?？隗w育場(chǎng)內(nèi)側(cè)罩棚形狀為內(nèi)坡且僅能通過(guò)兩側(cè)低點(diǎn)排水的特殊構(gòu)造，屋面坡度達(dá)50%，對(duì)設(shè)計(jì)形成了極大的挑戰(zhàn)，結(jié)合水力學(xué)理論搭建了罩棚排水的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，由模型的試?yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)工程實(shí)踐。通過(guò)改變天溝末端擋板的角度和增設(shè)導(dǎo)流板可將雨水水躍高度降到允許的范圍內(nèi)。
1、工程概況
海口體育場(chǎng)位于五源河文體公園西北角的C0801地塊，地塊西側(cè)是長(zhǎng)濱路，東側(cè)是經(jīng)一路，北側(cè)是緯一路，南側(cè)是長(zhǎng)秀大道，該體育場(chǎng)為可容納約40000座觀眾規(guī)模的甲級(jí)體育場(chǎng)，滿足舉辦全國(guó)性和單項(xiàng)國(guó)際比賽，達(dá)到多個(gè)項(xiàng)目國(guó)家級(jí)冬季訓(xùn)練基地場(chǎng)地及配套設(shè)施要求。
體育場(chǎng)西區(qū)看臺(tái)內(nèi)側(cè)罩棚屋蓋主要用來(lái)保護(hù)觀眾，防止雨水和強(qiáng)烈陽(yáng)光，材料采用半透明的預(yù)應(yīng)力纖維膜，鋼索桁架的上弦拉索之間采用拱形結(jié)構(gòu)，體育場(chǎng)罩棚材料選用PTFE涂層的玻璃纖維膜。
該處罩棚匯水面積約為13500m²，按照?？?0年一遇的雨量設(shè)計(jì)，其排水總流量為953.1L/s。罩棚效果詳見(jiàn)圖1。
罩棚徑向最高點(diǎn)排水坡度可達(dá)50%，如圖2所示。在罩棚的內(nèi)側(cè)最低處設(shè)置環(huán)向排水天溝，環(huán)向排水天溝平均坡度為13.6%。可以看出，由于罩棚構(gòu)造設(shè)計(jì)的特殊性，其雨水僅能通過(guò)環(huán)向天溝向兩側(cè)的低點(diǎn)排水，兩端的排水量各約為500L/s。
2、雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況
獨(dú)特的建筑造型決定了雨水排放系統(tǒng)的特殊性。雨水排放總體思路是結(jié)合建筑形態(tài)，利用膜結(jié)構(gòu)的徑向坡度和環(huán)向坡度將屋面雨水匯至兩側(cè)的雨水調(diào)蓄池，再通過(guò)雨水管道將屋面雨水排至地下室雨水蓄水池和室外埋地蓄水池，最終溢流排至市政管網(wǎng)，具體見(jiàn)圖3。
由于罩棚徑向排水坡度大，罩棚屋面的雨水垂直排至環(huán)向天溝時(shí)的水流速度為6～8m/s，如何將此高速水流安全有效地收集至環(huán)向雨水天溝而不翻越至罩棚下方的觀眾看臺(tái)區(qū)域，這是本工程罩棚設(shè)計(jì)最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)，同時(shí)也關(guān)系到造型美觀、防汛安全和結(jié)構(gòu)安全，并且國(guó)內(nèi)外無(wú)類似工程案例可循，因而成為本工程設(shè)計(jì)中備受關(guān)注的問(wèn)題。為此，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入的理論計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，最終形成了各方都能夠接受的系統(tǒng)解決方案。
3、理論分析
3.1典型排水區(qū)域設(shè)計(jì)參數(shù)
選取本工程最具代表性的排水區(qū)域——罩棚最高處（如圖4所示），該排水區(qū)域面積約1000m²，高差約27m，傾角約30°。
排水溝斷面及天溝轉(zhuǎn)接點(diǎn)示意見(jiàn)圖5。由于鋼結(jié)構(gòu)的造型影響，將天溝分為2個(gè)小的三角形天溝，選取其中一個(gè)典型天溝尺寸如圖6所示。
3.2計(jì)算方法
為簡(jiǎn)化計(jì)算本工程選用謝才公式，謝才系數(shù)選擇曼寧公式：
3.3流速和流量的理論數(shù)值
典型三角形天溝排水理論計(jì)算見(jiàn)表1。由表1可以看出，罩棚的排水排至最低點(diǎn)的流速很大，可達(dá)6～8m/s，雨水的水深為25～31mm。隨著降雨量的增大，罩棚雨水的流速逐漸增大，水深也逐漸增加。相對(duì)于天溝深度25mm時(shí)，水流寬度為178mm；相對(duì)于天溝深度31mm時(shí)，水流寬度為217mm；從上述數(shù)據(jù)中可以看出：徑向天溝排水時(shí)，水流主要集中在此三角形天溝內(nèi)，雨水不會(huì)溢出此區(qū)域，即徑向天溝內(nèi)存在此2條雨水天溝（三角形天溝）。
4、局部模型試驗(yàn)
由于本工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)集中在罩棚最高點(diǎn)徑向天溝與環(huán)形天溝的交匯處，因此在同濟(jì)大學(xué)水力實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了該區(qū)域1∶1局部試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行排水模擬試驗(yàn)，見(jiàn)圖7。搭建該處徑向排水天溝，按照實(shí)際雨水量由加壓水泵在天溝的頂端布水，罩棚頂端設(shè)有布水器。圖7c的右側(cè)為徑向排水與環(huán)向天溝的交匯處的水力現(xiàn)象。
4.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)設(shè)備
(1)給水系統(tǒng)選用2臺(tái)流量為187m³/h，揚(yáng)程為17m的水泵，1用1備。
(2)水源為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的儲(chǔ)水水池（容積約為300m³），水源可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)地溝循環(huán)使用。
(3)試驗(yàn)裝置高度4.5m，坡度50%，選用實(shí)際的膜材料鋪設(shè)于徑向天溝內(nèi)，天溝斷面尺寸為圖6罩棚典型三角形天溝。環(huán)向天溝尺寸1m×0.7m（按照鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)的參數(shù)）。
(4)流量采用多普勒超聲流量計(jì)測(cè)定。該流量計(jì)為非接觸式測(cè)試，測(cè)量傳感器設(shè)置在給水系統(tǒng)的供水管上。
4.2試驗(yàn)?zāi)康?/span>
(1)確定環(huán)向天溝擋板高度和角度。
(2)降低徑向天溝水流在環(huán)向天溝躍水高度的有效措施。
5、結(jié)果與討論
(1)根據(jù)?？?年、3年、10年、50年重現(xiàn)期的雨水量，測(cè)定其水躍高度，核實(shí)雨水是否能翻越環(huán)向天溝擋板至看臺(tái)處，以及環(huán)向天溝擋板坡度對(duì)水躍高度的影響。天溝擋板設(shè)置角度見(jiàn)圖8，主要結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)擋板與地面夾角為105°時(shí)，雨水量為10年重現(xiàn)期時(shí)，即有水躍出天溝；當(dāng)與地面夾角為90°時(shí)，水躍高度剛好與擋板高度一致；改變天溝末端擋板的角度，水躍高度也逐漸變化，隨著擋板角度逐漸變小，水躍高度逐漸降低，在最小角度60°處，水躍高度最小；但在擋板角度為60°時(shí)，天溝斷面最小，環(huán)向天溝的通水能力也最低，不適合本工程采用，因此選用天溝擋板角度為75°。
試驗(yàn)進(jìn)一步分析產(chǎn)生這種狀況的原因，當(dāng)環(huán)向天溝的擋板角度改變時(shí)，高速水流的能量轉(zhuǎn)變方式發(fā)生改變，能量中僅有少部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，水流中的動(dòng)能部分仍然很大，只不過(guò)水流方向轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，同時(shí)水流在膜內(nèi)側(cè)降落時(shí)，對(duì)正在流動(dòng)的雨水產(chǎn)生干擾，進(jìn)一步降低了水躍高度。其對(duì)比效果如圖9所示。
(2)試驗(yàn)二，降低雨水水躍高度的另外一種方式是設(shè)置導(dǎo)流措施；在天溝內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流措施，研究導(dǎo)流措施對(duì)水躍高度的影響。導(dǎo)流裝置見(jiàn)圖10。
在徑向天溝內(nèi)距末端擋板不同位置處設(shè)置該導(dǎo)流裝置后，水躍高度變化見(jiàn)表3。
由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，增加該導(dǎo)流措施后，水躍的高度明顯減小，約為400mm，說(shuō)明該導(dǎo)流措施對(duì)降低末端水躍有很好的效果；改變導(dǎo)流裝置在徑向天溝的設(shè)置位置后，水躍高度的減小存在最佳位置，位于距天溝擋板2m左右處。
本工程罩棚的材質(zhì)為PTFE涂層的玻璃纖維膜，由于水流對(duì)導(dǎo)流板有很大的沖擊作用，在膜表面安裝該導(dǎo)流措施很難實(shí)施，因此本工程導(dǎo)流裝置最佳安裝位置在環(huán)向天溝內(nèi)，即距離擋板500mm左右的位置；由于?？跉夂驐l件的特殊性，與建筑專業(yè)確認(rèn)環(huán)向天溝的材質(zhì)為金屬材質(zhì)；在金屬材料表面安裝此裝置很容易實(shí)施。
試驗(yàn)中選取的導(dǎo)流裝置寬度為700mm，導(dǎo)流角度約為45°，導(dǎo)流板的下方約10mm為通水區(qū)域（見(jiàn)圖10），小雨時(shí)雨水可通過(guò)此通道直接流走，膜不會(huì)集聚垃圾，同時(shí)也能降低導(dǎo)流裝置的受力。大雨時(shí)部分雨水（約為斷面1/3處水流最深部位）可通過(guò)導(dǎo)流板導(dǎo)流，其他斷面雨水與排水方向改變的雨水相互作用，內(nèi)部消能，將水躍的高度降低。
(3)試驗(yàn)中也對(duì)徑向天溝的水流狀態(tài)進(jìn)行了理論計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)比較，如圖11所示。
從圖11中可以看出，對(duì)于水深的計(jì)算，理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)比較接近；而兩者在水流寬度方面存在較大差異，實(shí)際測(cè)得的水流寬度約為理論計(jì)算寬度的2倍。同時(shí)也可以看出，隨著重現(xiàn)期的增大（即水流量增大）水深的變化較小，由25mm增大到28mm，而水流的寬度變化非常明顯，由36mm增大到48.3mm。
本工程罩棚坡度很大，水流流速很大（6～8m/s），在高速水流的情況下，水流的阻力很高，水流的厚度很難增大，因而水流寬度會(huì)逐漸增大。
6、小結(jié)
根據(jù)以上分析，設(shè)置環(huán)向天溝擋板的角度為60°及增加導(dǎo)流裝置后，徑向的雨水很難躍過(guò)擋板至下側(cè)貴賓看臺(tái)處，此兩種方式對(duì)降低徑向雨水的水躍高度非常有效。
本試驗(yàn)旨在找到降低大坡度雨水水躍高度的方法，改變環(huán)向天溝擋板角度及設(shè)置導(dǎo)流板的方案可有效解決該問(wèn)題，此試驗(yàn)結(jié)論可為以后大坡度雨水設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。
由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)中存在一些不足，需要對(duì)此有興趣的單位做進(jìn)一步詳細(xì)的分析研究。
全國(guó)熱線：189-3430-4608
中國(guó)人保財(cái)險(xiǎn)承保
CABR建設(shè)工程產(chǎn)品認(rèn)證