解析城市快速路盲沟排水系统水力模型研究

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1、中田威z2003年第6期(总第106期)城市快速路盲沟排水系统水力模型研究韩骥韦鹤平(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)摘要：为推求降雨过程中盲沟内流量及水深变化过程，以指导盲沟系统的设计与布置，在研究土壤非饱和下渗和碎石中水流运动规律的基础上，建立了城市快速路盲沟系统水力模型，包括雨水下渗和盲沟汇流两部分。前者采用vanGenuchten模型表征土壤水分持留曲线，借助非饱和渗流模拟软件VS2DTI求解；后者采用碎石中水流运动方程，通过Preissmann格式差分求解。关键词：快速路下渗盲沟水力模型1前言模拟过程为雨水通过中央绿化带下渗．进入纵城市快速路是解

2、决城市长距离交通运输的动向盲沟，该部分雨水再通过横向盲沟导向道路两侧脉，大多采用全封闭、全立交的形式，其排水具有显的窨井排除。著特点。因道路的中央绿化带宽度可达6m，绿化带2．1暴雨计算下渗雨水的排除成为快速路的突出问题．否则大面传统的暴雨公式只能计算洪峰流量确定最大径积下渗雨水聚集路基内会对路基产生损害．而此类流．无法推求完整的流Il问题的解决都有赖于排水理论的发展和计算模型的量过程．但绿化带雨水改进。国外在城市水文理论和水力计算模型方面已下渗存在一个滞后期，取得了不少成果，但国内在快速路盲沟排水方面的这样盲沟汇流系统不会模型研究还较少，目前仅采用经验公式计算。由于经

3、与地表汇流系统同时达一l：．验公式只能简单计算特定流量条件下的盲沟内水到洪峰流量．模式雨型深．无法反映整个降雨历时盲沟内的流量及水深变则可以模拟暴雨强度变图2模式雨型强度分布曲线化过程，计算精度也不高一定程度上会造成盲沟设化过程，如图2所示。计与布置的不合理。为此，笔者在研究土壤非饱和下取暴雨公式j=—(雨峰时间坐标为o)。渗和碎石中水流运动规律的基础上，建立了城市快(t柏)速路盲沟排水系统水力计算模型．以推求降雨过程雨峰前j

4、=—雨峰后=——中盲沟内的流量与水深变化．从而指导盲沟设计与(t／r+Jb)【t／(1一r)+6】布置。模型包括雨水下渗计算和盲沟系统汇流计算式

5、中：L、为雨峰前和雨峰后的平均暴雨强度；A，n，两部分，并给出了相应的求解方法。b分别为暴雨强度公式中的地方参数：r为雨峰系2模型的建立与求解数：t为降雨时间。模拟区域取上海浦东外环线东二大道l5标一在上海地区，一年一遇暴雨的A=12．8097．J1=段，其断面如图l所示。0．7308，b=6．9782，r-0．367。计算中用离散值求解，At=5min．降雨时间中央分隔带60min．并控制小时降雨总量与一年一中国城镇水网遇暴雨强度(j=36mm／h)的小时降雨www.chinacitywater.org量相等。计算结果如·上海市科委科技攻关项目图1中央绿化带及盲沟断面

6、图(o12112029)47城市快速路盲沟排水系统水力模型研究韩骥韦鹤平IJ图4显示．降雨开始30min左右纵向盲沟内开始有水流；降雨停止后，绿化带下渗雨水量很小，接＼l7J目近为0。2．3盲沟汇流蠼窿由图5可以推出盲沟中水流的连续性方程。假进0．4lII,ii,l。I,,i图3暴雨强度小时变化图出图3所示。ax2-2雨水下渗该过程属于土壤的非饱和下渗，从降雨开始到绿化带土层有出流存在一个滞后期，模拟的关键在图5碎石盲沟中水流的连续性于对土壤水分持留曲线的表征，即研究土壤体积水分含量与压力水头之间的关系。实际中由于它们之定流体和介质都是不可压缩的，且底部不透水，则从间关

7、系复杂．难以从理论上推导出确切关系，因此往边长为和dz的方柱状体中流出的净流量应等于往采用经验公式来描述，其中比较常用的有Brooks—单位时间内水位的下降所引起的体积变化：Corey(1964)模型，vanGenuchten(1980)模型，Gardneradxdz+-~uq五'dzdx+誓oIndxdz=0(1)(1970)模型等。据有关研究表明，对粉质土壤，当水头压力比较高时，一般vanGenuchten模型拟合效果较式中：任意方向的单宽流量q=v)，；n为空隙率。好⋯，快速路绿化带属于粘质土草地，在暴雨情况下上式除以ddx,得++n=0aXaZa【采用Val'l

8、Genuchten模型比较合适．其表达式为如果是一维流动．则可简化为：J：等=[1+lJb(Jb