连续道路上多雨水口径流特性数值模拟研究

徐灵华　曾云辉　胡腾宇　申屠华斌　郭帅

【摘    要】： 为了研究不同降雨强度与纵坡下道路雨水口对路面径流的节流效果，采用计算流体力学（CFD）软件CFX对连续道路上多个雨水口进行数值模拟，重点分析当上下游雨水口等距（20 m）时不同流量和坡度下截流能力变化规律。模拟结果表明：当入流量为120.00 L/s时，积水基本布满整个路面，有初期洪涝趋势；沿道路纵坡方向，同一纵坡下，雨水口截流量随收水量增加而增加，但截流效率逐渐减小有饱和趋势；当纵坡为0.3%和4%时，距道路起始端远的雨水口受径流宽度及流速影响截流效率最低且纵坡对下游雨水口截流效率影响比上游雨水口大，故雨水口设计应考虑道路纵坡的影响。

【关键词】： 城市道路；排水系统；雨水口；截流效率；数值模拟

【中图分类号】：TU992【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-07-07

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.003

Numerical Simulation Study on Runoff Characteristics on Continuous Roads

XU Linghua ZENG YunhuiHU Tengyu SHENTU Huabin GUO Shuai

（1. Power-China Huadong Engineering Corporation Ltd.， Hangzhou 310014， China;

2.College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Anhui 230009， China）

【Abstract】：In order to study interception effect of road runoff by rainwater inlet under different rainfall intensity and longitudinal slope，， this paper uses CFX software to simulate several rainwater inlets on continuous roads and the change rule of intercepting capacity under different discharge and slope when the uptream and downstream rainwater outlets are equidistant（20 m）. The results show that： When the inflow is 120.00 L/s， street runoff water basically covers the entire road surface， and there is a slight flooding trend; Under the same longitudinal slope， the interception capacity of the street inlets increases with the increase of the inflow. However， the interception efficiency gradually decreases and there is a saturation trend; When the longitudinal slope is 0.3% and 4%， the downstream inlet far from the beginning of road have the lowest interception efficiency due to the width and velocity of the runoff. The interception efficiency has a greater impact ondownstreaminlets than upstream inlets， so the impact of the road longitudinal slope should be taken into consideration refers to gully design.

【Key words】：urban road; sewer system; street inlet; interception efficiency; numerical simulation

暴雨引发的城市内涝问题凸显了市政排水管网的关键作用；雨水口作为地表-地下排水系统的连接点，对路面径流的截流效果直接影响地下排水系统的效率[1～3]。研究连续道路上雨水口对降雨过程中路面径流截流机制，可以弥补国内关于雨水口在实际降雨过程中工作机理研究领域的空缺，对指导城市排水防涝工作具有非常重要的意义[4～6]。

近年来，国内外学者主要通过雨水口模型试验研究入流特性、雨水口样式、布设方式及雨水口栅条排布等因素对雨水口截流特性的影响：Mustaffa Z等[7]对3种常见不同结构的雨水口开展试验研究，发现联合式雨水口截流效果最好；Russo B等[8]对不同形状、栅条排布的雨水箅子进行研究，发现雨水口尺寸及栅条开口角度对截流效率都有影響；Kemper S等[9]对6种不同雨水口开展试验，发现雨水口上游水深和流速是影响截流效率的主要因素，提出了急流状态下截流效率的计算公式；安智敏等[10]对不同雨水口截流能力进行试验研究，发现雨水口前沿进水量是雨水口截流量的主要组成部分。为规避试验场地、物理试验装置搭建费用等因素的限制，国内外对雨水口开展了数值模拟研究：Gomez M等[11]通过研究发现数值模拟能很好复现试验现象，模拟结果与试验结果有较高的一致性且数值模拟有计算时间短、费用少等优点；陈国芬等[12]采用3D CFD有限元软件模拟雨水口在不同流量下的截流特性，结果表明雨水口截流效率均未达到100%，但文章未针对不同的道路坡度工况等重要影响因素进行研究。关于雨水口布置间距的研究：Nicklow J K等[13]基于遗传算法和水力模型模拟方法，分析连续道路雨水口布设间距及雨水口形式等因素对水面宽度及雨水口水力特性的影响；王纪军[14]基于理论计算分析，以水面宽度为控制指标，来确定雨水口布置间距，但连续道路上雨水口截流规律仍处于理论分析阶段，缺少实际的试验与模拟数据进行验证分析。

综上所述，雨水口截流的试验研究受场地、经费等因素的限制，具有一定局限性，无法完全反映实际降雨过程及洪涝灾害时雨水口截流情况；因此，本文在文献[15]对单雨水口截流效率影响因素的研究基础上，构建连续道路-雨水口耦合3D数值模型，通过观察多个等距布置的雨水口截流规律，研究道路纵坡、入流流量对上下游4个雨水口截流特性的影响，对比分析多个雨水口对路面积水宽度、积水深度及雨水口截流效率的影响。

1 数值模型构建

1.1 典型工况选取

CJJ 37—2012《城市道路工程设计规范》（2016年版）中规定道路横坡SC宜采用1%～2%，以便于路面排水；而道路纵坡SL应根据路段机动车设计速度选取，当道路设计车速为80 km/h时，最大道路设计纵坡为4%，但现实中大部分道路纵坡＜1%；因此，数值模型设计横坡取1.5%，纵坡分别取0.3%、0.7%、1%、2%、4%，入流量Q的范围为22.50 ～360.00 L/s。针对国标型雨水箅子共进行48组试验，见表1。

1.2 计算域构建

采用计算流体力学（CFD）软件CFX17.0版。選取一段长72 m、宽3.5 m的典型单向单车道，距离道路起始端10 m布设一个雨水口，往后布设的雨水口间距为20 m，即第二个雨水口距离起始端30 m，共布设4个雨水口。见图1。

采用设计图集16S518《雨水口》中给出的标准型偏沟式雨水口，尺寸为0.75 m×0.45 m，箅子开孔率为国内使用范围最广的54.2%。

1.3 网格参数及模型边界设定

模型网格无关性验证后，针对模型道路不同位置采用了0.1、0.05、0.02 m3种不同的网格尺寸进行划分并对雨水口网格单独进行加密，以满足计算需要。

采用下底面作为流量入口，流量均匀分布于整个底面，以模拟实际降雨中路面产流过程。入口采用体积流量，雨水口及下游出口设置为自由出流，相对压力为0。模型采用自由表面，上顶面采用Opening边界，模拟初始时空气体积分数为1，模拟降雨从开始至形成稳定路面径流的状态。稳态计算，迭代步数1 000～1 500步，采用k-ε湍流模型，其他设定均为系统默认设定参数。

2 模拟结果分析

2.1 流线及水深分布

以纵坡为0.3%、流量为120.00 L/s的试验工况为例。降雨受道路坡度影响发生偏转，汇流成为路面径流，部分径流未汇流至上游雨水口直接流向下游，雨水口无法完全截流路面径流，由于雨水口对路面径流的截流，雨水口周边下游水深减小，径流向下游传输过程中流量持续增加，造成路面积水宽度及积水深度增加。见图2。

不同工况下的流场分布规律类似且当流量增加时，雨水口3与雨水口4收水区域内积水宽度已经基本布满整个路面，积水深度的增加有触发内涝的趋势。

2.2 雨水口箅前水深分析

2.2.1 雨水口箅前水深分布

以流量Q=120.00 L/s的试验工况为例，当道路纵坡分别取值0.3%～4%时，雨水口1～4位置处相应的水深分布见图3-图7。

雨水口1靠近道路起始端，入流量较小，因此雨水口1靠近上游的第一排栅条对路面径流起主要截流作用，此时雨水口1截流能力尚未达到最大；雨水口2收水区域面积相较雨水口1大，还需要承担雨水口1未截流水量，故雨水口2入流量更大，导致箅前水深增加，雨水口2中间栅条开始起径流截流作用，但此时雨水口2截流量仍以正向流为主，侧边流较少；因雨水口2未截流水量增加导致雨水口3栅条全部承担泄流作用，随着积水宽度增大，雨水口3对侧边流量的截流量增加，越箅流量开始出现，雨水口3对路面径流截流效果反而减弱；由于上游雨水口1～3截流效率不足，下游雨水口4承受超量排水压力，随着入流量的持续增加，雨水口4箅前水深与流速不断加大，导致越箅流量增多，因而雨水口4截流效果最差。

2.2.2 雨水口箅前水深变化规律

由于路面积水深度受坡度影响，当纵坡较小时（SL=0.3%），路面积水较深，故相对于大纵坡工况，小纵坡工况下的路面积水更容易充满整个路面形成内涝。不同纵坡下，箅前水深随流量增加而增大，随纵坡增大而减小。见图8。

结合图2b可知：当纵坡为0.3%且流量＞120.00 L/s时，路面积水扩张至整个路面，此时雨水口4箅前水深受路面积水宽度影响，增长趋势减慢；相同道路纵坡下，雨水口3与雨水口4箅前水深差异不大；当路面积水宽度未扩张至整个路面时，下游雨水口箅前水深随流量增加而增加；模拟雨水口布设间距设为20 m时，路面已经产生积水现象，如果加大雨水口布设间距，城市雨水口排水能力不能满足设计要求，路面积水情况更加严重；纵坡增加导致径流流速增大，路面积水深度减小，不利于雨水口对径流截流。

2.3 雨水口截流量分析

连续道路上雨水口截流量可分为上游雨水口未截流水量和模拟降雨过程中的底面入流量，根据截流的路面径流方向可分为正向流及雨水口旁侧流[7]；而当雨水口截流能力未能达到100%时，未截流水量继续向下游传递，这部分流量由于径流宽度收缩主要以正向流形式被下游雨水口截流，但上游未截流水量会增加下游雨水口排水压力，当径流流量过大时，下游雨水口不能及时排水，易造成城市路面积水。见图9。

当Q＜30.00 L/s时雨水口1在不同纵坡下截流量差异在5.00 L/s以内；随着流量持续增加，纵坡为0.3%工况下，雨水口1截流量增加趋势相比其他坡度更快。下游雨水口2截流量受上游未截流水量影响，不同坡度下雨水口截流差异不大，由于正向流为雨水口截流量的主要部分，而道路纵坡对路面积水宽度影响较小，故雨水口2截流量差异在10.00 L/s内。

路面纵坡影响积水深度和径流流速，当纵坡较大（SL=4%）时，径流流速过大，路面径流易形成越箅流，雨水口截流量减小；在同一种纵坡下，不同入流量产生的路面径流稳定后，上游雨水口未截流量向下游雨水口传递时，雨水口截流量变化不大。研究结果说明，雨水口最大截流量受路面径流水力状态影响，在确定雨水口布设间距时应考虑道路坡度等影响因素，纵坡较小与较大时都应缩小雨水口布设间距。

2.4 雨水口截流效率分析

实际降雨过程中，入流量均匀分布于整个道路路面，受路面坡度的影响，不同坡度下雨水口收水量不同。

雨水口1为建模路段起始端雨水口，收水量只有路面底部入流量，截流效率受纵坡影响相对较大，当纵坡为0.3%时，雨水口1实际汇流区域最大，径流流速小，箅前水深大，故其截流效率最高；当纵坡为4%且入流量＜20.00 L/s时，雨水口1截流能力大于径流量，故雨水口截流量与入流量呈正向线性关系，截流效率不随流量增加而改变。比较下游雨水口2与雨水口3截流效率可知，不同纵坡下雨水口2与雨水口3的截流效率差异在15%以内，这是由于上游雨水口未截流水量传递至下游雨水口，该部分流量被下游雨水口截流，故截流效率差异不明显；上游雨水口未截流水量传递至雨水口4时，由于流量增加，路面积水宽度增加，雨水口4有效截流宽度相对减少，导致不同纵坡下雨水口4截流效率差异变大且当纵坡＞1%时，雨水口4截流效率随坡度增大而降低。见图10。

模拟结果表明，路面径流向下游传递时，雨水口截流效率逐渐降低且有饱和趋势，当发生极端暴雨事件时，下游雨水口对径流截流效果较差，易于道路下游发生洪涝灾害，适当的道路縱坡有助于雨水口排水。

3 结论

基于CFD构建了连续道路上多雨水口数值模型，可以复现降雨过程中路面径流在流动过程中被上下游雨水口共同截流过程，反映雨水口真实截流状态，对合理设计雨水口布设间距与数量有较大指导意义，主要结论如下：

1）模拟结果显示，入流量＞120.00 L/s时，路面径流宽度布满整个道路路面，径流再向下游传递时，积水深度增加较快从而造成路面积水影响行车安全且当路面径流宽度增加时，雨水口截流效率降低；

2）当入流量＜120.00 L/s时，雨水口2～4的箅前水深差异在5 mm以内；入流量＞120.00 L/s时，径流水面宽度扩增至整个路面，雨水口2～4箅前水深随流量增加而逐渐增加，有形成内涝趋势；

3）路面径流向下游传递过程中，下游雨水口与上游雨水口截流量与截流效率差异逐渐减小，截流量与截流效率趋于饱和；在道路雨水口设计时，对雨水口的布设间距等应考虑纵坡的影响，纵坡过小（SL=0.3%）与纵坡过大都不适宜，此时应当根据排水需要适当增加雨水口数量。

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