行警示与防护。除此之外,也有少量无铰接的雨水篦子会被井内流水给顶开移位,也导致无防护窟窿的出现。因此设计了可开合的双扇交叉型雨水篦子,具体技术特征如下:两边有4个转轴,两排相互交叉与可绕转轴旋转的梳型肋,肋条间距间隔一致,有定位铰支撑的卡槽;除却平放于地表外,还可以单侧立起、双侧立起以及双侧打开并在中间铰支撑等3个突出于地面的打开状态,在理论上具备了在扩大排水的同时兼具警示与防护的功能。本研究主要是试验分析该双扇交叉型雨水篦子的工作性能,尤其是路障识别与排水效率。

路障识别与车辆碾压试验采用由球墨铸铁材料加工的实物雨水篦子。实物尺寸为400 mm×700 mm,整套质量为38 kg。图1展示了实物雨水篦子产品双侧立起打开态、闭合态与中间铰支撑的3种状态。

排水试验中的雨水篦子采用PLA聚乳酸材料经3D打印的缩尺模型(比例为1∶3),见图2。试验用水主要是自来水,pH略小于7。试验水槽采用聚丙烯树脂材料制作的塑胶收纳箱,容积50 L(55 cm×41 cm×32 cm)。应急排水时雨水篦子被淹没相当于地漏,地漏自清能力试验中采用直径4 mm的尼龙球,但是该尺寸物体模拟不了市政道路中的扁长枝叶。为此,准备若干新鲜的扁长型树叶(最长12 cm,最宽4 cm),来源于校园的香樟树,模拟暴风雨摧残后掉落至路表的枝叶。

路障识别与车辆碾压的试样采用实物产品,无需特别处理。排水试验的试样处理具体如下:首先把雨水篦子缩尺模型平放于收纳箱底某侧,根据开口尺寸描绘并在收纳箱底标注出内框边缘,其次沿标注线条采用滚烫的铁钉按压出界限,再采用刀具切割出排水口;然后采用水泥砂浆把缩尺模型固定在排水口上方。准备塑料薄膜若干张,尺寸大小与缩尺模型基本一致。除此之外,沿纵向采用海绵胶黏贴胶带(与模型的肋条同宽)构成井田网格模仿常规井田网格型雨水篦子,具体是在缩尺模型的纵轴向增设3排肋条。

路障和道路环境的识别试验,目前多采用智能措施进行判断。鉴于试验条件,本研究结合人眼观测与倒车雷达识别进行。把实物产品(双扇交叉型雨水篦子)交叉支起成三角锥状挺立在道路路面,观察路人与车辆绕避行为。进一步地采用起亚K5小汽车测试前部盲区与倒车雷达的识别性。

车辆碾压试验,把实物产品平放于公交站台外缘公交车轮迹带。与公交车司机协商,观察反复制动与起步下的状况,除此之外,观察公共汽车反复碾压的情况。

排水试验可在多个栅条角度与流量下进行,采用缩尺模型选取零度栅条与雨水篦子完全淹没的情况,设计了无干扰的排水试验与有枝叶干扰的排水试验。缩尺模型有3个工作状态:①双侧闭合状态;②单侧闭合并单侧立起的半开状态;③双侧立起的全开状态。除此之外,在闭合状态下,增加模拟常规井田网格型篦子的闭合状态。排水试验开始前,采用多层塑料袋填充细砂土后依靠自身压力遮盖雨水篦子缩尺模型的平面开口,并在排水的一瞬间,快速地抽离砂土袋。为了减少抽离砂土袋的影响,计量时刻选取高低两个不同水位线,并且在高水位线上方有富余水量。排水量以两个不同水位线间的容量为准,实际标定为36.4 L。有漂浮物干扰的排水试验,是在容器中均匀撒布十张新鲜的香樟树叶。在记录排空时间的同时,观察枝叶是否有堵住开口的情形。

道路设计中小汽车“目高”一般采用1.2 m,障碍物高度考虑了汽车底板离地间隙一般取0.1 m。实际测量雨水篦子单侧立起与中间铰支撑打开状态的障碍物高度分别为42 cm与33 cm,明显突出于路面。观察发现:路人均自动绕避,低速或高速行进的小汽车也能正常绕避。采用起亚K5小汽车测试前部视觉盲区距离在3.4 m,但是对于突出于地面的打开状态下的双扇交叉型雨水篦子可以缩进盲区距离1.2 m;进一步,倒车雷达测试可以在1.1 m左右感知到突出于地面的打开状态下的双扇交叉型雨水篦子。上述测试说明,双扇交叉型雨水篦子在打开状态下构成了明显突出于地面的路障,容易被识别。根据此功能,当布置该雨水篦子在进出口路段时,交错并相对立起对侧的单扇雨水篦子可以构成限制车辆进入的临时性路障。

由于近距离范围内没有专用的雨水篦子抗压或弯折试验仪器,采用双轴公共汽车碾压进行检验。实际公共汽车碾压观测如下:实物产品无明显变形,无结构性损坏;经数十辆公共汽车停靠与碾压作用后依然可以正常开合使用。进一步地采用砖块在两端支起,4、5个学生抱成团站在篦子中部检验,也未见篦子损坏。该篦子的强度能够满足城市道路上非重载车辆的通行需要。

无漂浮物干扰的排水试验结果见表1。根据试验结果可以发现:不论双扇交叉型雨水篦子是否打开,恒定水量的排空时间都小于井田网格型篦子(简称井田型),同时流量都大于井田型篦子;由闭合到半开再到全开状态,双扇交叉型雨水篦子的流量是逐步增大的。所有雨水篦子的有效排水面积仅仅局限于所具备的镂空口。定义孔洞率为篦子被镂空的孔洞面积与雨水口上方篦子总覆盖面积的比值。有效孔洞率反映了雨水口实际被有效利用的程度,数值越大则雨水口排水受到篦子的阻挡作用就越小。经过采用游标卡尺多次测试市政道路上的井田型篦子,混凝土材质的孔洞率在0.24左右,铸铁材质的孔洞率在0.34左右;同步测定双扇交叉型篦子(模型与实物)的孔洞率见表1。可见,双扇交叉型雨水篦子的孔洞率比井田网格型篦子有明显优势,打开状态的孔洞率明显比闭合状态有优势。孔洞率或镂空尺寸决定了有效的排水面积与排水效率。这也证实了双扇交叉型雨水篦子排水效率高,半开状态比闭合状态排水效率高,全开状态又比半开状态效率高。客观上又与应急排水时需要打开雨水篦子的操作相一致。

有漂浮物干扰的排水试验结果见表2。根据试验结果,交叉型雨水篦子全开条件下,恒定水量的排水时间基本没有变化,流量也基本一致;由于树叶尺寸无法遮挡尺寸较大的雨水口,在篦子全部打开状态下漂浮的树叶对于排水效率基本没有影响。进一步地,半开状态下,恒定水量的排水时间与流量均有轻微影响;镂空的开口尺寸与漂浮物尺寸相近时,遮挡物会影响排放效率。试验中虽然未能观察到树叶停留与遮挡,但应该是影响了排放效率。深入比较发现:不论是具备狭长矩形镂空口的双扇交叉型篦子还是具备网格镂空口的传统井田型篦子,在闭合状态下排水时间都有了一定程度的延长同时流量有了缩小;同时井田型篦子在闭合状态下明显比交叉型篦子在闭合状态下截住的树叶多。试验中已经多次观测到传统井田型篦子有较多树叶停留在镂空口。在雨后的市政道路观察中也多次发现,有树叶与枝条堵在井田型篦子镂空口。这是因为不论枝条还是树叶多以扁长型为主,镂空口形状接近设计便于遮挡物在水力冲击下通过。

(1)双扇交叉型雨水篦子实物在打开状态下具备明显突出于地面的特征,便利驾驶员或路人的路障识别。双扇交叉型雨水篦子实物产品经公共汽车实际碾压试验证实可以满足基本的非重载车辆通行需要。

(2)双扇交叉型雨水篦子缩尺模型的排水试验证实,不论打开状态还是闭合状态均比常规井田网格型篦子具备更大的镂空尺寸与更接近枝叶形状的镂空口,也具备更加优良的排水效果。即便有树叶漂浮物干涉情况下,双扇交叉型雨水篦子由于堵塞少,其排水效果也比常规井田网格型雨水篦子优良。