城市道路雨水口泄流的水力特性分析

地表径流与地下雨水管网之间的连接点,其泄流效率是决定市政排水系统排水能力的关键指标。以道路雨水口为

研究对象，结合对雨水口类型和构造特点、雨水口泄流过程、雨水口设计思路和明渠流水力分析，推导雨水口泄流量

的理论计算公式。该公式说明雨水口泄流量与多因素相关，包括雨水口进水篦子的开孔面积(雨水篦子型式)、路面

粗糙程度、路面径流量和道路坡度，同时验证现行标准中对国标型雨水口泄流能力值定义的局部性。关键词:城市内涝;排水系统;雨水口；路面径流中图分类号:TU992 文献标识码：A 文章编号：1671-4679(2021)01-0034-05Analysis of hydraulic characteristics of urban street inletsFENG HanghuJ，GUO Shut，WANG Qiuping?, CHEN Guofen2，MA Wenying2(1. Power-China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，China； 2. College of Civil Engineering，Hefei UniversityofTechnology\"Hefei230009\"China)Abstract:In recent years， urban waterlogging disasters occur frequently in China. Therefore， improving the drainage ef iciency of existing municipalfacilitiesisthe mostefective measure to a leviate urban waterlogging?The streetinlets serve asthelinkage between the surface drainage system and the undergroundsewersystem and the hydraulic ef iciency is the key element to determine the drainage capacity of municipal drainage system. This paper takes the street inlet's types，structural characteristics，

thedischargeprocess thedesignprocedureaswelasitshydrauliccharacteristicsduringdischargeinto consideration andthetheoreticalformulaforcalculatingthecapturedrunofbythestreetinletisderived. This formula shows that the captured runof is related to many factors includingtheopenareaofstreet inlet theroughnessofroadsurface therunofflowrateandthelongitudinalandcrossslopeoftheroad. Meanwhile itindicatesthelimitationofdischargecapacitydefinedinexistingnationalstandardstreetinlet standards.Keywords：urbanwaterlogging；drainagesystem；streetinlet；surfacerunof全球城镇面积的扩张和工业技术的发展逐渐 改变了自然的水文循环和全球气候，“城市看海”等 极端天气越来越频繁，城市排涝防洪能力正经历着

中国城镇地表入渗率相比于2000年下降了 10%左

右⑷。入渗率下降伴随的不透水面积增加、路面径 流量增加、径流历时延长等现象加重了道路积水问

巨大的挑战口3$。城市快速扩张和发展导致了路面

题，从而加剧城市内涝灾害囚，并造成行车安全隐

硬化率提高和下垫面条件改变，研究表明，2017年收稿日期：2020-05-13基金项目：安徽省自然科学基金项目(1908085QE211)第一作者简介:冯杭华％981 — )，男，高级工程师，研究方向：市政排

水系统优化设计.通信作者简介:郭帅(1984—),男，副研究员，博士，研究方向：城市

水力学;海绵城市优化设计与建模分析.

患雨水口作为市政排水系统的关键组成部分, 是地面径流进入市政排水系统的入口，是连接地上 径流和地下排水管道的枢纽，其排水效率直接影响 路面积水程度。国家建筑标准设计图集《雨水口

(05S518)》#$提出雨水口的泄流能力与道路坡度、

雨水口型式、篦前水深等因素有关,但只给出了雨第1期冯杭华,等:城市道路雨水口泄流的水力特性分析・35・置，平铺在道在理想工况下的最大 ，并未给出不同1(a)所示，其 子

\"

降 件、不同 坡度情况下 公式。本文以

的指导设计，探 坡的水一侧,其余侧设置适当的汇水为 坡度述 进入 不

子略低于 表 程，利于 ：。

主要从

、 、 型式等因素 子的上游和性的影响。 果可为市 排水系统、 市的侧边汇入

立

的

的

。的优化、、 的

排水系统的

1.1.2立式雨水口在

，其示等提供参照。1雨水口的构造及泄流过程1.1雨水口的构造(%

组成\"一般设置在

盖)、井筒、连接管见图1(b)\" 的 ，部分立 孔 与

\" 件

明显低于道路表置格栅，以 物入 导致堵塞。立孔 孔的开直\"

构影响小\"

只能从一 入雨的位置\" 盖、平，但是立 i水的高程略低于 表面以利于其收集照

的响小，相比其他安装 的不同分为 类型的

联合 与单篦的

的

不易损坏。的

、立式(立孔 立 )和联合式，其中，偏沟

1・1・3联合式雨水口和立、立孔式和联合 市 ，示

用的 型1。安装在道路表面的形式如的组合形式，其示

和立 大。1()，联合式1・1・1偏沟式雨水口(a)偏沟式 (b)立孔式

图1雨水口类型(c)联合式12道路雨水口泄流过程的

的 、从

将全部或大部分流入雨水口 ,只有少量被上一个 :下游;随着

增大Hf Hs中过 子入 的 以及路下 的 增加。图2(b)描绘了立孔式 的

段内降雨形成的

形

，在 坡和横坡作用下\"，直 入

断面为三角形的

的示 ，从图中可以看出，立孔 i与 的不 全 同\" 从一子，进入汇流井室中。偏沟式雨水口和立孔 侧进入立孔式雨水口，且流速方向均需与立孔开孔，由此可见立孔

的 性能较偏时的

中 分布 时\"

2所示。图2(a)从 子的Qf和侧边流Qs,当总径流量较小且流速较慢时,Qf Hs都和侧

，可分

。 当

较 时\"立孔 较 的 速 ; 当 角大时\"立孔边缘的水深较高，进入雨水口的流量增大。住 SZiZSSSSSS SEES 芦 SEE 厶至固前端流a-侧边流@ /(a)偏沟式图2雨水口泄流示意图(b)立孔式• 36 •黑龙江工程学院学报第35卷雨水口的泄流量(Qnt )是指路面径流量(Q )穿

当流程较长时\" 形 ，此时过 子进入 的 ，即

的

的总U和水深=的值沿程不变(U>>h,

w=h/Sc),则可以根据明

的

减去未被 表 为的 公式和Qint = Qa — Qp. (1)公式，利用图中所示几何关系，得出各参数间

2雨水口泄流的水力特性分析系，见式(2)其中Sl为 坡Sc为道路横坡\"为道路粗糙系数。Q2.1雨水口泄流能力设计市政排

中

的描述较少\"较 。女叫室外排 0. 315h8/3SL/2

()2)对理解与分

有：“雨水所产生的流性具有较好下，纵坡越大,水深越GB50014— 2006》中对雨水口设计的

的型式、数量和布置，应按汇 量) 的

的指示

\"

，表明在相同

减小;横坡越大，水深越大，水大。然而，由于

和 形 。(+ □于的 作用，径流间 为25〜50 m( +

坡坡度不

态在 其下 发生 的变化，径过试验，测1.5%,平篦式雨水口的 标 标高低3〜5 cm。”“当 坡大于0. 02时\" 3的间距可大于50 m0(#$随着全 的变化，很多市的最大年降雨量增加，各城市的

强度公式与沿程水深的变化

0

Q可根据汇 、径流系数与当地强度公式,采用式(3)

算⑶Qa = $qF.

数;G为汇

也在更新\" 中 布置的 却几乎没式中！为设计暴雨强度.m3/(s • m2)；$为径流系

有 ，这也是导致 不满足要求的原因之一。 不仅与 子的宽、雨水口的布置间距有关，而且受

程

坡度以及,m2o2.3雨水口实际泄 推导将式(2)改写为水深h的函数，得到响〔1011$。《4

(05S518)》也提深出 受 素影响，并且给出了在坡为0. 3%〜3. 5%、横坡为1. 5%)

表明\" 子的

，可根据孔口出流公

算Q*与水深为40 mm的条件下\"

标型雨水口的 ：能具体值见表1。显然，表1没有反映与关键影响因素间的 提供

的指导。表1雨水口泄流能力型平篦式雨水口 /偏沟式雨水口 /立篦式雨水口单系，不能给工程(5)式中:C。为孔口出流系数8为出流孔口的面积°

过耦合式(4)与式(5)可得 的理论算公Qnt \" C0A 槡2gh .

Qnt \" C0A 72gCnQa)0■1DSC19S—0■0D =

l/(L/s)20CQ*19SC19S—0 09.

式中:c为综合

(6)双篦多篦单篦35系数。15(每篦)3050从式(6)可以看出，雨水口的泄流量与雨水口 的 孔 % 型 )、 程 、的 )

联合式雨水口双篦多篦坡和纵坡因素有关。、20(每篦)子 孔 、

系数)

2. 2雨水口泄流的水力特性分析道路上的

属于明

坡的增大而增大\" 坡的动，在道路坡度增大而减小。因此，在某一 段上的雨水口的影响下,其过流断面为三角形，如图3所示。决定。

型 ) 和 坡 主),不考虑堵塞情况下其

于工程 来说,应该针对具体

素、降雨情况和

具体分析肩 型

合考虑 :的布置间 。 某一给 坡布置，可以用式(6)进行理论的路段 算 ，若

不足

50%,可以第1期冯杭华,等:城市道路雨水口泄流的水力特性分析・37・Qa=15 m3/h — Qa=50 m3/h &=30 m3/h ■ Qa=60 m3/hOa=40 m3/h ― Oa=10 m3/h减 布置间距,或使用联篦式雨水口。2.4雨水口实际泄

为验证本文提出的 性，选取国标型 验\"

证算式的正试平面结构 寸 4所示。试验装的道的置模拟一段长12 m、宽3 m表 ，模

可调节纵、横坡度,设置在

提供

距离道路起始端长度/m引水箱向模 平缓、流量可调节的径入 10 m的图6不同流量下的径流宽度变化(£ =2%,Sc = 1.5%)—0°=15 m3/h ■ Qa=50 m3/h 亠 2=30 m3/h 亠 Qa=60 m3/h— 6=40 m3/h — Oa=10 m3/h，待测试 位置，试验装置

置在距离

5所示。试验在横坡坡度为1・5%、纵坡坡度分别为2%、3%,彳 为0〜70 m3/h的条件下 ，并在 稳、 的

路面上不同断 的水深度以 被 。图7不同流量下的径流深度变化(£ =2%, Sc = 1.5%)将试验中 的 Hnt值代入式％)计算国标型 两种实验坡

子的C值Cn，发现Cn与，且合中C的差值在4%以内。相同下,取两种坡度下C的值，拟合其与Q 的数学关系，结果

8,表 为式(7)则国标型的E可用式(8)计算。为校验式(8)

图4试验的雨水口型式引水管道詩流量［十 引水箱、丄的

性，在Sl = 4%、Sc d 1 .5%条件下 试验验证,其结果 子 。9。 值与实测值 在4%以内,说明式(8)能较 地 标型雨水篦C— 2. 44Q^9

Hnt — 2. 44Q^-78SC19S-0-09.

3025• Co实测值(2%,1.5%)

二禺綁3%丄5%)模拟道路、

雨水口 \\ 丿(7)(8)电动阀门千斤顶F非水箱图5试验装置O 201510纵坡坡度为2%、横坡坡度为1・5%时程水深在不同

断 一侧\"

响下的变化曲线

入后，在横坡的影响下，流I6、图7所示。从图6中可发现，模

10 2030 40 50 60 70从模拟道图82«/(m7h)Cn与'的关系发生明显地减小，但在下游段 较稳定。

发生

7可看出

深度自 入模 的波动，然后在下3结论1) 雨水口的泄流效果可以用雨水口泄流量

评估。趋于稳定，在7〜10 m之间水深几

值。纵坡坡度为3%、横坡坡度为1. 5%时

都

恒到

同现象。由以上分析可知，实验过程中，径流在

2)

形，作

态。时\" 的横断面为三角分析时，应当用横断面为三角形的明渠・38・黑龙江工程学院学报第35卷#$徐宗学，赵刚，程涛？城市看海”:城市水文学面临的挑

战与机遇#$.中 ，2016(5)： 54-55.家评估报告[M$.北京:科学岀#$秦大河，张 ，闪淳昌，等.中国极端天气气候事件和险管理与 \"2015?#$柳杨,范子武，谢忱，等.城镇化背景下我国城市洪涝灾

害演变特征#$.水利水运工程学报,2018(2):1018.#$

.连 市城市内 险评估及应对措施#$.黑龙江工程学院学报,2018,32(6):42-46.#$刘海霞，周兴，张举兵，等.沥青混凝土桥面排水系统分

图 9 式(8)校核(Sl =4%, #% = 1.5%)与 #$.黑龙江工程学院学报(自然科学版), 2011,25(2):29-31流理 其 分析。#$ NICKLOW J W, HELLMAN A P. Optimal design of

storm water inlets for highway drainage#]. Journal of

可以用 公式、谢才公式以孔口出流公 导出理 算公式\" 与雨的开孔 (％

型式)、、

3&

Hydroinformatics, 2004, 6(4)： 245-257.程#$ 市市政工程 院.国家建筑标准设计雨标、 有关。的 、道路横坡和纵坡因素#$

集:GJBT—907[S$.北京：中

院 2005：1-65市 和交通委员会.室外排水设计规范：GB50014—2006[S$.北京：中国计划岀版社,2016：

4&

体问题具体分析\" 工程设计时，应该针对具合考虑 素、降雨情34-35[10$赵江，洪,吴培关，等.公路雨水口篦子泄水量试

况和 型 的布置间距。参考文献验研究#$.城市道桥与防洪2004(4):67-70.[11$ DESPOTOVIC J, PLAVSIC J, STEF ANOVIC N, et

al. Inefficiency of storm water inlets as a source of ur­

[1$武鹤\" ，葛琪？ 市城市内涝防治系统对策研究黑龙江工程学院学报\"016\"0(6)：1-4.ban floods#]. Water Science and Technology , 2005 ,

51(2)： 139-145. [责任编辑：郝丽英](上接第9页)参考文献[1$杨勤科，李锐，曹明明.区域土壤侵蚀定量研究的国内

#$陈楠.DEM分辨率变化对坡度误差的影响#$.武汉大

学学报(信息科学版),2013,38(5)： 594-59 &#$ STRAUMANN R K, PURVES R S. Resolution sensi­

外进展#$.地球科学进展2006(8):849-856.#$刘海涛.基于

tivity of a compound terrain derivative as computed from LiDAR-based elevation data[Z$. In： Fabrikant S. I. , Wachowicz M. ( eds) The European Information So­ciety. Lecture Notes in Geoinformation and Cartogra­

用土壤侵蚀方程的水土流失时空模拟——以淮河上游为例#$.人民长江,2016,47(4)： 17-

1926#$ LIU B Y,ZHANG KL,XIE Y. An Empirical Soil Loss

phy. Springer, Berlin, Heidelberg, 2007.[10$郭伟玲，杨勤科，程琳，等.区域土壤侵蚀定量评价中的

坡 子

Equation]C$. 12th International Soil Conservation Or­

ganization Conference, Beijing,200 2.#$汪邦稳，杨勤科,刘志红，等.基于DEM和GIS的修正

换方法#$.中

,

保持科学,2010,8(4)： 73-78[11$胡云华,

.直方图匹配算法进行坡度变换的用土壤流失方程地形因子值的提取#$.中

持科学，2007,5(2)： 18-23.保精度评价#$.水土保持研究,2013,20(6) ： 97101.[12$ WOLOCK D M, MCCABE J M. Differences in topo­

graphic characteristics computed from 100- and 1000-m resolution digital elevation model data[Z$. Hydrologi­

#$汤，赵牡丹,李天文，等.DEM提取黄土高原地面

坡度的不确定性#].地理学报,2003,58(6) ：824830.#$樊宇，郭伟玲.县南沟流域坡长尺度效应的ANUDEM

cal Processes, 2000,14 ： 987-1002.[13$汤，赵 [14$

，李天文，等.DEM提取黄土高原地面坡研究#$.金属矿山,2017(10):47-51.#$刘红艳，杨勤科\" ，等.坡度随水平分辨率变化及度的不确定性#$.地理学报，2003,58(6)： 824-830.龙.应用信息论基础[M$.北京:清华大学岀版社，2001.

其空间格局研究#$.武汉大学学报(信息科学版),

2012,37(1)： 105-109[责任编辑! 幻