考虑雨水径流路径的市政道路雨水口设计研究

宋弘飞

(中铁十八局集团第一工程有限公司，涿州 072750)

在城市市政道路路面结构中，行车道边缘处的雨水口是常见的构筑物。降雨过程中积存于各通道上的雨水首先被雨水口所收集，再统一排放至地下管道[1-3]，因此雨水口对于市政道路路面排水至关重要。对于市政道路来说，降雨时进入地下排水管道的雨水径流量决定着路面积水的排除效果，而路面雨水径流量的大小与雨水口的泄水能力有着直接关系。因此，虽然雨水口只是路面积水排入地下雨水管道的一个中转站，但是其设计与布置合理与否，不仅直接影响着路面积水消除的过程，也间接影响着路面的结构性能和使用寿命。

设计和布置市政道路雨水口时需要考虑的因素很多，如雨水口材质、尺寸、间距等，雨水径流路径也是其中一种需要考虑的因素[4-6]。雨水径流路径作为一种影响雨水口设计的不可控因素，从雨水口汇水流量和道路边沟流量两个方面对雨水口的泄水量有着直接或间接的影响。因此，设计市政道路雨水口时考虑雨水径流路径的影响很有必要[7-8]。降雨时，市政道路路面积存的雨水能否通过路面排水系统顺畅排放与雨水口设计与布置的合理性直接相关。目前已有学者对此进行了研究，陈小兰等[9]运用软件构建城市雨洪模型,分析发生洪涝灾害的原因,并结合项目实际情况提出近远期解决方案。段园煜等[10]采用实地勘察结果与雨洪模型相结合，模拟不同降雨重现期情景下的地表径流、节点溢流等情况,找出了发生内涝的具体因素。丁晓峰等[11]运用数学模型法分析了不同道路路面的排水效果，判断影响路面排水的因素。为分析雨洪对排水体系的影响情况，避免雨水口流量不足导致的积水，本文基于改善市政道路雨水口设计合理性的角度，探讨考虑雨水径流路径影响下市政道路雨水口设计的过程、方法与实施要点，以期为其他市政道路雨水口布设提供参考。

1 雨水口流量理论计算

1.1 各水量间关系

遭遇降雨时，市政道路路面上的植物、土壤会吸收一部分雨水，剩余的雨水则会积存于路面形成雨水径流，从路面中间向两侧流淌，经雨水口汇集后流入地下排水管道。雨水形成的径流路径无法人为进行控制。通常可以将雨水径流分为3种不同的路径，而不同的雨水径流路径形成的雨水流量及水量关系也不相同。不同路径雨水径流的雨水流量影响因素如表1所示，不同雨水径流路径形成的水量间关系如图1所示。

图1 不同雨水径流路径形成的水量间关系

表1 不同路径雨水径流的雨水流量影响因素

表1中，Q1为雨水汇水流量，通过综合径流系数计算得出；Q2为道路边沟雨水流量，如仅考虑路面横坡的影响，此种情况下Q2等于Q1；Q3为雨水口泄水量，Q3数值通常小于Q2。

1.2 雨水汇水流量

目前，市政道路雨水口设计时参考的雨水汇水流量通常是根据推理公式计算得出的。雨水汇水流量计算公式为

Q1=φqA/1 000

(1)

式中，φ为综合径流系数；q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；A为汇水面积，m2。

1.3 道路边沟雨水流量

市政道路施工铺设时，会在路面两侧设置一定尺寸的道路边沟，将路面上的积水引入雨水口，缓解路面积水状况。市政道路边沟由路肩、平石和路缘石组成，通常为0.3～1.0 m宽的浅梯形。路面积水通过道路边沟流入雨水口前，会在边沟短暂汇集，形成一定宽度的过水断面，此时的雨水汇集流量即为道路边沟雨水流量。常规道路边沟过水断面示意如图2所示。

图2 常规道路边沟过水断面示意

道路边沟雨水流量Q2的计算公式为

Q2=Av

(2)

(3)

(4)

(5)

R=A/ρ

(6)

式中，A为汇水面积，m2；v为边沟内的平均流速，m/s；a为边沟底宽，m；i为横坡坡度，%；h0为边沟内过水断面的水深，m；C为谢才系数；J为纵坡坡度，%；n为曼宁系数；R为水利半径，m；ρ为过水断面湿周，m。

1.4 雨水口泄水量

降低不同因素对雨水口排水能力的影响、提高雨水口的泄水能力是增强市政道路路面积水排除效果的有效途径之一。影响市政道路雨水口泄水能力的因素分为可控因素和不可控因素，可控因素包括：路面纵横坡度的大小，雨水篦子材质、形式及尺寸，雨水口布设间距、数量及位置等；不可控因素包括雨水径流路径、降雨强度大小等。无锡地区常用的雨水篦子尺寸为350 mm×500 mm，雨水篦子示意如图3所示。

图3 雨水篦子示意(单位：mm)

雨水口泄水量(Q3)计算公式为

(7)

式中，μ为流量系数；P为铁盖的空隙比；b为铁盖最边缘两条缝隙的间距，mm；L为缝隙的有效进水长度，mm；hc为雨水口盖上缘水深，mm。

根据雨水口泄水量计算公式，本文总结了3种不同材质和尺寸的雨水篦子的泄水量限值，不同尺寸和材质的雨水篦子泄水量限值如表2所示。

表2 不同尺寸和材质的雨水篦子泄水量限值

1.5 雨水口连接管

不同材质和规格的连接管对应雨水口数量如表3所示。

表3 不同材质和规格的连接管对应雨水口数量

不同材质、不同规格的雨水口连接管所能串联的雨水口数量各不相同，目前市政道路雨水口连接管所连接的雨水口个数无法根据现有的理论公式进行计算，通常根据设计经验值来控制，满足相关规范要求即可。

2 雨水口布设间距

雨水口布设间距是否合理影响着路面积水的排除效果，布设间距过大或过小都会对市政道路排水系统建设造成不利影响。相邻雨水口布设间距过大，会导致路面雨水口布设数量减少，在一定程度上节约了成本，但当发生较大强度的降雨时，来自路面和边沟的大量雨水无法及时通过雨水口排入地下管道，容易导致雨水在路面积存。相邻雨水口布设间距过小时，路面所布设雨水口数量相对增多，来自路面和边沟的大量雨水可以及时通过雨水口排除，增强了积水排除效果，但同时会使施工成本增加，也会影响道路美观。因此，应根据理论计算同时综合考虑各方面因素的影响来确定雨水口布设间距。

雨水口布设理论间距计算公式为

Ly=ψQ3/γQ

(8)

式中，Ly为设计间距，m；ψ为折减系数；Q3为理论泄水流量，L/s；γ为雨水口截流率；Q为汇集流量，L/(s·m)。

3 考虑雨水径流的雨水口设计案例分析

3.1 工程概况

以无锡市某城市道路改造设计断面为例，东-西路城市道路全长3 800 m，改造路段非机动专用车道面积为15 200 m2，人行道透水铺装路面面积为21 280 m2，绿化带面积为12 160 m2，道路红线宽度为20 m。其横断面组成为：20 m=2 m人行道+7 m 机动车道+2 m中央绿化带+7 m机动车道+2 m 人行道。道路横坡坡度为1.5%，纵坡坡度为1‰，道路按双侧布管。

3.2 雨水口设计

考虑雨水径流路径因素影响的雨水口布设大致可分为以下4个过程：

(1)计算雨水口汇水流量(Q1)，可根据假定的雨水口布置间距、集水区域面积和综合径流系数计算得出。以上述无锡市东-西路设计断面为例，降雨时路面径流量可根据式(9)所示的无锡市暴雨强度公式进行计算，公式为

(9)

根据式(9)可得出人行道、车行道、中央分隔带径流系数分别为0.9、0.8、0.2，进而可得综合径流系数为0.805。若按照25 m的间距布设雨水口，单位长度路面纵坡方向的汇水流量以路面左右纵深10 m范围内的排水量为取值，则可以求出雨水口单位集水面积内的汇水量为19.25 L/s。

(2)以雨水口收集的汇水流量全部通过边沟引入为前提条件，边沟流量(Q2)数值则可视为与Q1相等，边沟雨水汇入形成的断面水深h0可通过Q2计算得出，经过计算得到断面水深h0为4.2 mm。已知路面设计纵坡坡度为1‰，取80%作为雨水口截流率，可计算得出雨水口泄水量需求值为15.4 L/s。

(3)步骤(2)中计算得出的雨水口泄水量仅为需求值，雨水口的实际泄水量要通过理论泄水量与泄水量需求值比较确定。根据雨水口实际泄水量可判断雨水口的形式及尺寸设置是否合理。以球墨铸铁形式的雨水口为例，雨水口尺寸为350 mm×500 mm，h0取值为4.2 mm，折减系数取值为0.6。根据式(3)，可分别计算出雨水口理论、实际泄水量分别为26.82 L/s和16.09 L/s。16.09 L/s>15.4 L/s，说明雨水口的形式及尺寸合理。

(4)对步骤(1)中假定的雨水口布设间距进行验证，判断按此间距进行雨水口布设的合理性，验证方法为将雨水口实际布设最大间距与假设间距进行比较。仍以步骤(3)中球墨铸铁形式的雨水口为例，实际布设时相邻两个雨水口的最大间距可根据步骤(3)中得出的实际泄水量及式(4)计算求出。根据计算，两个相邻雨水口布设的最大间距为26.1 m，大于步骤(1)中假设的雨水口布设间距25 m，说明以 25 m的间距进行雨水口布设是合理的。

综上所述，此次无锡市东-西路雨水口布设应选用球墨铸铁形式的雨水口，雨水口尺寸为350 mm×500 mm，相邻雨水口的布设间距为25 m。

3.3 雨水口径流控制效果分析

假定在同一重现期和同一雨型下，分析城市市政道路考虑雨水径流路径影响下的雨水口设计对径流的控制效果。以下分析采用5年重现期、雨型系数r=0.4进行模拟分析，得到汇水区径流统计如表4所示。

表4 汇水区径流统计

根据上述汇水区径流统计表，可得出汇水区降水规律：25～75 s时间段内降水达到波峰状态，且在50 s左右达到最大。在不考虑雨水径流影响因素情况下，雨水口汇水区径流流量在25～75 s的时间内明显大于其他时段，且在50 s左右达到最大径流流量，为0.02 m3/s。90～120 s 时间段内呈现明显的径流流量，且在95 s呈现出最大的径流流量，达到0.001 3 m3/s。不考虑径流影响时，径流流量与降水保持一致的变化规律，即降水后立即转化为积水，该情况下难以排除道路积水，导致水在道路上不断积累。

当有雨水口实现降水径流的控制后，由于雨水口大量吸收道路表面的积水，径流量明显下降，从0.02 m3/s 下降至0.001 3 m3/s。由此可见，雨水口的合理设计对排除积水具有明显的效果。同时，雨水口吸收道路径流对道路波峰径流具有延缓功能，在不考虑径流的情况下，径流波峰出现在50 s，其波峰值与降水的波峰值一致，表明在没有雨水口的情况下降水立刻转化为径流，导致道路积水快速产生。而在考虑了径流的情况下，径流的峰值在 95 s时才产生且径流流量明显减少，表面雨水口对减少积水和径流量具有明显效果。

3.4 与传统雨水口设计的差异

传统雨水口设计存在的问题主要有：

(1)垃圾进入引起堵塞。雨水口结构顶面是雨水篦子,雨水篦子上均采用镂空、开放的设计,安装在道路两侧,容易聚集垃圾，由此造成下水通道堵塞，雨期形成渍水点，形成安全隐患。雨水口中垃圾多为树叶和淤泥，对雨水口的正常泄流不利。

(2)逸出异味。雨水口内沉积的垃圾会在雨水浸泡下发酵腐烂、散发出异味，污染周围的空气,还可能引起管道爆炸等，导致重大的经济损失和不良的社会影响。

(3)检修清理不便、管理不善。为减少堵塞和提高排水性能,需要定期将雨水篦子打开,清理内部垃圾。传统的清理方法是人工使用铁锹等工具将淤积在井底的垃圾清掏转运，费时费力，同时会影响城市道路运输畅通和交通安全。另外，还存在管理制度不完善,雨水口缺乏维护。

(4)回用设施不完善。雨水篦子下方是雨水口井筒，传统的雨水口收集的雨水通过底部的雨水支管排入自然水体,雨水的资源性未得到体现。

本文考虑雨水径流路径的市政道路雨水口设计为加强雨水口截污排水能力，解决传统雨水口易堵塞、检修不便、雨水无法回用的问题，考虑对传统雨水口进行优化设计，如增设自动调节井口、截污挂篮、雨水回用支管等设施。此外，为加强雨水口的截污排水运行效果，还应加强运行维护管理。

4 结论

降雨时，市政道路路面积存的雨水能否通过路面排水系统顺畅排放与雨水口设计和布置的合理性直接相关。本文基于改善市政道路雨水口设计合理性的角度，探讨了考虑雨水径流路径影响下市政道路雨水口设计的过程、方法与实施要点，对后续其他市政道路雨水口设计具有一定的参考价值。主要结论如下：

(1)市政道路雨水口进行设计时应采用理论+实际的设计方法，即先对雨水口设计间距、泄水量根据理论计算出设计值，再根据雨水口布设实际情况及经验进行校核、调整。

(2)由于不同材质、不同尺寸的雨水篦子泄水能力不同，雨水口布设所用的雨水篦子要根据篦子的材质、尺寸进行综合考虑。

(3)确定市政道路雨水口布设间距时除考虑雨水口实际泄水流量外，还应考虑垃圾堵塞、路面纵坡偏小等因素。

(4)相较其他材质的雨水口，单个钢格栅雨水口的泄水流量较大。市政道路雨水口布设采用钢格栅材质时，与雨水口相连接的连接管管径应根据连接管所连接的雨水口的数量进行相应调整。仅与一个雨水口相连时，连接管管径可不调整，当与两个及两个以上数量的雨水口相连时，连接管管径应进行相应的放大。

(5)雨水口能明显降低道路雨水的径流流量，延缓道路积水的波峰流量，发挥道路排水的作用。