隧道排水设施水力特性研究

雨水篦子是常用的排水构筑物，起截流并泄除雨水的作用。其泄水能力直接影响雨水的排除效果,也间接影响道路交通安全。由于雨水径流进入雨水篦子的状况比较复杂，尤其在隧道内设置雨水篦子排除雨水，尚没有比较成熟的理论研究。早在20世纪40、50年代，前苏联、美国及我国都曾做过雨水口泄水量试验，得到一些试验结果，但存在一定的局限性，没有提出比较系统的计算理论。

随着地下交通、地下空间、地下车库等大量兴起，国内也经常有下穿式隧道因积水而影响交通的事故发生，雨水篦子的收水能力目前尚没有可借鉴的研究成果。因此，研究雨水篦子的水力特性对于实际工程具有重要的理论意义和应用价值。隧道雨水篦子实景图见图1。


1模型试验
1.1研究目的、内容以及参数
本试验以天津市海河隧道工程为背景，结合道路设计和排水设计，确定以下实验参数：道路纵坡分别为3%、3.5%、4%；流量为0.55m3/s；雨水篦子材质为球墨铸铁，尺寸1.0m×0.5m（长×宽），开孔率为0.48(篦子加工参考国标雨水口尺寸)；路面材料为沥青混合料路面；粗糙系数为0.015。
本文主要研究雨水篦子的水力特性，包括雨水篦子上水流爬行长度与篦前行近水深、流量、隧道纵坡的关系。即：在0°栅条角度下的雨水篦子收水效果及水力特性、不同纵坡水篦子的收水效果以及隧道纵坡对收水效果的影响。
1.2模型布置试验模型布置示意图见图2。断面模型采用实际道路的雨水篦子进行试验，长度比例为1:1，完全反映实际道路的水流情况。因为单宽流量不存在横坡的概念，故断面模型不设1.5%的横坡。


1.3模型制作
试验段长6m，宽1m。路面水槽采用10mm有机玻璃制作，考虑到实际路面的粗糙度，试验中铺细粒沙模拟路面，粗糙度与实际路面基本相似。整个模型路面用50×50角钢支撑。试验雨水篦子模型图见图3。


篦子的平面形状为矩形，选用1000mm×597mm。栅条厚度为20mm，肋梁厚度为30mm，栅条净间距为25mm，栅条高为40mm。
2篦上水流流态的演变过程
雨水篦上的水流流态的演变过程见图4。单宽流量＜40L/（s·m）时，来流全部收入篦子第一道横格以内。单宽流量约55L/（s·m）时，由于水流撞击第一道横格而激起水翅，开始有流量越过篦子。当单宽流量约60L/（s·m）时，水翅达到最高。随着单宽流量的继续增大，由于来流水舌的水深增大，压迫水翅逐渐减小，当流量＞120L/（s·m）以后，篦上基本不存在水翅，而将其推入下游。可以推测，当流量继续加大，水翅消失。


3水舌长度、收水流量及过篦流量关系分析
3.1水舌长度
篦上水舌长度随单宽流量的增加而增加，在单宽流量达到47m3/（s·m）时，水舌长度为500px。单宽流量继续增大后，篦上水舌演变成水翅，此时无法判别水舌长度。所以，在爬行意义上的水舌长度仅限于单宽流量＜47m3/（s·m）的情况。水舌长度与收水流量的关系图见图5。


3.2收水流量
收水流量即为通过雨水篦子而流出的雨水量，这部分流量直接反映篦子的收水能力。篦前水深与单宽收水流量q（等于总流量q1减去过篦流量q′）基本上呈线性关系，且随着纵坡的增大而减小。本研究纵坡从3.0%变到4.0%，其变化幅度相对较小，尽管模型实测结果表明不同的纵坡其水深有所不同，但在相同栅条情况下，区分度不大。篦前水深与收水流量的关系图见图6。


3.3过篦流量
过篦流量是指来流除通过篦子排除之外而跃过篦子的流量，即是来流量Q减去收水流量Q′的剩余流量。
过篦流量关系曲线图见图7。


从图7中可看出，过篦流量没有随着来流量的增加而逐渐增加，而是在来流量约75L/（s·m）时出现一个峰值，在来流量不断增大，过篦流量的增加相对很小，直到来流量约110L/（s·m）时，过篦流量又继续随流量的增大而增大。这是由于篦上水流形态形成的。当来流量＜75L/（s·m）时，水流撞击篦子栅条形成水翅，流量越大，水翅穿越距离越长，从而越过篦子流出；当来流量＞75L/（s·m）时，由于来流的增大，使得水翅逐渐变小，从而水翅又流回篦子通过栅条流下，此时的过篦流量就开始相对之前有所减少。当来流量达到110L/（s·m）时，水翅逐渐变小，篦子收水能力达到极限，其余的水量开始大量越过篦子流向下游，故过篦流量又开始逐渐增大。
4结语
1）随着流量的增加，篦上水舌逐渐发展成水翅。在流量约55L/（s·m）时，由于水流撞击第一道横格而激起水翅，当流量约60L/（s·m）时，水翅达到最高。随着流量的继续增大，由于来流水深增大，压迫水翅逐渐减小，当流量＞120L/（s·m）以后，篦上基本不存在水翅，而将其推入下游。
2）当流量＜40L/（s·m）时，来流全部收入篦子第一道横格以内。
3）相对过篦流量在来流量约70L/（s·m）时出现峰值，当流量在70～110L/（s·m）范围增加时，过篦流量的增加幅度很小，直到流量增加到110L/（s·m）时才继续大幅增加。