不同形式雨水口泄流能力的試驗研究

顧立忠，趙建坤，張曉雷，宮鵬杰

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635;3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000;4.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

1 概述

隨著城市化進程加快及全球氣候變化的影響，下墊面硬化區域急劇擴大[1]，暴雨導致城市洪澇災害的風險急劇上升，提高城市防洪減災體系的能力迫在眉睫。雨水口作為連接地表徑流與地下管流的重要節點，其泄流能力直接影響到洪水排除的效果[2]。因此，對不同形式雨水口泄流能力開展水槽試驗研究，對于城市洪澇形成機理以及雨水口設計計算、布設間距方式等防汛排澇對策研究具有十分重要的意義。

目前，國內外學者主要通過開展試驗研究道路地形、來流特性、雨篦子形式、布置方式以及篦子格條排列方式等對雨水口泄流能力的影響[2-6]。安智敏等[4]對道牙平篦式、立孔式及聯合式雨水口泄流能力進行了試驗研究，并基于堰流和孔口出流模式提出了計算公式。此外，西南交通大學的吳鵬[5]、天津市市政工程設計研究院的李鵬[2]、京都大學的Seungsoo LEE[6]等都通過模型試驗對不同形式的雨水篦的排水能力以及流量系數進行了分析和率定。Bazin[7]等通過試驗研究了雨水口泄流及管網內水流從雨水口溢流狀態下地表徑流與地下管流的流量交換特性，并提出了計算公式。然而受到試驗條件的限制，其研究成果一般均具有一定的適用條件。陳倩等[3]采用完整的雨水口結構，通過開展模型試驗對較大來流水深下雨水口泄流能力進行了研究，并基于堰流及管嘴出流模式以及量綱分析法提出了較為通用的計算公式。上述研究僅陳倩等[3]精細考慮了雨水口本身結構的影響，但其僅采用了一種特定規格的雨水口進行試驗，沒有考慮雨篦子形式對雨水口泄流量的影響，其余學者均未考慮，僅研究了雨篦子本身及其結構之上的因素對雨水口泄流能力的影響。雨水口通常由雨水篦、雨水井、側支管組成[8]。

針對上述研究的不足，本文對2種形式的雨水口，采用完整的雨水口結構，通過分析篦前水深、流速等水力要素對不同來流情況下雨水口泄水能力進行試驗研究。

2 試驗設計

雨水口泄流能力試驗平臺如圖1所示。水體被地下水庫中的水泵抽送，沿管道一路分別經過平水塔、閥門、穩水前池、消能板，然后平穩地進入水槽，水槽中的水一部分被雨水口收集進入退水渠，隨后通過三角堰測流裝置后流入出水池；水槽中未被收集的水體通過下游的尾門進入出水池與退水渠中的水匯合后進入地下水庫，最終完成水流循環。水槽長為20 m、寬為3 m、深為0.6 m，坡度為0。此外，槽內水位通過調節尾門處的閘門來控制；水槽的總供水量通過調節閥門以及觀察水管道上的電磁流量計精確控制。

(a)平面示意

(b)立面示意

雨水口泄流的主要作用力是重力，試驗平臺按照重力相似準則設計，保證幾何相似。模型的長度比尺為 1.5。本試驗以雨水口標準圖集(16S518)[8]中 750 mm×450 mm 的順格條平面形以及橫格條平面形雨篦子為原形，控制其孔隙率相同，均為34%，安裝于試驗水槽中部，對其展開試驗研究，模型形狀見圖2所示，尺寸見圖3。

圖2 雨水口立面示意

(a)順格條型篦子平面雨水口

(b)橫格條型篦子平面雨水口

本研究中三角堰測量裝置位于退水渠中，三角堰測量裝置中水位測針的位置位于三角堰前方0.9 m處，用于測量雨水口雨水下泄量。消能板位于前池與水槽銜接處以及退水渠中，主要用于保證水流能夠平穩地從前池進入水槽中以及提高三角堰測量精度，試驗發現雨水口上游1 m處水流形態受雨水口泄流影響較小，因此，認為該處所測得的水深、流速值即為篦前水深、流速。該處水深及流速分別通過自動水位跟蹤儀以及旋漿流速儀測得。進行試驗時控制閥門雨水口上游來流量在30～40 L/s 范圍內變化，每個流量工況下通過調節尾門平板閘門來改變槽內水深，待水流達到恒定流后，分別利用電磁流量計、自動水位跟蹤儀、懸槳流速儀和三角堰測量裝置讀取測量電磁流量計示數、篦前水深、流速以及退水渠流量(通過雨水口下泄流量)。

3 試驗現象及結果分析

3.1 實驗現象分析及3種出流模式下泄流公式

通過試驗觀察發現兩種雨水口水流下泄過程流態相似。當篦前水深較小時，水流沿雨水篦格柵外側流入雨水井，雨水井未被灌滿，水流以堰流形式通過雨水口。此時，雨水口泄流能力可按堰流公式(1)進行計算。

(1)

隨著篦前水深的不斷變大，當雨水篦格柵被全部淹沒，雨水篦周圍形成漩渦水流，由于雨水篦格柵面積總和大于側支管截面面積，側支管內變為有壓流，雨水井有一定的容積，仍未被完全灌滿，存在大量氣泡，水流以孔口出流模式通過雨水口。此時，雨水口泄流能力可按孔口出流公式(2)進行計算。

(2)

式中ζp為孔流的綜合流量系數；Ap為雨水口格柵總面積之和；其他符號同前。

隨來流導致篦前水深的繼續變大，當雨水井被完全灌滿，不存在氣泡時，受地下管道泄流能力的影響，雨水井及側支管均為有壓狀態，可將雨水口完整結構同水槽看作一個整體，水流以管嘴出流方式泄流。此時雨水口泄流量可按管嘴出流公式(3)計算。

(3)

3.2 流量系數的率定以及3種泄流公式的判定條件

經過對試驗數據分析比較發現，流速水頭在總作用水頭中占比較小，因此，下述分析中忽略流速水頭部分，并將測量點的水深視為雨水口的總水頭[3-6]。利用試驗數據分別繪制出橫縱格條形雨水口下泄流量與篦前水深的關系，如圖4(a)(b)所示。由試驗點據可以看出：2種雨水口下泄流量與篦前水深的關系趨勢整體相似且均為3段遞增函數關系，隨著篦前水深的逐漸增大，3段函數關系的下泄流量增速依次減小。且在第1段與第2段關系變化處存在一定的過渡區間，分析認為該過渡狀態是由于該階段存在流態轉換，雨水口上方流態不穩，篦前流速變化較大所致，且觀察發現該過渡區間與雨水口上方漩渦從無到成熟的形成區間完全吻合，過渡狀態之前以堰流模式出流；其之后到第2個過渡狀態之間以孔口出流模式泄流；第2段至第3段之間并無明顯過渡狀態，可能是由于孔口出流公式與管嘴出流公式具有齊次性，雨水口上方漩渦已充分成熟，流態較穩定，故出流模式轉換時才無明顯變化。

(a)橫格條型雨水口

(b)順格條型雨水口

順格條雨水口相較于橫格條雨水口的過渡區間所對應的篦前水深較大，順格條型雨水口的過渡區間為0.033～0.05 m，所對應的下泄流量為0.023 9～ 0.026 7 m3/s，橫格條型為雨水口為0.034 1～0.046 8 m，所對應的下泄流量為0.021 2～ 0.026 2 m3/s。由此可見，順格條的過渡區間大于橫格條的過渡區間。利用試驗數據分別對式(1)(2)(3)中的流量系數進行率定(見表1)。分別利用所得流量系數，將公式計算曲線也繪制于圖4中，可見試驗實測點均勻分布在曲線兩側，且由表1可得相關度均在0.75以上，表明公式擬合效果相對較好。從表1可知，順格條形式比橫格條形式雨水口的流量系數在堰流出流模式下較大，孔口出流模式下略大，管嘴出流模式下基本相同。此外，通過上述試驗結果以及試驗現象分析得出2種雨水口在3種泄流模式下泄流公式的判定條件(見表1)，即橫格條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時，適宜用堰流公式計算泄流量；當泄流量Q在0.020 8～0.030 7 m3/s，篦前水深h在0.044 7～0.098 9 m時，適宜用孔口泄流公式計算泄流量；當泄流量Q大于等于0.307 m3/s、篦前水深大于等于0.098 9 m時，適宜用管嘴出流公式計算下泄流量；同理，順格條雨水口的各項參數見表1。

因此，通過比較兩種類型雨水口的過渡區間所對應的篦前水深、相應的下泄流量以及流量系數可知，堰流以及孔口模式出流情況下，橫格條型雨水口泄流能力弱于順格條形式雨水口，這是由于橫格條對入篦水流阻擋所致[9]。而管嘴出流模式下，2種形式雨水口的泄流能力則基本相同，分析可知，當雨水口處于管嘴出流情況下，可將雨水篦、雨水井、側支管與水槽看作一個整體，其內水體為連續介質，由于其雨水篦孔隙率相同，故在管嘴出流模式下，雨水口下泄能力與雨水口形式無關。

表1 2種雨水口形式不同出流模式下參數匯總

3.3 2種雨水口及現行雨水口泄流能力參考值比較

將本文所提出的3種雨水口泄流計算公式與現行的雨水口泄流能力參考值(雨水口16S518[8])進行比較(如圖5所示)。黑實線為雨水口圖集(16S518)[8]中給出原形尺寸雨水口(750 mm×450 mm)過流特性曲線，紅色線條及藍色線條分別為用3種泄流公式(1)(2)(3)，結合表1中得系數繪制的2種原型尺寸雨水口的過流特性曲線。

圖5 過流曲線與現行雨水口泄流能力參考曲線對比

從圖5可以看出，2種雨水口的過流特性曲線與現行參考曲線的變化趨勢大體一致，但順橫格條雨水口的過流特性曲線為斷開的，其原因如前所述，由于過渡區間存在流態轉換，雨水口上方流態不穩，篦前流速變化較大所致。在具體數值上，2種雨水口相差不大，但其與現行雨水口參考曲線在具體數值上存在差異，具體表現在：當水深較小時，2種雨水口計算值較符合現行標準參考值，而水深較大(超過0.1 m)時，即當雨水口處于管嘴出流模式時，則偏小較多。造成該結果的原因可能是沒有考慮雨水井及側支管等結構對水流下泄過程的影響[3]。

4 結語

本研究在精細考慮雨水口整體結構的情況下，對順橫格條2種形式雨水篦的雨水口進行了試驗研究。

基于試驗現象分別提出了雨水口3種不同出流模式，即堰流出流模式、孔口出流模式及管嘴出流模式，對應提出了計算公式，基于篦前水深以及下泄流量分別給出了2種雨水口的3個公式適用的判定條件。該成果可為雨水口的設計計算、布設方式提供科學參考。

通過分析橫縱格條形式雨水口下泄流量與篦前水深的關系以及基于3種模式利用實驗數據率定出的流量系數，得出堰流以及孔口模式出流時，順格條形式雨水口泄流能力優于橫格條形式雨水口，且2種雨水口在管嘴出流模式下，雨水口下泄能力與雨水篦形式無關。