不同形式雨水口泄流能力的试验研究

2020-06-27顾立忠赵建坤张晓雷宫鹏杰

广东水利水电 2020年6期

顾立忠，赵建坤，张晓雷，宫鹏杰

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635;2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;3.林芝市水利局，西藏林芝 860000;4.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046)

1 概述

随着城市化进程加快及全球气候变化的影响，下垫面硬化区域急剧扩大[1]，暴雨导致城市洪涝灾害的风险急剧上升，提高城市防洪减灾体系的能力迫在眉睫。雨水口作为连接地表径流与地下管流的重要节点，其泄流能力直接影响到洪水排除的效果[2]。因此，对不同形式雨水口泄流能力开展水槽试验研究，对于城市洪涝形成机理以及雨水口设计计算、布设间距方式等防汛排涝对策研究具有十分重要的意义。

目前，国内外学者主要通过开展试验研究道路地形、来流特性、雨篦子形式、布置方式以及篦子格条排列方式等对雨水口泄流能力的影响[2-6]。安智敏等[4]对道牙平篦式、立孔式及联合式雨水口泄流能力进行了试验研究，并基于堰流和孔口出流模式提出了计算公式。此外，西南交通大学的吴鹏[5]、天津市市政工程设计研究院的李鹏[2]、京都大学的Seungsoo LEE[6]等都通过模型试验对不同形式的雨水篦的排水能力以及流量系数进行了分析和率定。Bazin[7]等通过试验研究了雨水口泄流及管网内水流从雨水口溢流状态下地表径流与地下管流的流量交换特性，并提出了计算公式。然而受到试验条件的限制，其研究成果一般均具有一定的适用条件。陈倩等[3]采用完整的雨水口结构，通过开展模型试验对较大来流水深下雨水口泄流能力进行了研究，并基于堰流及管嘴出流模式以及量纲分析法提出了较为通用的计算公式。上述研究仅陈倩等[3]精细考虑了雨水口本身结构的影响，但其仅采用了一种特定规格的雨水口进行试验，没有考虑雨篦子形式对雨水口泄流量的影响，其余学者均未考虑，仅研究了雨篦子本身及其结构之上的因素对雨水口泄流能力的影响。雨水口通常由雨水篦、雨水井、侧支管组成[8]。

针对上述研究的不足，本文对2种形式的雨水口，采用完整的雨水口结构，通过分析篦前水深、流速等水力要素对不同来流情况下雨水口泄水能力进行试验研究。

2 试验设计

雨水口泄流能力试验平台如图1所示。水体被地下水库中的水泵抽送，沿管道一路分别经过平水塔、阀门、稳水前池、消能板，然后平稳地进入水槽，水槽中的水一部分被雨水口收集进入退水渠，随后通过三角堰测流装置后流入出水池；水槽中未被收集的水体通过下游的尾门进入出水池与退水渠中的水汇合后进入地下水库，最终完成水流循环。水槽长为20 m、宽为3 m、深为0.6 m，坡度为0。此外，槽内水位通过调节尾门处的闸门来控制；水槽的总供水量通过调节阀门以及观察水管道上的电磁流量计精确控制。

(a)平面示意

(b)立面示意

雨水口泄流的主要作用力是重力，试验平台按照重力相似准则设计，保证几何相似。模型的长度比尺为 1.5。本试验以雨水口标准图集(16S518)[8]中 750 mm×450 mm 的顺格条平面形以及横格条平面形雨篦子为原形，控制其孔隙率相同，均为34%，安装于试验水槽中部，对其展开试验研究，模型形状见图2所示，尺寸见图3。

图2 雨水口立面示意

(a)顺格条型篦子平面雨水口

(b)横格条型篦子平面雨水口

本研究中三角堰测量装置位于退水渠中，三角堰测量装置中水位测针的位置位于三角堰前方0.9 m处，用于测量雨水口雨水下泄量。消能板位于前池与水槽衔接处以及退水渠中，主要用于保证水流能够平稳地从前池进入水槽中以及提高三角堰测量精度，试验发现雨水口上游1 m处水流形态受雨水口泄流影响较小，因此，认为该处所测得的水深、流速值即为篦前水深、流速。该处水深及流速分别通过自动水位跟踪仪以及旋浆流速仪测得。进行试验时控制阀门雨水口上游来流量在30～40 L/s 范围内变化，每个流量工况下通过调节尾门平板闸门来改变槽内水深，待水流达到恒定流后，分别利用电磁流量计、自动水位跟踪仪、悬桨流速仪和三角堰测量装置读取测量电磁流量计示数、篦前水深、流速以及退水渠流量(通过雨水口下泄流量)。

3 试验现象及结果分析

3.1 实验现象分析及3种出流模式下泄流公式

通过试验观察发现两种雨水口水流下泄过程流态相似。当篦前水深较小时，水流沿雨水篦格栅外侧流入雨水井，雨水井未被灌满，水流以堰流形式通过雨水口。此时，雨水口泄流能力可按堰流公式(1)进行计算。

(1)

随着篦前水深的不断变大，当雨水篦格栅被全部淹没，雨水篦周围形成漩涡水流，由于雨水篦格栅面积总和大于侧支管截面面积，侧支管内变为有压流，雨水井有一定的容积，仍未被完全灌满，存在大量气泡，水流以孔口出流模式通过雨水口。此时，雨水口泄流能力可按孔口出流公式(2)进行计算。

(2)

式中ζp为孔流的综合流量系数；Ap为雨水口格栅总面积之和；其他符号同前。

随来流导致篦前水深的继续变大，当雨水井被完全灌满，不存在气泡时，受地下管道泄流能力的影响，雨水井及侧支管均为有压状态，可将雨水口完整结构同水槽看作一个整体，水流以管嘴出流方式泄流。此时雨水口泄流量可按管嘴出流公式(3)计算。

(3)

3.2 流量系数的率定以及3种泄流公式的判定条件

经过对试验数据分析比较发现，流速水头在总作用水头中占比较小，因此，下述分析中忽略流速水头部分，并将测量点的水深视为雨水口的总水头[3-6]。利用试验数据分别绘制出横纵格条形雨水口下泄流量与篦前水深的关系，如图4(a)(b)所示。由试验点据可以看出：2种雨水口下泄流量与篦前水深的关系趋势整体相似且均为3段递增函数关系，随着篦前水深的逐渐增大，3段函数关系的下泄流量增速依次减小。且在第1段与第2段关系变化处存在一定的过渡区间，分析认为该过渡状态是由于该阶段存在流态转换，雨水口上方流态不稳，篦前流速变化较大所致，且观察发现该过渡区间与雨水口上方漩涡从无到成熟的形成区间完全吻合，过渡状态之前以堰流模式出流；其之后到第2个过渡状态之间以孔口出流模式泄流；第2段至第3段之间并无明显过渡状态，可能是由于孔口出流公式与管嘴出流公式具有齐次性，雨水口上方漩涡已充分成熟，流态较稳定，故出流模式转换时才无明显变化。

(a)横格条型雨水口

(b)顺格条型雨水口

顺格条雨水口相较于横格条雨水口的过渡区间所对应的篦前水深较大，顺格条型雨水口的过渡区间为0.033～0.05 m，所对应的下泄流量为0.023 9～ 0.026 7 m3/s，横格条型为雨水口为0.034 1～0.046 8 m，所对应的下泄流量为0.021 2～ 0.026 2 m3/s。由此可见，顺格条的过渡区间大于横格条的过渡区间。利用试验数据分别对式(1)(2)(3)中的流量系数进行率定(见表1)。分别利用所得流量系数，将公式计算曲线也绘制于图4中，可见试验实测点均匀分布在曲线两侧，且由表1可得相关度均在0.75以上，表明公式拟合效果相对较好。从表1可知，顺格条形式比横格条形式雨水口的流量系数在堰流出流模式下较大，孔口出流模式下略大，管嘴出流模式下基本相同。此外，通过上述试验结果以及试验现象分析得出2种雨水口在3种泄流模式下泄流公式的判定条件(见表1)，即横格条雨水口在泄流量小于等于0.020 8 m3/s、篦前水深小于等于0.034 m时，适宜用堰流公式计算泄流量；当泄流量Q在0.020 8～0.030 7 m3/s，篦前水深h在0.044 7～0.098 9 m时，适宜用孔口泄流公式计算泄流量；当泄流量Q大于等于0.307 m3/s、篦前水深大于等于0.098 9 m时，适宜用管嘴出流公式计算下泄流量；同理，顺格条雨水口的各项参数见表1。

因此，通过比较两种类型雨水口的过渡区间所对应的篦前水深、相应的下泄流量以及流量系数可知，堰流以及孔口模式出流情况下，横格条型雨水口泄流能力弱于顺格条形式雨水口，这是由于横格条对入篦水流阻挡所致[9]。而管嘴出流模式下，2种形式雨水口的泄流能力则基本相同，分析可知，当雨水口处于管嘴出流情况下，可将雨水篦、雨水井、侧支管与水槽看作一个整体，其内水体为连续介质，由于其雨水篦孔隙率相同，故在管嘴出流模式下，雨水口下泄能力与雨水口形式无关。

表1 2种雨水口形式不同出流模式下参数汇总

3.3 2种雨水口及现行雨水口泄流能力参考值比较

将本文所提出的3种雨水口泄流计算公式与现行的雨水口泄流能力参考值(雨水口16S518[8])进行比较(如图5所示)。黑实线为雨水口图集(16S518)[8]中给出原形尺寸雨水口(750 mm×450 mm)过流特性曲线，红色线条及蓝色线条分别为用3种泄流公式(1)(2)(3)，结合表1中得系数绘制的2种原型尺寸雨水口的过流特性曲线。

图5 过流曲线与现行雨水口泄流能力参考曲线对比

从图5可以看出，2种雨水口的过流特性曲线与现行参考曲线的变化趋势大体一致，但顺横格条雨水口的过流特性曲线为断开的，其原因如前所述，由于过渡区间存在流态转换，雨水口上方流态不稳，篦前流速变化较大所致。在具体数值上，2种雨水口相差不大，但其与现行雨水口参考曲线在具体数值上存在差异，具体表现在：当水深较小时，2种雨水口计算值较符合现行标准参考值，而水深较大(超过0.1 m)时，即当雨水口处于管嘴出流模式时，则偏小较多。造成该结果的原因可能是没有考虑雨水井及侧支管等结构对水流下泄过程的影响[3]。