城市道路大排水T型交叉口流量分配机制及算法研究

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城市内涝灾害频发,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。城市道路由于断面巨大,可作为有效行洪通道形成大排水系统,将涝水迅速排出城市,保障城市安全运行。在道路大排水系统中,为保证道路安全泄洪,须正确预测道路承载流量,而交叉口作为地表排涝流量的分配关键节点,对其流量分配的精确计算直接决定着下游道路排涝过程中的风险值。目前,由于对道路交叉口流场特征及流量分配机制的研究及其有限,国内外在道路交叉口流量分配计算通常直接延用矩形明渠平底交叉口研究结果,忽略了道路交叉口处横坡及转弯半径对于交叉口流场的影响,与实际道路流量分配结果差异较大;而高维度模型受限于复杂性、稳定性及运算速度,难以在城市尺度上被设计人员直接应用。因此,对于交叉口流量分配的精确界定成为城市道路大排水技术广泛应用推广的瓶颈问题。针对上述问题,本研究以城市道路“1进二出”T型交叉口为研究对象,构建交叉口三维CFD模型,开展数值模拟试验,探究在不同入流流量、下游水位边界条件等运行工况下,道路横坡、纵坡、转弯半径、宽度比等关键交叉口设计参数对交叉口流场特征的作用规律,揭示T型交叉口的流量分配机制,并基于统计模型,建立可直接应用于设计指导的道路交叉口流量分配经验算法,主要研究内容及结论如下:(1)道路T型交叉口三维CFD模型构建及验证基于相似性原理,参考道路交叉口设计规范,构建包含横坡和转弯半径的T型道路交叉口三维流场CFD模型。搭建交叉口物理模型,在不同纵坡和入流流量组合下,开展水工试验,并从流量分配和水面曲线两种角度验证CFD模型有效性。验证结果表明:构建的CFD模型流量分配系数NSE值为0.93,水深场NSE值为0.92,与物理实验结果吻合度高,模型有效。(2)下游道路自由出流边界条件下,T型道路交叉口流量分配机制研究及分配算法构建明晰了各宽度比下流量分配影响关键因子。支路与主路道路宽度比为1:1和1:2时影响流量分配规律的关键因子有入流流量、纵坡、转弯半径。宽度比为2:1时影响流量分配规律的关键因子有入流流量、转弯半径、纵坡、横坡。其中支路道路流量分配系数一般随入流流量增大而减小,仅有宽度比2:1大坡度情况下,分配系数随入流流量增大而增大。小纵坡工况下,流量分配系数随纵坡增大而增大,而在大坡度情况下随纵坡增大而减小。但在2:1宽度比下,大小纵坡工况下分配系数均随纵坡增大而减小。流量分配系数随转弯半径增大而增大。对于横坡,流量分配系数在小纵坡时随横坡增大而增大,而大纵坡时随横坡增大而减小。另外还明晰了各因子的交互作用及其方向,并从流场角度解析主效应及交互作用产生原因。在各宽度比及大小纵坡下分别了构建流量分配计算公式并验证,误差在10%以内。(3)主路下游顶托边界条件下,T型道路交叉口流量分配机制研究及分配算法构建在主路下游积水对交叉口流场形成顶托的情况下,交叉口流量分配影响显著受入流流量、转弯半径和、顶托水位、支路与主路道路宽度比影响,而受道路横纵坡影响较小。支路流量分配系数随着交叉口转弯半径和支路与主路的宽度比增加而增大,且随下游顶托水位的增加而增大,而随上游来水流量的增加反而减小。交互作用中,顶托水位与其余三个因子的交互作用影响显著。构建了主路顶托下流量分配计算公式并进行了验证。(4)主路及支路道路下游均顶托边界条件下,T型道路交叉口流量分配机制及分配算法在主路及支路道路下游积水两端等水位顶托时,入流流量、转弯半径、宽度比、顶托水位四个因子的主效应均显著。两端等水位顶托时,支路流量分配系数随顶托水位、宽度比、转弯半径增大而增大,而随入流流量增大而减小。交互作用中,入流流量*顶托水位、入流流量*转弯半径、顶托水位*转弯半径三项影响显著。增大顶托水位将导致下游水跃向上游移动,且增大支路回水区规模。增大入流流量、转弯半径、宽度比会增强顶托水位的效应。两端不等水位顶托时,入流流量、转弯半径、宽度比、主路顶托水位、支路顶托水位影响流量分配的主效应均显著,且两两交互作用均显著。其中支路流量分配系数随转弯半径、主路顶托水位、宽度比增大而增大,随入流流量、支路顶托水增大而减小。最后构建两端雍水顶托流量分配计算公式并验证。基于本研究,明晰了道路交叉口流量分配的关键影响因子及其作用规律,形成了可用于指导实际工程设计的流量分配计算方法,解决了目前道路大排水系统设计计算缺乏工程适用度高、精度高的交叉口流量分配算法的问题,可将本算法与常用城市雨洪模型SWMM联用,提高现有城市大排水系统的计算精度。
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