雨水口箅子的孔口流量系数试验研究

吴　鹏，杨　敏，何京莲，李　卫

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)



雨水口箅子的孔口流量系数试验研究

吴鹏，杨敏，何京莲，李卫

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

摘要：孔口流量系数大小对雨水口箅子的泄流能力具有重要影响。对等格条间距和等格条厚度的矩形断面横条箅子和圆形断面横格条箅子的孔口流量系数进行了试验研究，结果表明雨水口箅宽方向截留纵坡向来水时，随来水量增大，矩形断面格条箅子的流量系数呈略减小趋势，其流量系数比圆形断面格条箅子稳定；雨水口泄流箅上深度积水时，矩形断面格条箅子的流量系数明显小于圆形断面格条箅子。该结果可对雨水口箅子的选用和雨水口的设计计算具有重要参考意义。

关键词：格条；流量系数；纵坡向来水；积水

雨水口作为城市雨水排水系统的重要组成部分，具有收集地面径流并泄流至排水管渠的功能。文献[1]研究了雨水口型式和规格以及道路因素对雨水口泄流能力的影响。文献[2-3]研究了箅子格条布置形式对雨水口泄流能力的影响。但对于箅子孔口流量系数方面的研究很少有报道。在雨水口设计中，平箅式雨水口箅子的泄流量大多根据箅上允许积水深度，采用孔口流量公式计算得出[4-6]。孔口流量系数大小可反映箅子的泄流能力，其取值也直接影响了雨水口泄流量计算的精准度。目前，孔口流量系数取值一般为圆角孔0.8，方角孔0.6[5-7]。实际上箅子的孔口流量系数因孔口形状、孔口边缘情况、孔口间距、长径比和水流条件等不同而取值不同[5-11]。因此，本文采用物理模型试验方法，对格条断面形状分别为矩形和圆形的两种常见横格条雨水口箅子在不同的水力条件下截留纵坡向来水和箅上深度积水工况下箅子孔口泄流进行了试验，并分析了其流量系数变化特征，可为今后雨水口箅子选用以及雨水口设计计算提供参考。

1　试验设备与方法

1.1试验设备

试验设备如图1所示，水流由渠道(平面图中矩形堰左侧的所有部分)下面的循环水箱经水泵提升至矩形堰内，并由电磁流量计记录经闸阀调节后的试验流量。矩形堰内水流溢流进入梯形渠道，由导流板汇流进入雨水口泄流，渠底纵坡坡度为4.21%，导流板与渠底接触处用玻璃胶密封。矩形堰为钢板制成，渠道及导流板采用PVC板。图1中导流角度α可通过3块不同长度的导流板来调节，导流板编号为1#、2#和3#，其对应长度分别为1.27 m、1.88 m和2.58 m，高为18 cm。

图1试验设备平面示意图

试验雨水口箅子为木制的横格条箅子，根据格条的断面形状将箅子分为矩形断面格条箅子和圆形断面格条箅子，分别记为J型箅子和Y型箅子。试验箅子规格为小型雨水口箅子原型L×B=50 cm×30 cm，其中矩形断面格条宽1.2 cm，高3.0 cm；圆形断面格条直径为1.2 cm；格条间距都为2.8 cm，见图2。

图2试验箅子平剖面图

1.2试验方法

边沟平箅式雨水口泄流路面径流时，主要为雨水口箅宽度方向截留纵坡向来水[12-13]。因此，模拟试验只有箅宽方向的纵坡向来水下的箅子泄流孔口流量系数。分别在3块导流板导流的水力工况下，雨水口截留上游来水量。雨水口箅子顶面与雨水口周边渠底表面平齐，水流入箅流向垂直于格条，越过箅子的水流由溢流孔排出。来水流量若太小，不利于准确计算箅子过流面积，经试验调试及综合考虑小型雨水口的泄流量，选择试验流量为0.005 m3/s～0.012 m3/s。测定各试验工况下水流入箅断面箅宽中点前约2 cm处的水深作为入箅水深，并近距离拍摄箅子泄流时的箅上水流分布。

市政道路在暴雨季节易出现积水现象，最深可达30 cm[14]。因此，还模拟试验了雨水口箅子处于深度积水下的泄流工况，取下试验设备中的导流板，在溢流孔前安装一挡板，挡板与渠底接触处用玻璃胶密封，见图1。由于箅子表面形成深度积水时所需来水量较大，考虑到设备中提升泵流量的限制，将箅子的有效过流孔口面积设置为2.8 cm×10 cm×3。箅子安装示意图见图3，在原雨水口处安装一铝合金制槽，槽底距雨水口周边渠底表面深10 cm，槽底几乎全开口，箅子置于槽底，另将一中心开口(12 cm×10 cm)的薄泡沫板置于箅子上。

图3泄流深度积水试验箅子安装示意图

2　数据分析

平箅式雨水口的孔口流量系数直接根据孔口出流公式可以得出[5，15-16]：

(1)

式中：μ为孔口流量系数；Q为泄水流量(m3/s)；A为实际过流孔口面积(m2)；h为箅上水头(m)。

对于边沟式平箅雨水口截留上游纵坡向来水时，箅上水流水面线弯曲，水头变化复杂。箅上水流水头变化与入箅流量、入箅水头及箅子格条因素等有关，其中流量系数主要由箅子格条因素决定。因此，雨水口截留纵坡向来水时，忽略箅上水流水头变化，以入箅水头计算出的流量系数，仍可反映箅子的泄流能力。流量系数计算公式为：

(2)

式中：P为箅子孔隙率；Aw为实际过流面积(m2)；h0为入箅水头(m)；其余符号同前。

水流在箅子表面实际过流面积采用AutoCAD2008软件先求出箅子泄流照片中的实际过流面积，再按比例换算求得。

3　结果与讨论

3.1雨水口截留纵坡向来水

图4入箅水流平均流速

图5入箅水流平均弗劳德数

整个试验过程中箅上无超越水流漫过箅子，除梯形渠道出口处有极少量水流绕雨水口边缘未被雨水口收集泄流外，雨水口截留全部纵坡向来水量。箅子的有效泄流长度为(0.3～0.8)L；水流进入箅子格条孔隙泄流后，箅上水流水面线呈弧线状降低，随水流量增大后，水流末端呈白色破碎状，水流表面上扬，最后至格条间隙泄出，箅上分布的过流水流呈不规则形状。试验中箅子实际过流的有效孔隙率采用箅子的平均孔隙率58.24%，根据式(2)计算出雨水口箅宽度方向截留纵坡向来水下的孔口流量系数见图6。由图4～图6可以看出，孔口流量系数变化与入流断面的平均流速和平均弗劳德数无明显对应关系。整体上箅子流量系数分布范围较集中，可见雨水口箅宽向截留纵坡向来水时，仍可采用孔口出流公式(式(2))较精准的计算出雨水口泄流量。图6显示：(1)随来水量增大，J型箅子的流量系数整体上呈略减小趋势。究其原因是较大水流量在具有直角边的矩形断面格条上产生剧烈紊动作用，增大了孔隙的泄流阻力。实验现象为箅上水流末端存在较长段白色破碎状水流；(2)J型箅子的流量系数变化幅度小于Y型箅子，这可能是由于J型箅子格条对水流阻力较大，受水流条件的影响比J型箅子更小。其中，J型箅子和Y型箅子的试验流量系数分布范围分别为0.1871～0.2670和0.2120～0.3023，二者的平均流量系数分别为0.2224和0.2506；(3)箅上水流具有纵向水平流速水头的作用下，J型箅子流量系数整体与Y型箅子相差不大，后者略高于前者。

图6雨水口截留纵坡向来水时的流量系数变化

3.2雨水口泄流箅上深度积水

雨水口箅子处于深度积水时的最大泄流能力下的孔口流量系数试验中，调节闸阀增大渠道来水量，箅上形成的积水深度逐渐增加，泡沫板开孔处的水面一直出现漩涡。不断增大水流量，雨水口处积水深度约18 cm(箅上水深25 cm)时水面几乎无明显漩涡、水面平稳。保持该水位持续时间约5 min的恒定来水流量认为是箅子接近于理想恒定孔口出流工况下的泄流量，根据式(1)计算出两箅子6次试验下的孔口流量系数如图7。结果表明，雨水口箅子处于深度积水泄流时J型箅子的孔口流量系数明显小于Y型箅子，流量系数平均值分别为0.8641和0.9497。其原因是由于矩形断面格条孔口较厚且表面为棱状，对水流的阻力作用大于表面光滑的圆柱格条，此外由于箅上水头较大，无纵向水平流速水头作用，两类箅子格条的泄流阻力差别更明显。试验过程中泡沫板与槽壁四周存在少量漏水，因此，箅子孔口的实际流量系数略低于该实验值。

综合两种泄流工况分析可见，雨水口箅宽方向截留纵坡向来水下的流量系数远小于泄流箅上深度积水时的流量系数。J型箅子和Y型箅子箅宽方向截留纵坡向来水时的流量系数分别为其深度积水泄流时流量系数的21.61%～30.89%和22.33%～31.83%，平均值分别为25.74%和26.38%。

图7孔口流量系数

4　结　语

通过对两种常用类型横格条箅子截留纵坡向来水和泄流箅上深度积水两种工况下的流量系数进行了试验研究，可以得到：雨水口箅宽方向截留纵坡向来水时，J型箅子流量系数随来水量增大呈略减小趋势，其流量系数比Y型箅子略小；但Y型箅子由于受水流条件影响较大，系数值变化幅度也较大。两种断面形状(矩形和圆形)的横格条箅子截留纵坡向来水时的流量系数整体相差不大，而泄流箅上深度积水时的孔口流量系数差异较明显，J型箅子的流量系数明显小于Y型箅子。

实际工程中选用箅子应综合考虑箅子泄流能力、荷载承受力以及材质加工等因素。由于J型箅子比Y型箅子具有更大的荷载承受能力，以及对地面杂物具有更高截留能力，致使杂物不易进入雨水口底部，阻塞排水管道。因此，J型箅子更为常用。此外，采用孔口出流公式计算雨水口的泄流量时，两种泄流工况下的箅子孔口流量系数不宜取相同值，两类试验箅子箅宽方向截留纵坡向来水时的孔口流量系数平均为泄流箅上深度积水工况下流量系数的25%左右。

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ExperimentonDischargeCoefficientsforOrificesofGutterGrates

WU Peng,YANG Min,HE Jing-lian,LI Wei

(FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan611756,China)

Abstract：Discharge coefficient for orifices has an important influence on the discharge capacity of gutter grates.Experiments were conducted to research discharge coefficients for two kinds of gutter grates.The horizontal lattice bars in both gutter grates were designed with equal distance and equal thickness,of which one was rectangular cross section,and the other was circular section.The experiment result showed that when the flow was intercepted by rain grating along the width of grating,the discharge coefficient of rectangular lattice bar grate slightly decreased with the increase of water inlet along longitudinal slope.And its coefficient was more stable than that of the circular section lattice bar grate.Besides,discharge coefficient of the former was markedly smaller than that of the latter when there was a large amount of seeper to discharge.The results can provide reference for the selection of gutter grates and the design calculation of the orifices of the grates.

Keywords：lattice bars;discharge coefficients;inlet along longitudinal slope;seeper

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.012

中图分类号：TV132+.1

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0065—04

作者简介：吴鹏(1989—)，男，重庆人，硕士研究生，研究方向为环境水力学和水污染控制。

收稿日期：2014-08-20修稿日期：2014-10-08