海口體育場內(nèi)側(cè)罩棚形狀為內(nèi)坡且僅能通過兩側(cè)低點排水的特殊構(gòu)造，屋面坡度達50%，對設(shè)計形成了極大的挑戰(zhàn)，結(jié)合水力學理論搭建了罩棚排水的試驗模型，由模型的試驗數(shù)據(jù)指導工程實踐。通過改變天溝末端擋板的角度和增設(shè)導流板可將雨水水躍高度降到允許的范圍內(nèi)。
1、工程概況
海口體育場位于五源河文體公園西北角的C0801地塊，地塊西側(cè)是長濱路，東側(cè)是經(jīng)一路，北側(cè)是緯一路，南側(cè)是長秀大道，該體育場為可容納約40000座觀眾規(guī)模的甲級體育場，滿足舉辦全國性和單項國際比賽，達到多個項目國家級冬季訓練基地場地及配套設(shè)施要求。
體育場西區(qū)看臺內(nèi)側(cè)罩棚屋蓋主要用來保護觀眾，防止雨水和強烈陽光，材料采用半透明的預應力纖維膜，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，按照海口50年一遇的雨量設(shè)計，其排水總流量為953.1L/s。罩棚效果詳見圖1。
罩棚徑向最高點排水坡度可達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)計的特殊性，其雨水僅能通過環(huán)向天溝向兩側(cè)的低點排水，兩端的排水量各約為500L/s。
2、雨水系統(tǒng)設(shè)計概況
獨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區(qū)域，這是本工程罩棚設(shè)計最具挑戰(zhàn)性的難點，同時也關(guān)系到造型美觀、防汛安全和結(jié)構(gòu)安全，并且國內(nèi)外無類似工程案例可循，因而成為本工程設(shè)計中備受關(guān)注的問題。為此，對上述問題進行了深入的理論計算分析和現(xiàn)場模擬試驗，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)接點示意見圖5。由于鋼結(jié)構(gòu)的造型影響，將天溝分為2個小的三角形天溝，選取其中一個典型天溝尺寸如圖6所示。
3.2計算方法
為簡化計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算見表1。由表1可以看出，罩棚的排水排至最低點的流速很大，可達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。相對于天溝深度25mm時，水流寬度為178mm；相對于天溝深度31mm時，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，水流主要集中在此三角形天溝內(nèi)，雨水不會溢出此區(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
由于本工程的設(shè)計難點集中在罩棚最高點徑向天溝與環(huán)形天溝的交匯處，因此在同濟大學水力實驗室設(shè)計了該區(qū)域1∶1局部試驗模型進行排水模擬試驗，見圖7。搭建該處徑向排水天溝，按照實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)計參數(shù)及試驗設(shè)備
(1)給水系統(tǒng)選用2臺流量為187m³/h，揚程為17m的水泵，1用1備。
(2)水源為實驗室內(nèi)的儲水水池（容積約為300m³），水源可通過實驗室內(nèi)地溝循環(huán)使用。
(3)試驗裝置高度4.5m，坡度50%，選用實際的膜材料鋪設(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)計的參數(shù)）。
(4)流量采用多普勒超聲流量計測定。該流量計為非接觸式測試，測量傳感器設(shè)置在給水系統(tǒng)的供水管上。
4.2試驗目的
(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)海口1年、3年、10年、50年重現(xiàn)期的雨水量，測定其水躍高度，核實雨水是否能翻越環(huán)向天溝擋板至看臺處，以及環(huán)向天溝擋板坡度對水躍高度的影響。天溝擋板設(shè)置角度見圖8，主要結(jié)果見表2。
由表2的數(shù)據(jù)可以看出，當擋板與地面夾角為105°時，雨水量為10年重現(xiàn)期時，即有水躍出天溝；當與地面夾角為90°時，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，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°。
試驗進一步分析產(chǎn)生這種狀況的原因，當環(huán)向天溝的擋板角度改變時，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)化為勢能，水流中的動能部分仍然很大，只不過水流方向轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，同時水流在膜內(nèi)側(cè)降落時，對正在流動的雨水產(chǎn)生干擾，進一步降低了水躍高度。其對比效果如圖9所示。
(2)試驗二，降低雨水水躍高度的另外一種方式是設(shè)置導流措施；在天溝內(nèi)設(shè)置導流措施，研究導流措施對水躍高度的影響。導流裝置見圖10。
在徑向天溝內(nèi)距末端擋板不同位置處設(shè)置該導流裝置后，水躍高度變化見表3。
由表3數(shù)據(jù)可見，增加該導流措施后，水躍的高度明顯減小，約為400mm，說明該導流措施對降低末端水躍有很好的效果；改變導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，由于水流對導流板有很大的沖擊作用，在膜表面安裝該導流措施很難實施，因此本工程導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；由于海口氣候條件的特殊性，與建筑專業(yè)確認環(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施。
試驗中選取的導流裝置寬度為700mm，導流角度約為45°，導流板的下方約10mm為通水區(qū)域（見圖10），小雨時雨水可通過此通道直接流走，膜不會集聚垃圾，同時也能降低導流裝置的受力。大雨時部分雨水（約為斷面1/3處水流最深部位）可通過導流板導流，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)試驗中也對徑向天溝的水流狀態(tài)進行了理論計算數(shù)值與實驗測得數(shù)據(jù)比較，如圖11所示。
從圖11中可以看出，對于水深的計算，理論計算與實際測得數(shù)據(jù)比較接近；而兩者在水流寬度方面存在較大差異，實際測得的水流寬度約為理論計算寬度的2倍。同時也可以看出，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°及增加導流裝置后，徑向的雨水很難躍過擋板至下側(cè)貴賓看臺處，此兩種方式對降低徑向雨水的水躍高度非常有效。
本試驗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)置導流板的方案可有效解決該問題，此試驗結(jié)論可為以后大坡度雨水設(shè)計提供設(shè)計參考。
由于試驗條件限制，試驗中存在一些不足，需要對此有興趣的單位做進一步詳細的分析研究。
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