雨水口是城市道路排水最常用的构筑物,一般布设在道路行车道边缘上,车行道或人行道上的雨水首先汇入雨水口,再流入雨水管道。雨水口的泄水能力决定了从路面进入地下排水系统的径流量,其布设的合理性直接影响了雨水排除的效果,也间接影响了道路的通行能力和交通安全,及路面的结构性能和使用寿命。

　　 目前,江苏省内设计单位参照的雨水口相关设计图集为 《市政排水管道工程及附属设施 》(06MS201)及《给水排水图集》(苏S01-2012),图集未对雨水口泄水量计算方法进行明确,且图集中所罗列的雨水口设计尺寸未涵盖市场上现有的产品,其对实际设计过程中的指导存在一定的偏差。另一方面,关于雨水口的设计文献也极少。

　　 本文从雨水径流路径,将城市道路排水设计理论计算分为3个部分:雨水口汇水流量、道路边沟流量和雨水口泄水量,并以无锡地区设计项目作为案例,分析雨水口设计的关键步骤及雨水口设置间距的合理范围。

　　 如图1所示,降落在地面上的雨水在沿地面流行的过程中,部分被地面上的植物、土壤等截留,其余形成地面径流,沿道路两侧边沟,通过雨水口下泄经连接管汇至雨水管道,其路径主要分为如下3个阶段。

　　 路径1:考虑雨水经植被、土壤等截留、下渗的因素,根据综合径流系数计算雨水汇水流量Q₁。

　　 路径2:汇集至路面上的雨水,因道路横坡的影响,以道路铺面、平石、路肩和路缘石为界形成边沟浅流,其作用是将路面上的雨水引向雨水口,因此,边沟流量Q₂数值视为与雨水汇水流量Q₁等值。

　　 在道路纵坡的影响下,边沟内的雨水经沿途雨水口分部截流至雨水干管内。雨水口截流率指下泄流量与进水口处流量之比。经研究证明,雨水口对径流的截流率与道路纵坡有关,当道路纵坡小于0.3%时,雨水口截流率90%~100%;当道路纵坡介于0.3%~2.0%时,雨水口截流率为75%~90%;当道路纵坡大于2.0%时,雨水口截流率在75%以下^[1]。

　　 路径3:受道路设计纵坡的影响,雨水口泄水量Q₃一般小于边沟流量Q₂,且考虑到塑料袋、杂草等垃圾物不同程度的堵塞等因素,设计时应考虑一定的折减系数,即选取的雨水口理论泄水量数值应大于实际下泄水量。

　　 雨水口流域汇水面积小,且周围地面覆盖状况不复杂,计算时,常采用推理公式法来计算。其计算见式(1):

　　 式中φ———综合径流系数;

　　 q———设计暴雨强度,L/(s·hm²);

　　 A———汇水面积,m²。

　　 城市汇水地区的地面种类及地面覆盖状况,是影响径流系数的主要因素,随着地面覆盖状况的改变,径流系数也在变化,所以雨水口所服务的汇水面积上的平均径流系数值可按各种地面的面积加权平均计算。不同地面覆盖状况的径流系数参照《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)。

　　 在城市道路中,边沟是由道路铺面、平石、路肩和路缘石组成的一种浅梯形沟渠^[2],如下图2所示。边沟宽度通常为0.3~1.0m,其作用是将路面上的雨水引向雨水口。

　　 本次主要研究常规边沟流量的计算,其边沟横坡是与路面铺面横坡坡度一样的单一横坡。当雨水通过边沟流向雨水口时,则会形成一定宽度的梯形过水断面,如图2所示。

　　 在水力学上,常规边沟水流属于浅水明渠流的形式,则边沟流量Q₂的计算公式:

　　 式中A———过水断面面积,m²;

　　 υ———边沟内的平均流速,m/s;

　　 a———边沟底宽,m;

　　 i———道路横坡坡度;

　　 h₀———边沟内过水断面的水深,m;

　　 C———谢才系数;

　　 J———道路纵坡坡度,m/m;

　　 n———曼宁系数,对沥青路面和水泥混凝土路面取0.015;

　　 R———水力半径,m;

　　 ρ———过水断面湿周,m。

　　 雨水口作为市政排水系统汇集地表水的重要设施,提高其设计泄水能力,是保证城镇排水系统快速排除地面积水的途径之一。雨水口的泄水能力能否承受其服务范围内的径流量是道路积水与否的关键因素。影响雨水口泄水能力的因素较多,如道路坡度、道路允许淹没深度、篦子形式、雨水口数量、位置及高程等。

　　 无锡地区道路基本采用350mm宽平石,因此,为保证整体美观效果,常用350mm×500mm尺寸雨水口,下面以球墨铸铁雨水篦子为例,其篦子开孔尺寸详见图3。

　　 雨水口泄水量Q₃可参照如下公式计算:

　　 式中μ———流量系数,可采用孔口流量系数μ=0.60~0.62;

　　 P———铁盖的空隙比,P =s/(s+d),s为进水缝隙的宽度;d为二条进水缝隙间不能进水部分的宽度。如图3所示雨水篦子

　　 b———铁盖最边缘两条缝隙的间距,由图3可知b=280mm;

　　 L———缝隙的有效进水长度,由图3可知L=430mm;

　　 h_c———雨水口盖上缘水深,h_c=0.67 h₀,据研究表明,h₀的合理范围4~10mm^[3]。

　　 根据式(7)计算,不同尺寸的各材质雨水口泄水量如表1所示。

　　 根据《室外排水设计规范》规定,雨水口井的深度宜小于或等于1m,为满足要求雨水口连接管管径一般采用DN 200~300。设计时,通常按照设计经验控制雨水口串联数量,以满足规范中“雨水口连接管串联的雨水口数量不宜超过3个”的规定^[4],而不经详细计算。表2为雨水口连接管管径与不同材质、尺寸的雨水口串联个数对应关系。

　　 对于城市道路中雨水口的布置间距,《排水工程》和《室外排水设计规范》中的规定分别为30~80m、25~50m。规范中只给出雨水口间距的参考值范围,且该参考值范围的差值很大,在实际工程中往往很难准确把握。

　　 雨水口间距太小时,虽有利于路面雨水的排除,但影响道路的美观,亦会增加投资成本;雨水口间距太大时,雨水口的泄水能力满足不了边沟的来水流量,易引起路面积水。

　　 因此,在布设雨水口时,其间距建议经过计算后再结合道路纵坡度合理确定。

　　 雨水口设置间距为:

　　 式中L———雨水口的设计间距,m;

　　 ψ———折减系数,考虑到城市维护管理的现有措施,雨水口暴雨时易受塑料袋、杂草等垃圾物的不同程度的堵塞及道路设计纵坡太小等因素影响,雨水口的泄水能力大有折减,因此雨水口实际泄水流量为ψQ₃,ψ一般取值0.5~0.6;

　　 Q₃———雨水口理论泄水流量,L/s;

　　 γ———为雨水口截流率(下漏流量与进水口处流量之比),根据道路纵坡情况而定;

　　 Q———雨水口服务区域纵坡方向道路单位长度的汇集流量,L/(s·m)。

　　 以无锡地区二块板道路的设计断面为例(如下图4),单侧车行道宽度7m,人行道宽度2m,中央分隔带宽度2m,道路横坡1.5%,纵坡1‰,道路按双侧布管。

　　 步骤一:假设雨水口布设间距,计算收水范围内雨水汇水流量Q₁。

　　 采用无锡市暴雨强度公式进行径流量计算,车行道径流系数0.9,人行道径流系数0.8,中央分隔带径流系数按0.2,则综合径流系数为0.805,考虑沿街纵深10m街坊范围的排水,经计算纵坡方向道路单位长度的汇集流量为0.77L/s。假设雨水口布设间距为25m,则雨水口服务范围内汇水量为19.25L/s。

　　 步骤二:假设形成的汇水流量均由边沟引向雨水口,边沟流量Q₂数值视为与雨水汇水流量Q₁等值,由此计算出边沟内过水断面的水深h₀。同时根据道路纵坡确定雨水口截流率,计算出雨水口下泄水量需求值。

　　 当边沟流量为19.25L/s时,代入式(2),计算出边沟内过水断面水深为4.2mm。道路纵坡1‰,雨水口截流率取80%,边沟流量为19.25L/s时,雨水口需下泄水量为15.4L/s。

　　 步骤三:根据经验选取雨水口形式,根据h₀计算出所选取雨水口的理论及实际泄水量,并对步骤二中计算出的雨水口下泄水量需求值相比较。

　　 假设选用350mm×500mm球墨铸铁雨水口,h₀值代入式(3),可计算出雨水口理论下泄水量为26.82L/s,考虑折减系数0.6,雨水口实际泄水量为16.09L/s。所选取的雨水口其实际下泄水量大于步骤二中计算的下泄水量需求值,且数值较为接近,说明选取的雨水口形式及尺寸合理。

　　 步骤四:根据雨水口的实际下泄水量计算出雨水口布设的最大间距,验证步骤一中假设的间距是否合理。

　　 根据选用的雨水口形式,其雨水口实际泄水量16.09L/s代入式(4),可计算出雨水口布设最大间距为26.1m。

　　 因此,本设计雨水口布设间距宜取25 m,雨水口选用350mm×500 mm球墨铸铁雨水口。当雨水口连接管选用DN 225管径时,一根连接管仅可最多连接2个。

　　 (1)雨水口泄水量及间距布置按照经验值设计时,应采用理论计算进行校核。

　　 (2)同等尺寸不同材质雨水篦子选择时,建议尽量选用空隙比大的,优先选用钢格栅,其次选用球墨铸铁,最次选用钢纤维。

　　 (3)计算雨水口间距时,建议将雨水口出现不同程度堵塞、道路纵坡偏小等因素考虑在内,应采用雨水口实际泄水流量进行计算,此举亦符合《室外排水设计规范》中“雨水口和雨水连接管流量应为雨水管渠设计重现期计算流量的1.5~3倍”的要求^[4]。

　　 (4)采用钢格栅雨水口时,因单个雨水口泄水量较大,当一根雨水口连接管所连接雨水口数量超过1个时,其连接管管径应根据雨水口泄水量相应放大。

　　 雨水口作为雨水收集系统的重要组成部分,其设计的合理性关系到路面是否积水,雨水是否能顺畅排放的问题。本文介绍了雨水口设计相关流量的理论计算方法,并结合设计实例,介绍了雨水口设计过程中的要点,对后续设计具有一定的借鉴作用。