城市道路雨水量计算方法与雨水口设置的初步探讨

张艳霞¹　 王国辉²

　　摘 要：本文根据水力学原理与现行相关排水设计规范，就城市道路路面雨水量计算方法与雨水口设置进行论述，同时根据工程设计实践就上述方法进行验证。
　　关键词：城市道路 集水时间 雨水量 雨水口型式

Preliminary Investigation on the Algorithmic Method about the Amount of Rainfall of Urban Road and the Setting of the Gully

Zhang Yanxia^[1]　 Wang Guohui^[2]

Abstract：According to the principles of hydraulics and the correlative drainage design specifications，the article discusses the algorithmic method of the amount of rainfall and the setting of the gully, and applies the method to the engineering.
Keywords：urban road　collection time 　amount of rainfall styles of the gully

一、前言

　　当路面水不能迅速排泄时，路面会形成水膜而影响行车安全，因此须在道路汇水点、人行横道上游、沿街单位出入口上游、靠地面径流的街坊或庭院的出水口等处设置雨水口（道路低洼和易积水地段应根据需要适当增加雨水口），以及时排除路面雨水，确保在设计重现期内排水畅通、不积水；确保在超过设计重现期时，退水快、积水时间短。^[1]

二、迳流理论

2.1迳流产生过程^[2]一般而言，地面点在受雨过程中，首先被植物截留。在地面开始受雨时因地面干燥，渗水率较大，而降雨的起始雨率还小于入渗率，这时降雨被地面全部吸收。随着历时的增长，雨率大于入渗率后地面开始产生余水，当余水量积满洼地后，开始地面迳流，这时部分余水产生积水深度，部分余水产生迳流，在雨率增至最大时相应产生最大余水率，之后雨率逐渐递减，余水率亦渐减小，当雨率降至入渗率时，余水现象停止，但这时有地面积水存在，故仍然产生迳流，入渗率仍按地面入渗能力渗漏，直至地面积水消失，迳流才告终止，而后洼地积水逐渐渗完。渗完积水后，地面实际渗水率将按雨率渗漏，直至雨终。见下图一。
　　对于道路路面而言，无植物截留，且迳流系数较一般地面大得多，因此余水历时、迳流历时、降雨总历时三者的起始点基本相同，累积入渗量极小，其曲线h可看成与x轴平行、接近x轴的一条曲线；再者由于路面相对平坦，死水曲线与累积入渗量曲线h可近似看作重叠。
2.2流域汇流过程
　　图二中各条曲线t₁，t₂，……，t_n为等流时线，每条等流时线上各点的雨水流至集水口a的时间是相等的，集流时间（t）是流域边缘线上的雨水流达a点的时间。
　　在地面迳流开始后不久，a点所汇集的流量仅来自靠近a点的小块面积上的雨水，这时较远处的雨水仅流至中途，随着产生迳流和降雨时间的增长，在a点汇集的流量中的汇流面积不断增加，当流域边缘上的雨水也流达a点时，这时全面积汇流，a点的流量达最大。因此，相应于流域集流时间的全面积迳流产生最大迳流量，又称极限强度法。
　　全流域迳流在集流口出现的流量来自t时段内的降雨量。

三、雨水口泄水能力与布置

3.1雨水口泄水能力
　　雨水口的泄水能力与雨水口的型式、箅前水深等因素有关。由《给水排水标准图集》（合订本）S₂（下）（国家建筑标准设计）中的“雨水口（一） 铸铁井圈”章节可知，经过1：1的水工模型的水力实验（道路纵坡3‰～3.5%，横坡1.5%,箅前水深40mm），各类雨水口的设计泄水能力如下^[3]：

表一 雨水口泄水能力表

　　由于杂物的阻塞作用，雨水口实际泄水能力应乘以0.5～0.7的系数，在后面的算例中，系数选0.7。
3.2雨水口布置
　　根据《室外排水设计规范》^[4]（GBJ 14-87）第3.7.1至3.7.3条规定：“雨水口的型式、数量和布置，应按汇水面积所产生的流量、雨水口的泄水能力及道路型式确定。” “雨水口的间距宜为25～50米。 注：低洼和易积水地段，应根据需要适当增加雨水口。” “当道路纵坡大于0.02时，雨水口间距可大于50m，其型式、数量和布置应根据具体情况和计算确定。坡段较短时可在最低点处集中收水，其雨水口的数量或面积应适当增加。”
　　根据雨水迳流理论，当道路坡度大时，水流速度变快，汇流时间t₁变短，坡上的雨水口对雨水截留作用减小，雨水流往下游，同一坡度的道路越长，下游汇流的水量越多。但是，从暴雨强度公式还可以看出，道路越长，则径流时间越长，暴雨强度越小，对下游雨水口的影响程度不易确定。因此，设在道路低洼处的雨水口数量与类型须计算确定。

四、雨水量计算方法

4.1路面迳流系数
　　迳流系数的大小与覆盖面类型有关，根据《公路排水设计规范》^[5]（1997）规定，混凝土或沥青路面的迳流系数ψ见表二。

表二 路面迳流系数

4.2 重现期
　　根据《城市道路设计规范》^[6]（CJJ 37-90）第12.1.2条规定：“城区道路排水设计重现期见表三，重现期高于地区排水标准时，应增设必要的排水设施。” “当郊区道路所在地区有城市排水管网设施或排水规划时，应按表三规定选用适当的重现期。”
　　城市道路路面雨水设计重现期与道路类别、城市级别有关。道路类别越高，城市级别越高，其重现期越大。

表三 城市道路排水设计重现期

4.3雨水量计算
　　1）路面集水时间
　　路面集水时间t_l应在综合考虑地面集水距离、汇水面积、地面覆盖、地面坡度和降雨强度等因素的基础上确定。
　　根据规范规定，当地面集水距离大于50m时，t₁＝5+1.25(L一50)／V_平均×60)(min)，其中L为地面集水距离(m)，V_平均为累计平均流速(m/s)，当地面集水距离不足50m时，t₁取为5～l0min^[7]。
　　雨水口间的集水距离一般不超过50米，因此，路面集水时间t₁可以直接取5～10min。慎重起见，t宜取小值5min。
　　2） 设计雨水量

　　Q=166.7×F×φ×i　(L/s)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　与雨水管渠的设计相类似，路面雨水量Q计算公式如下^[8]：

　　其中：F=雨水汇流面积（m²）；
　　　　　φ=径流系数，见表二；
　　　　　i=暴雨强度；
　　　　　P=重现期，见表三；
　　　　　t₁=路面集流时间，5min。

五、实例

　　由于道路型式复杂，下面仅就其中一种最常见的情况进行分析。
　　例如：上海市某城市道路，级别为次干道，重现期取1.0年；为沥青路面，粗糙度系数取0.013；综合迳流系数取0.90；道路纵坡平均0.003；道路横坡0.015；道路红线宽度30米，其中人行机动车首道宽24米。截取120米计算。如图四所示。其中三角形为挑水点。
　　按规范，雨水口间距设为30米，以一个雨水口为计算单元。
　　方法一：
　　汇水面积F=450m²坡面流长度L=12米
　　路面集流时间t₁=5min
　　比流量i=2.09mm/min
　　路面雨水设计流量Q=14.1L/s
　　考虑杂物阻塞，最终设计流量为14.1/0.7=20.2L/s。
　　由表一可知，平箅式单箅雨水口或偏沟式单箅雨水口的泄水能力为20L/s, 本例中每隔30m于道路两侧各设一平箅式单箅雨水口或偏沟式单箅雨水口即可满足要求。

六、总结

　　总之，雨水口布置的原则是既要满足道路路面积水排放的要求，退水快,不积水；又要不造成浪费，因此须采用一定的计算方法，根据计算合理确定雨水口间距和型式。

参考文献：

1. 上海市水务局主编 上海市城镇雨水排水系统专业规划（2020年） 2002.12. P1～2.
2. 高廷耀主编 水污染控制工程（上册）.高等教育出版社.1996. P110～113.
3. 北京市市政设计研究院主编 给水排水标准图集（合订本） S₂（下）（国家建筑标准设计）.中国建筑标准设计研究所. 2002. P221～227.
4. 上海市建设委员会主编 室外排水设计规范（GBJ 14-87）（中华人民共和国国家标准）. 中国建筑工业出版社. 1998. P1-12.
5. 同济大学主编 公路排水设计规范（JTJ 018—97）（中华人民共和国国家标准）. 1997. P5～7.
6. 北京市市政设计研究院主编 城市道路设计规范（CJJ 37-90）（中华人民共和国行业标准）. 中国建筑工业出版社. 2001. P7-93.
7. 方增强 城市暴雨公式统制和应用中的几个问题 安徽水利水电 1998年第1期 P22.
8. 北京市市政设计研究院主编 简明排水设计手册. 中国建筑工业出版社. 1994. P174～175.

作者简介：
1: 张艳霞 上海同济大学环境科学与工程学院，硕士研究生　联系地址：上海四平路621弄86号53室（邮编200092）E-mail:[email protected]
2:王国辉 E-mail: [email protected]

Resume：
1:Zhang Yanxia, master’s degree, College of Environmental Science and Engineering of Tongji University
　　　　　Addresse: 53Room, NO.86, 621 Lane, Siping Road,Shanghai Postalcode:200092 E-mail:[email protected]
2 :Wang Guohui E-mail: [email protected]