集装箱堆场排水沟的优化设计

王 钊，贺春晖

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

排水沟是集装箱堆场常用的排水设施，具有线性收水，集水速度快，降低堆场积水发生概率；埋深浅，施工开挖量小，造价较低；清淤方便，容易维护等优点。但是，排水沟的水力计算相对复杂，工程设计中常按经验确定排水沟尺寸和坡度，容易造成设计裕度过大，浪费宝贵的堆场面积，增加施工工程量。

就集装箱堆场而言，通常一个排水系统的服务面积可以控制在1～2 km2的范围内，其降雨及径流的流态假定为恒定均匀流，故而适用推理公式进行简化的水力计算。本文提出一种利用现行排水设计规范和手册的相关公式建立计算模型，使用 excel等常用工具计算排水沟断面尺寸的方法，并提出一种优化选择排水沟尺寸的思路，可以提高排水沟的设计效率，并使设计成果更加经济有效。

1 水力计算模型

1.1 堆场降雨量计算模型

根据恒定均匀流推理公式，集装箱堆场的降雨量可按下式计算：

式中：

Qs为雨水设计流量；

q为当地设计暴雨强度；

ψ为堆场的地面径流系数；

F为设计的汇流面积。

根据堆场铺面形式可以计算出相应的径流系数；而结合排水沟和地面高程的布置，将设计排水沟周边的地面高点连接成分水线，可以计算出对应的汇水面积。设计暴雨强度则可根据下式计算：

式中：

P为设计重现期；

t为降雨历时；

A1、b、C、n为统计参数。

设计重现期根据堆场用途、规模及重要性确定，集装箱堆场为 1～2 a；而统计参数可以通过查询设计手册或者咨询当地气象部门获得。降雨历时则根据下式计算：

式中：

t1为地面集水时间；

t2为雨水在排水沟内的流行时间。

地面集水时间可根据汇水距离、地面坡度和铺面形式计算，汇水距离不大时，一般取 5 min；排水沟内流行时间应根据排水沟长度和雨水在排水沟内流行速度计算。

1.2 排水沟排水量计算模型

假定排水沟内水流状态为恒定均匀流，其排水量可按下式计算：

式中：

Qp为排水沟的排水量；

v为雨水在排水沟内流行的速度；

A为排水沟内水流断面的面积。

水流断面可通过沟宽B和水深H计算，而流速与排水沟内壁的粗糙系数n、水力半径R和坡度i有关，A和v通过下列公式计算：

而水力半径可通过下式计算：

其中χ为湿周，即排水沟内壁与水流接触的长度，对于矩形断面的排水沟可通过下式计算：

1.3 排水沟断面设计方法和优化思路

而排水沟的优化设计则是通过调整不同的沟宽和坡度，在满足使用的前提下，使得排水沟断面面积最小，即为最优的设计尺寸。

在设计和优化过程中应注意：

1）排水沟的流速应满足室外排水规范的要求；

2）排水沟深度应大于计算水深，保证排水沟的使用功能满足要求；

3）排水沟宽度应合理设置，过窄则不利于清淤作业。

2 工程实例

某港自动化集装箱码头，其堆箱区内采用钢筋混凝土箱角梁加级配碎石铺面，堆箱区间为联锁块铺面，轨道梁为整体道床。轨道梁长 429 m、宽1.4 m，箱区宽25.7 m，箱区间平均宽度4.5 m。其中，轨道梁和箱角梁的径流系数为 0.9，联锁块为0.6，级配碎石为0.45；用各种铺面面积加权平均计算，堆场综合径流系数为0.511。堆场的设计重现期取为2年，排水沟采用钢筋混凝土结构、矩形断面，内壁粗糙度参考同材质排水管取 0.013。本工程排水沟采用钢格板盖板，地面的金属物质会对自动化设备运行造成干扰，故而设计时将排水沟设置于箱区内部，两侧箱角梁中间的缝隙处，排水沟设计长度361 m。

为了便于施工及维护，设计时选择200 mm、300 mm、400 mm、500 mm四种沟宽进行比较，以确定最优方案。规范要求排水沟应有0.2 m的超高，加上盖板厚度 0.1 m，设计时起点深度和终点超高均取 0.3 m。结构工程量计算时，排水沟沟壁厚度按0.2 m计，底板厚度按0.3 m计。考虑到施工精度难度，排水沟的沟深精确到厘米级。

3 方案优化比选

将本例中的各项参数带入计算模型，分别得到结果如表1～表4。

表1 B=200 mm排水沟计算结果

表2 B=300 mm排水沟计算结果

表3 B=400 mm排水沟计算结果

表4 B=500 mm排水沟计算结果

统计上述4个计算简表可知，当排水沟的宽度小到一定程度后排水沟的深度增加幅度会变大，导致排水沟的工程量反而增加；排水沟的宽度一定时，排水沟的工程量随坡度增加而增加，设计时应当选择满足规范和使用要求的最小坡度；通过增加起点深度来满足计算水深要求，并不比增加排水沟坡度更经济。

本工程中 B=300 mm、i=1.77 ‰的排水沟和B=400 mm、i=1.36 ‰的排水沟，每沿米沟壁工程量均为0.458 m3。考虑到排水沟施工时基槽受沟深的影响大于沟宽，所以最优选择是坡度更小的 B400排水沟。

4 结 语

在港口工程的排水系统中，利用本文的方法简化计算排水沟的设计尺寸是切实可行的，并且对优化排水沟的断面设计，降低工程造价有重要意义。本例计算结果指出了经验设计中，排水沟宽度约小工程量越小，坡度不变，增加起点深度满足使用要求可以减小工程量等设计误区。但本方法适用面积不超过2 km2，计算过程中存在大量试算，工作效率相对较低，存在进一步改进的空间。

同时，根据本文使用的水力模型可知，要减小排水系统的工程量，除了合理选择排水沟宽度和坡度外，更有效的办法是降低堆场的地面径流系数，即海绵港口的设计方式，在不影响港口设施基础安全和使用功能的基础上，尽量使用透水性能更好的铺面形式能呈线性比例的降低排水系统的设计规模，平面和道堆等相关专业应在设计实践中引起重视。