基于物理模型实验的城市道路雨水口平立结合改造对积水防涝影响研究

于 森，张书函，邸苏闯，周 星，葛 俊，肖冰琦

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2.河海大学，江苏 南京 210013)

1 研究背景

随着全球气候变暖和城市化进程的日益加快，超常暴雨事件频频发生，城市洪涝灾害和各种次生灾害造成的损失日趋严重，“水淹城池、城市看海”暴露了当前城市防洪排涝体系存在诸多问题[1-3]。雨水口作为市政排水系统的关键组成部分，是连接地表径流与地下管网的重要关口[4]。雨水口自身泄流能力能否承受其汇水范围内的降雨径流水量是决定道路会否积水的关键。然而雨水口型式(偏沟式、立孔式、联合式等)、雨箅子形式(横条、纵条、斜条)、雨箅子堵塞程度以及与其连接的雨水管道淤堵等因素对雨水口泄流能力具有重要影响。国外许多学者针对雨水口泄流能力开展了相关试验研究，Russo等[5]针对不同形状雨水口及泄流能力进行了模拟实验，提出了雨水口泄流能力与箅前水深关系的经验公式；Bazin等[6]通过对雨水口泄流及管网内水流模拟实验，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，提出了理论计算公式；Palla 等[7]采用数学模型计算了雨水口不同堵塞程度下的城市洪涝过程，结果表明雨水口堵塞程度越显著，道路地表积水水深也显著增加；Rubinato等[8]对10种圆形雨箅子进行了物理实验，研究了径流量、泄流量、箅前水深等参数之间的数学关系；Kemper和Schlenkhoff[9]在严格限制试验条件下得出偏沟式雨水口的泄流能力经验公式。刘雷斌等[10]通过搭建雨水口过流特性试验水工模拟平台，对城市道路中常见的偏沟式、联合式、立箅式雨水口的收水量进行了试验研究，得出不同城市道路雨水口的收水量关系曲线；顾立忠等[11]开展了不同形式雨水口泄流能力试验研究，对横格条及顺格条型雨水口进行了133组恒定流试验，对比分析了箅前水深、不同出流模式下率定的流量系数，研究结果为道路雨水口布设提供了参考依据；陈倩等[12]基于修建的具有上下两层结构的城市洪涝过程综合试验平台，开展了76组不同来水水深及流速下的雨水口泄流能力试验，建立了雨水口的泄流能力与雨箅子尺寸、箅前水流的弗劳德数等因素之间的经验关系，研究成果为精细化管理城市洪涝提供了计算依据；段园煜[13]等从不同坡度和径流量对雨水口泄流效率的影响进行了物理试验，提出了雨水口布置间距的优化设计。然而，上述研究从雨水口型式、雨箅子形式、雨水口堵塞、管道堵塞等方面综合考虑进行雨水口泄流能力试验研究尚有不足。此外，当前针对雨水口泄流能力的经验公式大部分是非下沉雨水口情况下推导得出的，而对于下沉情况下的联合式雨水口的泄流能力研究甚少，无法对平立结合改造后的效果进行科学评价；此外，针对同一道路下游末端雨水口除承纳自身设计汇水区域之外的上游跨越雨箅子流向下游的水量的理论计算公式研究较少，导致无法科学计算道路下游最低点雨水口可承纳的上游最大来水量，难以为汛期道路积水点防涝治理提供理论依据。

本文针对北京市主要道路的积水点内涝治理问题，结合北京市“十四五”期间将对全市23万处雨箅子进行平立结合改造，精细考虑雨水口的完整结构，并参照道路雨水口实际情况，搭建雨水口平立结合改造的物理试验模型，开展对偏沟式雨水口和联合式雨水口(偏沟式雨水口平立结合改造后的雨水口)的泄流能力物理模型试验，对比分析平立结合雨水口改造前和改造后的泄流能力效果，通过研究将为全市道路积水点雨水口平立结合改造的顺利实施提供决策参考和技术支撑。

2 模型试验概况

2.1 试验平台雨水口泄流能力物理试验平台搭建于北京市门头沟试验基地大厅。图1为雨水口泄流特性研究试验模拟平台平面示意图。本试验选取北京市城市主干路作为主要研究对象，路面横断面形式为3幅路模式、双向6车道主干路。由于本实验受场地空间限制，仅选取一个雨水口控制范围(长50 m×宽11.5 m)为研究区域，试验模拟路面宽取3 m、长度为8.95 m，模拟道路路面坡度为固定坡度(即纵坡为0.3%，横坡为1.5%)，雨水口位置设在模拟道路的2/3处，雨水排水管道设计长度为500 mm。模拟路面为水泥路面(糙率与沥青道路材质相同)，糙率为0.015，固定径流系数为0.95。

图1 雨水口物理试验水工模拟平台示意图

2.2 试验设计对于下沉雨水口，参照国家建筑标准设计图集《雨水口》(16S518)进行布设，即箅面标高比雨箅子周围路面标高低30 mm，并在上下游1 m内有斜坡；对于非下沉雨水口，按照道路路面与雨箅子箅面标高抹平进行布设。雨水口采用双箅式，其中单个雨箅子尺寸为750 mm×450 mm，雨箅子井圈采用球墨铸铁材质。试验雨箅子形式包括(横条孔隙率为37%、纵条孔隙率为45%、斜条孔隙率为52%和混凝土孔隙率为18%)(图2)。试验设计工况包括雨箅子堵塞试验包括雨箅子堵塞面积25%、50%和75%(图3)，管道堵塞试验包括管道阻塞横断面积25%、50%和75%(图4)，道路典型积水水深有5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、27 cm、30 cm，共开展了377组工况组合试验。此外，根据《城市道路雨水口技术规范》(DB11/T 1493—2017)选择雨水口箅前1.2 m位置为流速观测点，该处水流流速较为稳定。

图2 不同雨箅子形式

图3 不同程度(双)雨箅子堵塞

图4 不同程度管道堵塞

2.3 测量方法采用手持智能流速仪(流速单位：cm/s，精度：0.01 cm/s)测量模拟道路径流水流流速。为保证模拟道路不同重现期降雨径流在恒定入流条件下完成每项工况试验，连续三次测量道路径流流速，分别计算实测值与平均值之间的误差，若在误差允许范围(即误差≤5%)之内，说明当前降雨径流流速达到恒定状态，即可开展相关工况试验。对于路面径流水深，通过采用手持测针测量(精度：0.01 cm)。模拟道路径流来水水量采用试验基地供水系统的电磁流量计计量。同时，针对实际道路雨水口有积水和无积水情况，设计了两套量水堰(三角堰和矩形堰)来测量雨水口的收水率和雨箅子末端的退水量，一套安装在雨水口下游连接管末端的退水槽中，用来测量雨水口的收水率；另一套安装在道路末端退水池下游的退水槽中，用来测量雨箅子未被收纳的道路径流水量。此外，通过分析来水水量与雨水口下泄水量和道路末端退水水量之和的差异来对道路上游降雨径流流量进行二次校核。

2.4 试验工况根据北京市《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(DB11/T 969-2016)中暴雨强度公式，选取汇流时间5 min，采用降雨重现期在1年、3年、5年、10年、50年、100年一遇及2倍、3倍、5倍于100年一遇的汇水面积径流流量作为道路上游来水水量进行模拟实验。

(1)暴雨强度：

(1)

式中：q为设计暴雨强度；t为设计降雨历时；P为设计重现期。

(2)径流转换。根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2021)采用式(2)计算模拟道路设计降雨径流流量：

Qs=qψF

(2)

式中：Qs为降雨径流设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；ψ为径流系数；F为汇水面积，hm2，且F为汇水范围的长度L0和W0宽度之积。由此，计算出上述9种不同降雨重现期情景下的实验供水量分别为：12.9 L/s、19.3 L/s、22.3 L/s、26.3 L/s、35.7 L/s、39.7 L/s、79.4 L/s、119.2 L/s和198.6 L/s。

(3)雨水口收水率：雨水口收水率是指雨水口泄流流量与雨水口上游径流流量的百分比：

(3)

式中：Q0为雨水口上游的径流流量，L/s；Qp为雨水口泄流流量，L/s。

3 试验结果分析

3.1 下沉雨水口与非下沉雨水口泄流能力对比分析分别对偏沟式雨水口和联合式雨水口进行了雨箅子下沉30 mm和非下沉的物理模型试验。试验结果表明：对于下沉雨水口，不论是偏沟式或联合式，降雨重现期在5年及以下，即径流流量为22.3 L/s及以下时，二者都能够全部收集模拟路面上的降雨径流，收水率为100%；降雨重现期在10年一遇，即径流流量为26.3 L/s时，二者收水率都为99%。而对于非下沉雨水口，降雨重现期在1年一遇，即径流流量为12.9 L/s时，偏沟式和联合式的收水率分别为77%和79%，二者有20%以上的降雨径流跨越雨箅子流到下游；降雨重现期在10年一遇降雨，即径流流量为26.3 L/s时，偏沟式和联合式的雨水口收水率分别为64%和65%，二者有35%左右的降雨径流跨越雨箅子流到下游。也就是说对于降雨重现期在10年及以下，下沉雨水口几乎能够全收纳道路雨水口自身设计汇水范围内的来水水量，而下游末端几乎不会发生积水，非下沉雨水口则一定会在下游末端发生积水。

当降雨重现期达到50年和100年一遇，即径流流量为35.7 L/s和39.7 L/s时，对于下沉雨水口，偏沟式和联合式的雨水口收水率分别为93%和90%；而非下沉雨水口，50年一遇降雨时偏沟式和联合式的雨水口收水率分别为58%、59%，100年一遇降雨时偏沟式和联合式的雨水口收水率分别为56%、57%。也就是说，对于降雨重现期在50年、100年一遇情况下，下沉雨水口仅有10%左右的降雨径流水量跨越雨箅子流向下游，而非下沉雨水口则有超过40%的降雨径流水量跨越雨箅子流向下游，结果表明在相同重现期条件下非下沉雨水口所在的道路低洼处比下沉雨水口所在的道路低洼处更容易产生积水。

3.2 不同形式雨箅子过流能力比较在降雨重现期为1年、3年、5年、10年、50年、100年及2倍、3倍、5倍于100年一遇情况下，对纵条(孔隙率为45%)、横条(孔隙率为37%)、斜条(孔隙率为52%)、混凝土(孔隙率为18%)4种不同形式雨箅子的泄流能力进行了模拟试验。结果表明：在模拟道路纵坡为0.3%、横坡为1.5%，道路雨水口按照《雨水口》标准建造情况下，纵条、横条、斜条、混凝土这4种雨箅子的收水效果差别不大。当降雨重现期在5年以下时，4种形式雨箅子的收水率均为100%；当降雨重现期在10年至100年时，4种雨箅子的收水率均在90%以上。也即是说，降雨重现期在100年一遇及以下时，实际道路雨水口若按照《雨水口》标准规范建造，4种形式雨箅子的泄流能力基本没有差别，几乎都能够收纳道路上游全部自身设计汇水范围内的降雨径流水量(图6)。

图5 下沉雨水口与非下沉雨水口过流能力对比

图6 不同形式雨箅子收水率对比

3.3 雨箅子堵塞过流能力对比分析综合考虑造成道路雨水口实际堵塞因素(如树叶、树枝、塑料垃圾、碎石颗粒等)，选择堵塞材料为厚度3 mm有机玻璃板模拟偏沟式和联合式雨水口的雨箅子堵塞情况。试验结果表明：在雨水口连接管为500 mm且为自由出流的情况下，降雨重现期在10年、50年和100年一遇，雨箅子堵塞面积达到25%时，偏沟式雨水口的收水率分别为98%、87%和82%，联合式雨水口的收水率分别为98%、88%和85%，联合式雨水口收水能力略大于偏沟式雨水口但差别不大；但当雨箅子堵塞50%时，联合式雨水口的收水率分别为93%、84%和81%，偏沟式雨水口的收水率分别为87%、76%和69%，联合式雨水口比偏沟式雨水口的收水率分别提高了6%、8%和12%；当雨箅子堵塞75%时，联合式雨水口的收水率分别为90%、80%和76%，偏沟式雨水口的收水率分别为75%、63%和59%，联合式雨水口比偏沟式雨水口的收水率分别提高了15%、17%和17%(图7)。显而易见，当雨箅子堵塞面积为50%和75%情况下，联合式雨水口泄流能力要强于偏沟式雨水口泄流能力。

3.4 雨水管道堵塞泄流能力分析在雨水口按照标准下沉情况下，针对偏沟式雨水口和联合式雨水口进行雨水管道堵塞和道路积水联合试验，试验结果表明(图8)：

图7 雨箅子堵塞不同程度下联合式与偏沟式雨水口收水率对比

图8 雨水管道堵塞不同程度下联合式与偏沟式雨水口收水率对比

(1)当道路无积水情况下，雨水口收水率受管道堵塞程度影响显著。雨水管道堵塞25%时，联合式和偏沟式雨水口的收水率都为96%，随着雨水口连接管道堵塞面积比例的增加雨水口的收水率逐渐下降，联合式和偏沟式雨水口之间的差异也越来越明显，当雨水口雨水管道堵塞75%时，100年一遇降雨情况下联合式雨水口的收水率为62%，而偏沟式雨水口的收水率为57%。

(2)当道路产生积水情况下，连接管较通畅时联合式雨水口的泄水优势较明显，但当连接管堵塞程度达到75%时，联合式雨水口与偏沟式雨水口因受管道排水能力限制而排水量减小，两者的差别不显著。积水深度达到15 cm，雨水管道堵塞50%时，偏沟式雨水口的泄水量为66.30 L/s，联合式雨水口的泄水量为85.40 L/s，联合式雨水口的泄流能力比偏沟式雨水口的泄流能力提高了29%；雨水管道堵塞75%时，偏沟式雨水口下泄水量为33.40 L/s，联合式雨水口下泄水量为34.00 L/s，两者的泄流能力差异减少到了2%。

3.5 道路积水情景下的雨水口泄流能力分析对于联合式雨水口和偏沟式雨水口，在雨箅子堵塞程度分别达到25%、50%和75%情况下，同时设置雨箅子末端下游1 m处作为试验控制积水水深分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、27 cm、30 cm的观测点，模拟不同积水水深情况下雨水口泄流能力。试验结果表明(图9)：当雨箅子堵塞25%，积水深度分别达到15 cm和30 cm时，联合式雨水口略大于偏沟式雨水口的泄水量，联合式为132.2 L/s和148.5 L/s，偏沟式为131.4 L/s和148.0 L/s。随着雨箅子堵塞程度的增加，联合式雨水口泄水能力强于偏沟式的优势越显著。当雨箅子堵塞75%，积水深度达到15 cm和30 cm时，联合式雨水口的泄水量分别为105.8 L/s和129.0 L/s，偏沟式雨水口的泄水量分别为89.5 L/s 和116.06 L/s，联合式雨水口的过流能力比偏沟式雨水口分别增加了18.2%和11.2%。

图9 典型积水深度条件下联合式与偏沟式雨水口泄流能力对比

3.6 道路下游末端雨水口承纳水量计算及分析根据前面试验结论可知，对于按照《雨水口》标准建造的道路雨水口，几乎能够全部收纳自身设计汇水范围的10年一遇及以下的降雨径流量，但实际上大部分道路雨水口因建造不标准、雨箅子堵塞等因素，造成部分降雨径流跨越雨箅子流向下游，导致道路下游末端雨水口除了承纳自身设计汇水区内径流量外，还要承纳上游道路来水水量。为了量化道路下游末端单个雨水口的承纳水量，推导出了其理论计算公式。假设道路长500 m，中间有10个雨水口(根据雨水口标准，两雨水口间隔50 m)，单个雨水口收纳自身设计汇水区域范围内的水量为Q0，每个雨水口的收水率都为a(0≤a≤1)，自上游至下游，雨水口编号为#1，#2，#3，…，#10。则

第n个雨水口承纳水量：

(4)

第n个雨水口未承纳水量为：

(5)

式中：Q0为单个雨水口收纳自身设计汇水范围内的水量；a为单个雨水口的收水率；Qn为单个雨水口收纳的水量；Q′n为跨越单个雨水口流向下游雨水口的水量；N为雨水口的总数(N=10)；n为雨水口编号(n=1,2,3，…，N)。

结合雨水口物理模型试验数据，根据式(4)和式(5)，分别计算下沉雨水口和非下沉雨水口情况下，#1—#10雨水口不同重现期降雨所承纳上游来水水量与自身设计汇水区来水量的比值，记为“超载倍数”。根据图10和图11所示可知，随着上游来水量的增加，道路雨水口自上而下，其收水率逐渐下降，道路下游末端雨水口承纳除自身汇水区水量之外的上游来水水量的倍数也逐渐增加。降雨重现期为100年一遇时，对于道路中间至末端的#5—#10下沉雨水口，超载倍数为0.11，而在非下沉情况下，超载倍数为0.73。当来水量为3倍于100年一遇降雨时，对于道路中间至末端的#5—#10下沉式雨水口，超载倍数为0.87～0.92，而在非下沉情况下，超载倍数为1.72～2.15。由此可知，在雨水口下沉情况下，下沉雨水口上游来水造成道路下游末端积水的贡献较少，而雨水口非下沉情况下，上游来水造成下游末端积水的贡献较大。

图10 不同重现期降雨下沿路各下沉雨水口的超载倍数

图11 不同重现期降雨下沿路各非下沉雨水口的超载倍数

4 主要结论

通过综合考虑雨水口是否下沉、雨箅子堵塞、雨水连接管道堵塞、典型道路积水深度等因素开展的雨水口泄流能力模拟试验，得出以下结论：

(1)道路雨水口是否按照《雨水口》(16S518)标准相对于周边地面下沉3 cm，对道路积水内涝影响较大。下沉雨水口可全部收纳5年一遇降水重现期及以下产生的地表径流，100年一遇时仅有10%左右的降雨径流跨越箅子流向下游雨水口。

(2)在排水管道能力充足的情况下，试验所选用的4种雨箅子形式对下沉雨水口的收水能力影响不大。10年一遇降雨时，横条、纵条、斜条和混凝土4种箅子的收水率分别为99%、100%、99%、100%；100年一遇降雨时，4种雨箅子的收水率都能达到90%。

(3)道路积水一定深度后雨水口的过流能力决定于与其连接的雨水管道自身的排水能力。在雨箅子和管道无堵塞情况下，雨水口的过流能力取决于管道的排水能力。当雨水管道堵塞75%、积水深度达到30 cm时，雨水口的过流能力仅与雨水管自身排水能力有关，不受雨水口型式(偏沟式和联合式)的影响。

(4)在雨箅子堵塞面积相同情况下，下沉雨水口的过流能力大于非下沉雨水口，联合式雨水口过流能力明显优于偏沟式雨水口。

(5)联合式雨水口的抗堵塞能力明显优于偏沟式雨水口。由于联合雨水口增加了立面过水面积，不论雨水口按标准下沉还是非下沉，联合式雨水口的抗堵塞能力明显增加，因而泄水能力也优于偏沟式雨水口。

(6)雨水口设计汇水区以外的道路径流汇入是道路产生积水内涝的重要原因。如果没有外部来水，下沉式道路雨水口基本能够排泄设计汇水区内100年一遇的降雨而不产生道路积水。但由于实际道路雨水口未按《雨水口》标准下沉导致上游道路径流跨越雨箅子流到下游，容易造成下游低洼区域地面积水。

综上试验结果表明，开展雨水口平立结合改造对于城市道路积水内涝防治是十分必要的。若在雨水口平立结合实际改造过程中，同步将与路面平齐的雨水口改为符合标准的下沉式雨水口，将在很大程度上缓解城市道路积水造成的危害，更加有利于城市内涝的防治。