本文采用美國聯(lián)邦公路管理局提出的偏溝和雨水口流量計(jì)算方法，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)我國《雨水口》(16S518)標(biāo)準(zhǔn)圖集中雨水口泄水能力推薦值有不合理之處。通過分析國內(nèi)外道路坡度和雨水口布置的相關(guān)要求，結(jié)合案例計(jì)算，總結(jié)了道路橫坡、縱坡、箅前水深和雨水口布置間距之間的變化關(guān)系，并提出道路設(shè)計(jì)漫幅的推薦值。通過調(diào)整道路設(shè)計(jì)坡度，將道路路面轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢呤占洼斔吐访嬗晁δ艿穆访嫘行雇ǖ溃⒗寐鼘幑接?jì)算了路面行泄通道的排水能力。

雨水收集、輸送和排放系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。傳統(tǒng)市政雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在輸送和排放系統(tǒng)上著力較多，而在雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有所忽視，絕大多數(shù)情況下都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而未考慮新形勢下的新要求。

路面排水系統(tǒng)是雨水收集系統(tǒng)的一個重要組成部分，根據(jù)降雨強(qiáng)度不同，路面排水系統(tǒng)有2種運(yùn)行模式：①當(dāng)降雨強(qiáng)度小于城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際排水能力時，路面排水系統(tǒng)僅承擔(dān)將直接降落到路面的雨水收集到雨水管道的任務(wù);②當(dāng)降雨強(qiáng)度大于城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際排水能力時，路面排水系統(tǒng)還需要承擔(dān)超出管道輸送能力的那部分雨水(不一定是直接降落到路面的雨水，也可能是周邊地塊的匯水或者檢查井溢出的雨水)的輸送任務(wù)。當(dāng)城市內(nèi)部河網(wǎng)水系未滿時，設(shè)計(jì)合理的路面排水系統(tǒng)可起到將超出管道排水能力的雨水徑流輸送到河網(wǎng)水系的作用，設(shè)計(jì)不合理的路面排水系統(tǒng)將導(dǎo)致雨水在城市道路上蓄積。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

路面排水設(shè)計(jì)主要包括表面排水、偏溝和雨水口的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要是當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和允許的道路漫幅。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，排水設(shè)計(jì)人員主要是通過調(diào)整雨水口間距來滿足設(shè)計(jì)要求，而很少去要求道路設(shè)計(jì)人員調(diào)整道路坡度，導(dǎo)致我國道路的路面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時只考慮了雨水收集而沒有主動考慮雨水的輸送。

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006,2016年)4.7.1和4.7.2條，《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB  51222-2017)5.2.1、5.2.2條均對雨水口設(shè)計(jì)作出規(guī)定。《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》(CJJ  83-2016)5.0.2、6.0.2條對道路坡度作出規(guī)定。《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ  37-2012)5.4.1、5.5.2、6.3.2條關(guān)于緣石和道路坡度也有相關(guān)規(guī)定。

對我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求總結(jié)如下：①雨水口設(shè)計(jì)流量應(yīng)為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期計(jì)算流量的1.5～3倍，雨水口間距宜為25～50  m。②道路縱坡不應(yīng)小于0.3%(不滿足時需采取特殊排水措施)，道路橫坡應(yīng)采用1.5%～2.0%，路肩橫坡可比路面橫坡加大1.0%。③立緣石外露高度宜為10～20  cm。④我國目前暫無道路漫幅的規(guī)定。

美國聯(lián)邦公路管理局2009年出版的《Urban Drainage Design  Manual》有關(guān)道路坡度的規(guī)定如下：①道路縱坡不應(yīng)小于0.5%，不得小于0.3%。②雙車道(單向)時道路橫坡應(yīng)為0.015～0.020;三車道或更多(單向)時，最小為0.015，每車道增加0.005～0.010，最大不能超過0.040。③最佳橫坡坡度為2%。

道路漫幅的規(guī)定可借鑒美國科羅拉多《Urban Storm Drainage Criteria Manual》的規(guī)定，見表1。

《Urban Storm Drainage Criteria  Manual》對于內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期時的道路積水有詳細(xì)規(guī)定，我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》有類似規(guī)定，見表2。

2 計(jì)算理論

道路雨水偏溝主要有2種型式：單一斷面和復(fù)合斷面(見圖1)。出于計(jì)算簡便的需要，僅介紹單一斷面(三角溝型)的計(jì)算方法。

2.1

偏溝水力計(jì)算偏溝水力計(jì)算公式采用修正曼寧公式，見式(1)~式(3)：

偏溝設(shè)計(jì)流量Q由本段流量和前段超越流量(計(jì)算方法見后)組成，本段流量是一個隨集水時間變化而變化的值，考慮到偏溝匯水面積通常很小，可以直接假定集水時間t=5  min，代入當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式即可算出設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q，乘以匯水區(qū)面積和徑流系數(shù)即為本段流量(根據(jù)最新規(guī)范要求，還需乘以安全系數(shù)1.5～3.0)。

2.2

雨水口泄水能力計(jì)算安裝在單方向縱坡坡段上的偏溝式雨水口的泄水能力，按式(4)~ 式(9)計(jì)算：

雨水口的泄水能力與道路的過水?dāng)嗝婷芮邢嚓P(guān)。對于安裝在單向縱坡坡段的偏溝式雨水口，當(dāng)流速較低時，雨水口正上方的雨水會被全部截流(即正面截流)，同時，一部分雨水口正上方之外的雨水也會被截流(即側(cè)面截流)。當(dāng)縱向坡度太大，流速超過雨水口的攔截流速V0時，部分水流會越過雨水口，造成正面截流效率下降。V0越大，雨水口的截流效率越高。我國目前缺乏不同類型雨水箅子的攔截流速實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《雨水口》(16S518)中球墨鑄鐵雨水箅子和《Urban  Drainage Design Manual》中P30型雨水口平面布局最接近，因此借鑒其攔截流速試驗(yàn)成果(見圖2)，經(jīng)擬合后，可按V0=0.75+1.67  Le計(jì)算，一般在0.5～2.5 m/s。

《Urban Drainage Design Manual》中雨水口側(cè)面截流效率Rs和攔截流速V0計(jì)算公式中的L均為雨水口長度，而《Urban  Storm Drainage Criteria Manual》中采用雨水口有效長度Le主要考慮到現(xiàn)實(shí)中，雨水口可能會堵塞,推薦采用雨水口有效長度Le。

3 標(biāo)準(zhǔn)圖集探討

國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《雨水口》(16S518)提供了一個在一定水力條件下(道路縱坡0.3%～3.5%，橫坡1.5%，箅前水深40  mm)通過1∶1的水工模型經(jīng)過試驗(yàn)確定的不同型式雨水口泄水能力，如表3所示。

當(dāng)箅前水深大于40 mm時，圖集還提供了雨水口過流曲線圖供設(shè)計(jì)人員查找，見圖3。圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型分別為道路縱坡0.3%、1.0%和3.5%。

對雨水口泄水能力進(jìn)行理論計(jì)算(箅子尺寸為0.45 m×0.75 m，不考慮箅子堵塞)，計(jì)算結(jié)果見表4、表5和圖4。

對比表3～表5和圖3、圖4中的數(shù)據(jù)，可以看出有較大差別，部分原因?yàn)橹忻纼蓢晁谛褪讲煌５覈鴺?biāo)準(zhǔn)圖集中的某些數(shù)據(jù)很難用理論進(jìn)行解釋：

(1)雨水口泄水能力不應(yīng)超過其偏溝流量，而我國標(biāo)準(zhǔn)圖集泄水能力推薦值卻超過了偏溝流量。對于箅前水深、道路橫坡和縱坡一定的偏溝式雨水口，其偏溝流量是固定的(見表6)。對于箅前水深4  cm的偏溝式雨水口，偏溝式雨水口泄水能力不應(yīng)大于18.2 L/s(SL=0.3%)、33.1 L/s(SL=1.0%)、62.0  L/s(SL=3.5%)，這和箅子數(shù)量無關(guān)。

(2)單方向縱坡坡段的雨水口，增加其數(shù)量將提高雨水口正面攔截速度和側(cè)面截流效率，但對雨水口總截流效率提升作用有限，而我國標(biāo)準(zhǔn)圖集推薦泄水能力隨箅子數(shù)量增加而快速增加(見表7)。

4 雨水口布置

雨水口布置計(jì)算假設(shè)條件如下：

(1)道路為單方向縱坡，路面粗糙系數(shù)為0.014，綜合流量徑流系數(shù)為0.75，道路典型寬度為12 m、18 m、24 m、30 m、36 m、42  m、50 m。

(2)雨水箅子尺寸為0.45 m×0.75  m，雙側(cè)布置。不考慮雨水口堵塞對正面攔截速度和側(cè)面截流效率的影響，而將該影響體現(xiàn)在雨水口設(shè)計(jì)流量中，即假定雨水口流量為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期計(jì)算流量的2倍(規(guī)范要求1.5～3倍)。不考慮雨水口連接管與雨水檢查井的布置。

(3)雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年一遇，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年一遇，集水時間為5 min，當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式為：q=2  457.435(1+0.633lgP)(t+11.951)0.724(10)t=5 min時，3年一遇的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為412.25  L/(s˙hm2)，50年一遇的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為657.14 L/(s˙hm2)。可見考慮安全系數(shù)的3年一遇設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度已大于50年一遇時設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度。

雨水口布置計(jì)算結(jié)果見表8～表12。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)箅前水深和道路橫坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨縱坡增大而增大。縱坡1.0%相比縱坡0.3%時的雨水口允許最大間距增大30%～50%，平均增大38%;縱坡3.5%相比縱坡1.0%時的雨水口允許最大間距增大55%～67%，平均增大59%;縱坡3.5%相比縱坡0.3%時的雨水口允許最大間距增大104%～142%，平均增大119%。

(2)當(dāng)?shù)缆房v坡和漫幅保持不變時，雨水口允許最大間距隨橫坡增大而增大。橫坡2.0%相比橫坡1.5%時的雨水口允許最大間距增大55%～65%，平均增大59%。建議道路設(shè)計(jì)時橫坡采用2.0%。

(3)當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨箅子數(shù)量增大而增大。雙箅式相比單箅式的雨水口允許最大間距增大33%～77%，平均增大57%。

(4)如果以國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《雨水口》中的箅前水深4 cm(SX=1.5%，SL=0.3%)作為雨水口布置的依據(jù)，那么對于寬度大于等于18  m的道路，其雨水口允許最大間距均小于國家規(guī)范推薦值(25～50 m)。

(5)如果以表1中允許漫幅作為雨水口布置的依據(jù)，那么《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的雨水口允許最大間距(25～50  m)均可以滿足要求。例如，對于縱坡0.3%和橫坡1.5%的50 m寬道路，當(dāng)雙側(cè)間隔28.5 m布置單箅雨水口時，其箅前水深為8 cm，漫幅為5.33  m，此時立緣石未淹沒(立緣石外露高度為10～20 cm)，且未淹沒2條車道(至少6.5 m寬)。

我國尚無明確的道路漫幅規(guī)定，建議有關(guān)部門盡快制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未出臺前，設(shè)計(jì)人員計(jì)算時采用的道路漫幅可參考表13推薦值。

5 路面行泄通道

我國現(xiàn)行道路設(shè)計(jì)規(guī)范要求道路縱坡不能小于0.3%，該規(guī)定對于道路路面雨水收集很有必要，但是很多情況下卻阻礙了道路路面雨水輸送功能的實(shí)現(xiàn)。由于我國地下雨水管道普遍缺乏良好維護(hù)，其雨水輸送能力隨著使用年限增加逐年減弱。如果道路縱坡設(shè)計(jì)合理，道路的路面雨水輸送功能可以有效彌補(bǔ)地下管道輸送能力的不足。

道路豎向規(guī)劃的常規(guī)做法是根據(jù)河道澇水位定豎向標(biāo)高，其計(jì)算公式為“豎向標(biāo)高=規(guī)劃澇水位+該處到河道最短距離×0.001+安全超高”，因此對于填方地區(qū)，整體地形以0.1%的坡度坡向周邊河道，如果此時道路縱坡最小為0.3%，那么道路設(shè)計(jì)時一定需要增加變坡點(diǎn)，形成凹形豎曲線，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過地下雨水管道實(shí)際輸水能力時，該點(diǎn)將出現(xiàn)嚴(yán)重積水，造成交通中斷。

一個設(shè)計(jì)合理的道路坡度，應(yīng)同時考慮雨水的收集和輸送功能，這就要求：①常規(guī)降雨時(理想情況下為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期)，道路漫幅不能超過有關(guān)規(guī)定(暫無);②超標(biāo)降雨時，道路形成路面行泄通道。當(dāng)整體地形無法滿足0.3%的坡度時，強(qiáng)行要求道路縱坡不能小于0.3%，將導(dǎo)致路面行泄通道無法形成。當(dāng)整體地形為0.1%坡度時，采用0.1%的道路縱坡將有助于形成路面行泄通道(此時道路橫坡必須為2.0%)。

5.1

道路坡度調(diào)整表14為道路縱坡為0.1%時的雨水口最小布置間距(滿足表13漫幅要求)。

如果道路長度為1 km，雨水口布置數(shù)量見表15。從表15可以看出，將道路縱坡調(diào)整為0.1%，橫坡調(diào)整為2.0%，雨水口數(shù)量僅有少量增加(24  m時甚至減少)。

5.2

輸水能力計(jì)算圖5為路面行泄通道過水?dāng)嗝媸疽狻３鲇谟?jì)算簡化起見，不考慮道路中央分隔帶和機(jī)非隔離帶對過水?dāng)嗝娴挠绊懀膊豢紤]超出道路機(jī)動車道和非機(jī)動車道范圍內(nèi)的過水?dāng)嗝妗８鶕?jù)表2中規(guī)定，至少一條機(jī)動車道積水不能超過15  cm，假設(shè)機(jī)動車道寬度為3.5 m，則圖5中道路中央積水深度h=0.15-3.5×0.02=0.08(m)。

采用曼寧公式計(jì)算的路面行泄通道輸水能力見表16(假設(shè)機(jī)動車和非機(jī)動車道寬度均為3.5 m)。

比較表16和表17可以發(fā)現(xiàn)，7 m寬路面行泄通道輸水能力大致相當(dāng)于直徑800 mm的雨水管道，14 m寬路面行泄通道輸水能力大致相當(dāng)于直徑1 200  mm的雨水管道，21 m寬路面行泄通道輸水能力大致相當(dāng)于直徑1 600 mm的雨水管道，28 m寬路面行泄通道輸水能力大致相當(dāng)于直徑2 000  mm的雨水管道。

可見，通過適當(dāng)調(diào)整道路縱坡和橫坡，即可滿足常規(guī)降雨時的路面雨水收集需求，又可應(yīng)對超標(biāo)降雨時的超標(biāo)雨水輸送需求。和管道相比，路面行泄通道輸水能力更大，并且?guī)缀醪淮嬖诙氯膯栴}。

6 結(jié)論和建議

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》明確要求應(yīng)經(jīng)過計(jì)算確定雨水口的形式、數(shù)量和布置，由于我國暫無完整的雨水口計(jì)算方法，前文采用的均為美國聯(lián)邦公路管理局2009年出版的《Urban  Drainage Design Manual》中的計(jì)算方法。經(jīng)過計(jì)算和分析，主要結(jié)論和建議如下：

(1)當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡不變時，雨水口泄水能力隨箅數(shù)增大而增大，但存在一個上限值(偏溝流量)。

(2)當(dāng)箅前水深和道路橫坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨道路縱坡增大而增大。

(3)當(dāng)?shù)缆房v坡和漫幅不變時，雨水口允許最大間距隨道路橫坡增大而增大。

(4)當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨箅數(shù)增大而增大。

(5)我國應(yīng)盡快制定道路漫幅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。建議18 m以下道路允許漫幅為3.5 m，18 m以上(含18 m)道路允許漫幅為4.0 m。

(6)建議30 m以上道路設(shè)計(jì)時橫坡采用2.0%。

(7)建議道路縱坡最小值采用0.1%，以便形成路面行泄通道。當(dāng)?shù)缆房v坡較小時，橫坡應(yīng)加大到2.0%。