雨水篦子水力特性研究

李 鹏 ，李曦淳 ，宋启元 ，官 超 ，杨 敏

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.重庆康达环保产业（集团）有限公司，重庆市 401121；3.天津大学，天津市 300072）

0 引言

雨水篦子是常用的收水设施，起截流并泄除雨水的作用。其泄水能力直接影响雨水的排除效果，也间接影响道路交通安全。雨水篦子的体型对其排水能力的影响，目前还很少有人进行研究。早在20世纪四五十年代，前苏联、美国及我国都曾做过雨水口泄水量试验，得到了一些试验结果，但都存在一定的局限性，没有提出比较系统的计算理论[1-2]。近年来，厦门市市政工程设计院、空军工程学院、重庆建筑大学等单位的工程技术人员在这方面做了不少研究[3]，但都只是研究了雨水口的设计位置、设置数量以及布置间距等对雨水口泄水能力的影响，并没有涉及到雨水口篦子体型对泄水的影响。为此，以天津市海河隧道工程为依托对不同型式的雨水篦子泄水能力做了系统的试验研究，并对试验结果进行了系统地分析和总结。本文就4种不同篦子的型式来分析篦子体型对隧道排水能力的影响。

1 模型试验

1.1 研究内容、目的及参数

主要研究雨水篦子的水力特性，包括雨水篦子上水流爬行长度与篦前水深、流量、隧道纵坡的关系。具体内容如下：

（1）不同栅条角度的水篦子收水效果，研究栅条角度对收水效果的影响；

（2）不同纵坡水篦子的收水效果，研究隧道纵坡对收水效果的影响。

结合该工程的道路设计和排水设计，为了对今后工程道路条件变化时有借鉴意义，确定以下实验参数：

（1）雨水篦子的开孔与道路中心线迎水流方向夹角为 0°，30°，45°，90°；

（2）路面材料为沥青混凝土路面，粗糙系数为0.015；

（3）雨水篦子材质为球墨铸铁，长×宽=1.0 m×0.5 m，开孔率 为0.48。

根据以上试验参数，在雨水从驼峰点至横截沟篦子前具有相应速度的情况下，通过实验得出断面模型的收水能力。同时，测出断面模型各道横截沟每延米的收水量、篦前水深和篦前流速，分析不同篦型的收水效果，确定最佳排水篦型。

1.2 模型布置

断面模型采用实际道路的雨水篦子进行试验，几何比尺为1∶1。图1为模型布置简图。

图1 模型试验简图

1.3 模型制作

试验段长6 m，宽1.0 m。路面水槽采用10 mm有机玻璃制作。考虑到实际路面的粗糙度，试验中铺了细粒沙模拟路面，粗糙度与实际路面基本相似。试验雨水篦子的形状见图2。篦子的平面形状均为矩形，选用1 000 mm×597 mm。栅条厚度为20 mm，肋梁厚度为30 mm，栅条净间距为25 mm，栅条高为40 mm[4]。除0°栅条篦子用实际工程采用的以外，其它3种均用木材按比例制作，再涂刷油漆防水。整个试验通过变换3种不同纵坡（横坡固定）4种篦型，在5种来流情况下：100 a一遇暴雨(Q=0.54 m3/s)、80 a一遇暴雨(Q=0.49 m3/s)、50 a一遇暴雨(Q=0.38 m3/s)、5 a一遇(Q=0.32 m3/s)及 1 a一遇暴雨(Q=0.20 m3/s)进行了系统的试验研究。

图2 篦子模型图

2 栅条角度对水舌长度的影响

2.1 水流流态

在相同来流流量下，由于篦子的形状不同水流在篦上的流态也均不相同，图3为在来流量大约为50 L/s时4种篦子上的流态情况。从图3中可以看出，相同情况下，0°栅条篦子的收水效果较好，在流量为 50 L/s时水流全部通过篦子排出，而45°和90°栅条的篦子部分水流开始跃过篦子流向下游，从而减少了篦子的排水能力。

图3 4种篦子的不同流态

2.2 栅条角度对水舌长度的影响

水舌长度是评价篦子收水能力的重要指标，在相同来流条件下，水舌长度越小，表明篦子收水能力越强。图4表明，栅条角度为0°时，水舌长度远低于其它角度情况,因为0°栅条的篦子有水翅现象产生，在较大流量时无法测量水舌长度，故0°栅条的数据范围较小。

图4 综合水舌长度与流量的关系

3 栅条角度对收水流量的影响

篦前水深与单宽收水流量q(等于总流量q1减去过篦流量q′)基本上呈线性关系，且随着纵坡的增大而减小。本研究纵坡从3.0%变到4.0%，其变化幅度相对较小，尽管模型实测结果表明不同的纵坡其水深有所不同，但在相同栅条角度情况下，区分度不大。不同栅条角度对收水流量的影响较为显著，且在相同水深情况下，栅条角度越大，收水流量越小，见图5。由图5可确定在某一篦前水深的情况下其收水流量。在本试验参数(纵坡与栅条角度)范围内所有试验数据的分散程度也不是很大，若粗略估算水深与流量的关系，可将其统一到一个经验关系中，其经验公式如下:

式（1）的适用范围：栅条角度 0°～90°；纵坡 3.0%～4.0%；流量不大于120 L/s·m。

图5 综合水深与收水流量的关系

4 栅条角度对过篦流量的影响

过篦流量q′是指流过篦子而进入下游的流量，主要的影响因素是栅条的角度，而纵坡的影响不大。0°栅条由于篦上流态特殊，纵坡的影响要稍大一些，同时其与总流量q1的关系也与其它集中角度的栅条有较大区别，见图6。从收水能力的角度讲，栅条角度越大越不利。尽管0°栅条的流态相对较差(形成较大的水翅)，但不会产生危害性的水流流态 (例如喷溅水舌影响其它建筑物或车辆行人)，因此，0°栅条的收水能力大，可以获得较大的收水流量。

图6 综合不同栅条过篦流量的关系

5 结语

（1）栅条角度越大，对水流的阻力也越大，因而篦子的收水能力降低，因此，从收水能力的角度讲，0°栅条篦子较优。

（2）收水流量与篦前水深基本是线性关系，且随着纵坡的增大而减小，但变化幅度相对较小。

（3）0°栅条篦子的水舌长度远小于其它角度的篦子。当流量达到约40 L/s·m时，其它栅条角度篦子上面的水舌长度已接近或达到篦子的宽度，而0°栅条篦子的水舌长度仅达到篦子宽度的25%左右。

[1]左东启.模型试验的理论和方法[M].北京:水利电力出版社,1985.

[2]姚祖康.公路排水设计手册[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3]廖足良.雨水口设置诸问题浅析[J].重庆建筑工程学院学报,1994，16(4):96-100.

[4]中国建筑标准设计研究所.给水排水标准图集·合订本S2(下)[M].北京:中国建筑标准设计研究所,2002.