城市道路路面排水设计中雨水口的布设方法
2024-03-17江楠
摘要 文章结合城市道路雨水口布设中的雨水口汇水流量及道路边沟流量计算方法，提出三种不同的城市道路路面雨水口布设方式及直线段、环形交叉路段的雨水口布设方法。结合环形交叉路段雨水口布设现状，探寻更科学的雨水口布设方式，并分析某城市道路路面排水设计中环形交叉口道路雨水口布设实例，以完善雨水口布设理论，提升雨水口布设科学性。
关键词 城市道路；排水设计；雨水口布设
中图分类号 U417.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0031-03
0 引言
城市道路是基础性、重要性设施工程，长时间道路积水，会因雨水渗入路基面导致路面结构破坏、路面龟裂问题，会降低路基强度，甚至引发车轮失控等交通安全事故。作为路面排水重要构筑物之一的雨水口，是否具备良好的泄水能力，布设方式是否科学，与雨水排除效果直接相关。
1 城市道路路面雨水口流量计算
雨水口布设间距计算是雨水口设置的关键环节，而此间距需要通过雨水口汇水量、道路边沟流量两个重要参数计算得出[1]。
1.1 雨水口汇水量计算
当雨水口流域汇水面积不大、周边地面覆盖情况相对简单时，按式（1）计算雨水口汇水流量，即：
（1）
式中，φ——径流系数；A、q——汇水面积及设计暴雨强度。雨水口汇水面积平均径流系数按地面面积加权平均方法计算得出，计算公式为：
（2）
式中，Ai、φi——汇水面积的地面面积及径流系数，城市综合径流系数取值范围为0.8～0.9之间。
1.2 道路边沟流量计算
城市道路边沟一般较浅，呈三角形，宽度通常大于30 cm、小于1 m，由路面、路肩、路缘共同围合而成，主要作用是引流雨水[2]。道路边沟有两种，一是常规边沟，具有单一横坡，坡度与路面铺面横坡坡度相同。二是浅洼边沟，为有宽度的复合横坡低洼区边沟。
1.2.1 常规边沟流量计算
计算公式为：
Q=Av （3）
式中，A、v——过水断面面积及边沟内平均流速，这两个参数可通过公式（4）计算得出：
（4）
因 （5）
（6）
整理得到：
（7）
式中，i、J——道路横坡坡度及纵坡坡度；r——过水断面湿周；R——水力半径；C——泄水系数；n——曼宁系数。该文计算的是城市沥青或水泥混凝土路面，n取值为0.015。以流速的1.2倍为修正系数[3]，边沟断面流量修正计算公式为：
（8）
若过水断面宽度T为变量，边沟流量计算公式调整为：
（9）
式中，K——修正系数，取值0.377；T——边沟水面宽度。
1.2.2 浅洼边沟流量计算
浅洼边沟水流量计算公式为：
Q=ξQ′ （10）
修正系数计算：
ξ=1?（1+αβ）?1+（1+β）?1 （11）
式中，Q′——铺面横坡i3水流量；α、β——系数。可根据道路横坡中内倾边坡坡度比值及边沟水面宽度比计算得出。
2 城市道路路面雨水口泄水能力分析
2.1 立孔式雨水口的泄水能力
立孔式雨水口进水孔比路缘石高，底面需设置在雨水口周围路面下，为侧向进水方式。雨水进入时要经过直角转折区，上部进水较少。泄水能力计算公式为：
（12）
式中，La——立孔长度；m、h——堰流系数、雨水孔前水深度。利用系数K修正公式，以边沟水流平均积水深度hp取代h，得到：
（13）
K取值0.52，，边沟水流量完全清除时立孔长度为Lt，得到：
（14）
结合公式（8）与（13），上式可整理为：
（15）
立孔式雨水孔截流率根据立孔接收雨水量、边沟水量来计算：
（16）
2.2 平篦式雨水口的泄水能力
平篦式雨水口篦面低于路面0.3～0.5 m，有用于地面低洼处或无缘石道路的地面式、用于有缘石道路的缘石平篦式两种类型[4]。雨水流量不大时，雨水经由前缘流入雨水口，高雨量时，前缘及侧面可同时进水，平篦式雨水口流量需要分别计算前缘及侧向泄水量。因边沟水流在与雨水口相距0.2～0.3 m左右时流势便会下降，因而雨水口边沟下游的水流速度、过水断面面积均与上游存在差异，可采用系数K1修正流量计算公式，可得到：
（17）
式中，B、h——雨水口宽度及雨水口前水深；——雨水口内外侧高差；K1——修正系数，取值为0.9。正面流量中前缘泄水量的比率计算公式：
（18）
式中，K值取值0.295；V、V0——邊沟水流入雨水口的流速及临界速度。侧向水流量利用公式（13）计算，以外侧水深为水深度值，侧向泄水量比率计算公式为：
（19）
式中，Lb、K2——雨水口长度及修正系数，取值0.082 8。
2.3 联合式雨水口的泄水能力
联合式雨水口由立孔式雨水口及平篦式雨水口组合而成，一是等长联合，二是非等长联合。雨水口长度为La′（La′=La?Lb）时，泄水能力计算公式为：
（20）
雨水口截留率计算公式为：
E1=1?（1?La′/Lt）1.8 （21）
式中，。长度为Lb的平篦式雨水口泄水量计算公式为：
（22）
截留率为：
（23）
式中，。h、h′——立孔前水深及雨水篦子前水深，——雨水口内外侧高差。公式（20）与（22）相加得到联合式雨水口泄水量，将公式（21）与（23）相加得到联合雨水口截留率。
3 城市道路路面排水设计中雨水口的布设方法
3.1 直线路段雨水口的布设
由于雨水口间距参考值范围存在差异，且未给出具体计算方法，布设雨水口时，需通过计算，参照道路纵坡坡度确定设置间距。间距设置过小，会影响道路美观度，间距设置过大，来水流量会高于雨水口泄水能力极限，引发道路严重积水。为此，应结合城市降雨强度公式计算雨水流量。路面宽度已知情况下，计算雨水口间距可得到雨水口流域汇水面积及总雨水量值。为取得良好排水效果，雨水口设置时需要考虑道路的积水深度。一般情况下，雨水口上面积水处属于道路积水深度最大的区域，因此，需分析出雨水口上方积水情况。根据水力半径及流速公式，得到雨水口上方雨水流量计算公式为：
（24）
式中，n、J——道路粗糙度及道路纵坡坡度值；H——道路允許最大积水深度。雨水设置位置的汇水面积公式为：
（25）
式中，Q2——超越流量值，可通过雨水模型试验计算出超越流量，将公式（24）计算结果代入，可得出雨水口的汇流面积。在城市道路横向坡度较小时，根据雨水口流域汇水面积、道路宽度两个参数确定雨水口间距，并根据这一间距设置雨水口。
3.2 环形交叉路段雨水口的布设
环形交叉口指设置了中心岛的交叉口。此种路段雨水口布设相关研究较少，没有明确的相关规定。以往环形交叉口道路的雨水口采取均匀布设方法，主要是在环形交叉口的等分点处依次设置雨水口。此种布设方式下，环形交叉口的低点所布置的外圈雨水口会因地势过高导致雨水无法正常进入，会增大最高点及最低点间的积水深度，最低点处会出现积水最大深度区。环形交叉路段雨水口布设最高点及最低点如图1所示。环形交叉口具备较多相交道路时，其中心线高程并不相等。因而，需要优化环形交叉口路段的雨水口布设方案。
由于直线路段根据汇水面积布设雨水口的方式较为科学，设计时可将环形道路拉成直线，再利用极坐标法标注交叉口中心线，然后展开极坐标图，便可找出环形岛中并不相等的高程中心线。之后将环形交叉口的中心点设为圆心，在环形交叉口的最低点设置为0 °的情况下，根据展开的极坐标图，环形交叉口最高点的位置在90 °处。将环形道路外圈直径设为D1，内圈直径设为D2，角度为b的情况下，汇流面积应为：
（26）
根据公式（25）求出汇水面积，再结合公式（26）找出雨水口汇水面积所对应的极坐标角度，可确定雨水口的布设位置。
3.3 环形交叉口雨水口布设实例分析
根据上一小节得出的环形交叉口雨水口布设方式，对某城市的环形交叉口的雨水布置展开分析。该城市的设计降雨强度为371.14 L/s/104 m2，降雨时长为5 min，最高点道路纵坡为1%，最低点道路纵坡为3%，横坡粗糙度、坡度分别为0.014与0.015，径流系数取值为0.8，设积水深度最高值为2.5 cm，结合公式（24）可求出最高点纵坡坡度雨水流量是7.93 L/s，最低点纵坡坡度的雨水流量为13.73 L/s。如果按照道路中线平行设置篦子的横条，得到的排水量是最高点纵坡排水量的80%，是最低点纵坡排水量的75%。在雨水篦子上方积水深度相等且都为2.5 cm时，在不考虑第一个雨水口前路段的情况下，计算得出其他路段最高点纵坡坡度雨水量是1.59 L/s，最低点纵坡坡度雨水量则为3.44 L/s。再结合环形道内圈及外圈的直径大小，根据极坐标雨水布设法，可确定此环形交叉口应设置的雨水口数量为8个，具体布设结果如表1所示。
4 结语
雨水口的布设需要根据雨水口汇水量、道路边沟流量计算得出。实际情况下雨水向雨水口流入时情况复杂，虽可通过水压试验确定雨水口进水量，但仍有部分道路工程雨水口布设需求得不到满足。该文在立孔式、平篦式、联合式三种雨水口进水情况分析的基础上，分别推导出了各种雨水口连续坡段的泄水能力计算公式和截水率计算公式，给出了雨水口布设间距计算方法，由此确定了直线段及环形交叉口道路段雨水口的最佳布设方式，最后通过实例分析验证了该文所提出雨水口布设方法应用的有效性。
参考文献
[1]蒋秀荣. 城市道路路面排水设计研究[J]. 城市道桥与防洪， 2020（8）： 168-170+191+19.
[2]张迪， 侯精明， 宁利中， 等. 道路雨水口布设方案对泄流能力影响的模拟研究[J]. 中国给水排水， 2023（9）： 97-102.
[3]李腾. 市政道路雨水口布置的优化设计[J]. 工程建设与设计， 2023（3）： 147-149.
[4]宋弘飞. 考虑雨水径流路径的市政道路雨水口设计研究[J]. 现代交通技术， 2022（5）： 17-21.
收稿日期：2023-11-13
作者简介：江楠（1990—），男，本科，研究方向：给排水。
