第三章_雨水管渠系统的设计

中国地域辽阔 降雨量 空分布不均 东南沿海年平均降雨1600mm 西北内陆200mm以上 据推算 长江以南全年降雨量在同一面积上和全年的生化污水总量相近 而沿地面流入雨水管渠的雨水径流量仅约为降雨量的一半 降雨多集中在夏季 时间短 若不及时排除 会造成危害 第三章雨水管渠系统设计 雨水系统 雨水口 雨水管渠 检查井 出水口 任务 及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流 雨水管渠系统设计的主要内容 1 确定当地暴雨强度公式 2 划分排水流域 进行雨水管渠的定线 确定可能设置的调节池 泵站的位置 3 根据当地气象与地理条件 过程要求等确定设计参数 4 计算设计流量和进行水力计算 5 确定每一个设计管段的断面尺寸 坡度 管底标高及埋深 6 绘制管渠平面图和纵剖面图 雨水管渠系统组成 雨水口 雨水管渠 检查井 出水口 雨水管渠系统设计步骤 资料收集 确定暴雨强度公式 划分排水流域 进行管道定线 水力计算 绘制管渠平面图及剖面图 雨水管渠系统的特点 流量变化大 满流 3 1雨量分析与暴雨强度公式 一 雨量分析的要素 1 降雨量 指单位地面面积上 在一定时间内降雨的雨水体积 又称在一定时间内的降雨深度 用H mm 表示 也可用单位面积的降雨体积 L ha 表示 常用的降雨量统计数据计量单位有以下几种 年平均降雨量 指多年观测所得的各年降雨量的平均值 mm a 月平均降雨量 指多年观测所得的各月降雨量的平均值 mm 月 年最大日降雨量 指多年观测所得的一年中降雨量最大一日的降雨量 mm d 2 降雨历时 是指连续降雨的时段 可以指一场雨全部降雨的时间 也可以指其中个别的连续时段 用t表示 单位为min或h 3 暴雨强度 是指某一连续降雨时段内的平均降雨量 即单位时间的平均降雨深度 用i mm min 表示 i H t在工程上 常用单位时间内单位面积上的降雨体积q L s 公顷 表示 q 167i i与q两种表示方法的换算关系如下 1mm min 10 3 m3 m2 min 10 3 103L m2 min 1 L m2 min 1 L min m2 10000 L min hm2 10000 60 L s hm2 167 L s hm2 暴雨强度和降雨历时的关系 自动雨量计所记录的数据一般是每场雨的累积降雨量和降雨时间之间的对应关系 以降雨时间为横坐标 以累积降雨量为纵坐标 绘制的曲线称为降雨量累计曲线 在城市暴雨的推球过程中 经常采用的降雨历时为 5min 10min 15min 20min 30min 45min 60min 90min 120min 特大城市可以用到180min 最大平均暴雨强度 教材P65的表3 1 4 降雨面积 指降雨所笼罩的面积 5 汇水面积 指雨水管渠汇集雨水的面积 单位常用hm2或km2 任意场暴雨在降雨面积上各点的暴雨强度是不相等的 但是雨水管渠的汇水面积较小 因此可假设降雨在整个小汇水面积内的分布是均匀的 这样 雨量计所测得的点雨量资料可以代表整个小汇水面积的面雨量资料 6 暴雨强度的频率 是指在多次的观测中 等于或大于某值的暴雨强度出现的次数m与观测资料总项数n之比的百分数 即 Pn m n 100 式中 Pn 某值暴雨强度出现的频率m 将所有数据从大到小排序之后 某值暴雨强度所对应的序号n 降雨量统计数据的总个数n N Pn m n 100 m N 100 为年频率 n NM Pn m n 100 m NM 100 为次数频率 因此 水文计算常采用的公式为 Pn m n 1 100 6 暴雨强度的频率 n越大 参与统计的数据越多 根据上面公式计算来的经验频率就越能反映其真实的发生概率 故我国 室外排水设计规范 规定 在编制暴雨强度公式时 必须具有10年以上的自计雨量记录 且每年选择6 8场最大暴雨记录 计算各历时的暴雨强度值 将各历时的暴雨强度按照大小排列成数列 然后不论年次 按照由大到小的方向选择年数的3 4倍的个数作为统计的基础资料 Pn m n 1 100 某个暴雨强度的频率越小时 该暴雨强度的值就越大 7 暴雨强度的重现期 是指在多次的观测中 等于或大于某值的暴雨强度重复出现的平均时间间隔P 单位用年 a 表示 重现期与频率互为倒数 即P 1 Pn 某一暴雨强度的重现期等于P 是指在相当长的一个时间序列中 大于等于该暴雨强度的暴雨平均出现的可能性是1 P 重现期越大 降雨强度越大 在排水管网的设计中 如果使用较高的设计重现期 则计算的设计排水量就越大 排水管网系统的设计规模相应增大 排水通畅 但排水系统的建设投资就比较高 反之 则投资较小 但安全性差 确定设计重现期的因素有 排水区域的重要性 功能 淹没后果严重性 地形特点和汇水面积的大小等 一般情况下 低洼地段采用的设计重现期大于高地 干管采用的大于支管 工业区采用的大于居住区 市区采用的大于郊区 重现期的最小值不宜低于0 33年 一般选用0 5 3年 重要的干道 区域 一般选用2 5年 二 暴雨强度公式 式中 q 设计暴雨强度 L s 公顷 P 设计重现期 年 t 降雨历时 min A1 c b n 地方参数 根据统计方法进行确定 暴雨强度公式是反映暴雨强度q i 降雨历时t 重现期P三者之间的关系 是设计雨水管渠的依据 我国 室外排水设计规范 中规定 我国采用的暴雨强度公式的形式为 教材附录3 2收录了我国若干城市的暴雨强度公式 或参见 给水排水设计手册 第五册 可供计算雨水管渠设计流量时采用 目前 我国尚有一些城镇无暴雨强度公式 当这些城镇需要设计雨水管渠时 可选用附近地区城市的暴雨强度公式 3 2雨水管渠设计流量的确定 一 地面径流与径流系数1 产流过程 参见图示 降雨强度q大 地面径流量也大降雨强度q 入渗率 余水率 0 由于地面积水 仍有地面径流 一 地面径流与径流系数 2 径流系数 地面径流量与总降雨量的比值称为径流系数 其值小于1 降雨量地面渗水量 余水 两者之差 在地面开始积水 产生地面径流 3 径流系数 的确定地面径流系数的值与以下几个因素有关 汇水面积上的地面材料性质 地形地貌 植被分布 降雨历时 暴雨强度以及暴雨雨型有关 目前 在雨水管渠的设计中 通常按照地面材料性质确定径流系数的经验数值 我国排水设计规范中有关径流系数取值的规定见下表 不同地面的径流系数 值 如果汇水面积由不同的地面组合而成 整个汇水面积上的平均径流系数可按以下公式来求 av Fi i F 在工程设计中 经常采用区域综合径流系数近似代替平均径流系数 区域综合径流系数 国内各地区采用的综合径流系数见教材74页的表3 5 二 雨水管渠设计流量计算公式 式中 Q 雨水设计流量 L s 径流系数 其数值小于1 F 汇水面积 公顷 q 设计暴雨强度 L s 公顷 径流系数 的确定 按照地面材料性质确定径流系数的经验数值 汇水面积F 与降雨历时t有关 随着降雨历时的延长 参与径流的面积在增加 当全部流域参与径流时 进入雨水管渠中的流量就最大 暴雨强度q 与降雨历时t有关 随着降雨历时的延长 暴雨强度降低 关键在于采用降雨强度和汇水面积都是尽量大的降雨 三 流域上的汇流过程 当流域最边缘线上的雨水达到集流点A时 在A点汇集的流量其汇水面积扩大到整个流域 即全部流域面积参与径流 此时在A点产生最大流量 从流域上最远一点的雨水流至出口断面的时间称为流域的集流时间或集水时间 0 A t1 t2 t3 B C D E F G b c 0 当全流域参与径流时 A点产生的最大流量来自 0时段内的降雨量 在雨水管道的设计中 采用的降雨历时t 汇水面积最远点的雨水流达集流点的集流时间 0 此时暴雨强度 汇水面积都是相应的极限值 根据公式确定的流量应是最大值 这便是雨水管道设计的极限强度理论 极限强度理论 极限强度理论承认 暴雨强度随降雨历时的延长而减小的规律性 汇水面积随降雨历时的延长而增长的规律性 汇水面积随降雨历时的延长而增长的速度比暴雨强度随降雨历时的延长而减小的速度更快 t 0时 只有一部分面积参与径流 与t 0时相比较 此时暴雨强度大于t 0时的暴雨强度 但汇水面积小 根据公式计算得来的雨水径流量小于t 0时的径流量 t 0时 全部流域面积参与径流 与t 0时相比较 此时汇水面积没有增加 而暴雨强度小于t 0时的暴雨强度 根据公式计算得来的雨水径流量小于t 0时的径流量 极限强度理论包括两部分内容 1 当汇水面积上最远点的雨水流达集流点时 全面积产生汇流 雨水管道的设计流量最大 2 当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水流达集流点的集流时间时 雨水管道需排除的雨水量最大 在使用该式时 随着计算管段位置的不同 管渠的 值不同 汇水面积不同 从汇水面积最远端到计算断面处的集流时间 0是不同的 从而 相应于 0时的暴雨强度也是不同的 四 雨水管段的设计流量计算举例 图中 A B C为3块互相毗邻的区域 设面积FA FB FC 雨水从各块面积上的最远点分别流入设计断面1 2 3所需的集水时间均为 1 min 并设 1 汇水面积随降雨历时的增加而均匀的增加 2 降雨历时t等于或大于汇水面积最远点的雨水流达设计断面的集水时间 3 径流系数 为确定值 为讨论方便 假定其值等于1 求 图中各管段的设计流量 解 1 管段1 2的雨水设计流量Q1 2 1 q1 FA q1 FA其中 q1为降雨历时t 1时对应的暴雨强度 2 管段2 3的雨水设计流量Q2 3 2 q2 FA FB q2 FA FB 其中 q2为降雨历时t 1 t1 2时对应的暴雨强度 3 管段3 4的雨水设计流量Q3 4 3 q3 FA FB FC q3 FA FB FC 其中 q3为降雨历时t 1 t1 2 t2 3时对应的暴雨强度 习题 某雨水干管如图所示布置 各街区面积均为2 5ha 假定设计流量均从设计管段起点进入 已知当重现期为p 1a时 该地区的暴雨强度公式为 若径流系数 0 65 地面集水时间t1 10min 折减系数m 2 0 各设计管段长度和管内水流平均速度均标注在图中 试求管段1 2 2 3 3 4雨水设计流量各为多少l s 计算结果保留至小数点后一位有效数字 t t1 mt2 式中 t1 地面集水时间 指雨水从汇水面积上最远点流到第一个雨水口a的时间 m 折减系数 t2 雨水在管道内流行时间 五 集水时间t 0 的确定 集水时间由地面集水时间t1和管道内雨水流动的时间t2两部分之和组成 1 地面集水时间t1的确定 一般在建筑密度较大 地形较陡 雨水口分布较密的地区 t1可采用5 8min 在建筑密度小 地形平坦 雨水口稀疏的地区 t1可取10 15min 起点井上游地面流行距离以不超过120 150m为宜 根据 室外排水设计规范 规定 地面集水时间t1视距离长短 地形坡度和地面覆盖情况而定 一般采用5 15min 在设计过程中 应结合具体条件进行选定 如果选用过大 将会造成排水不畅 使管道上游地面经常积水 选用过小 将会造成雨水管渠尺寸加大 使工程造价增加 2 雨水在管道内流行时间t2 式中 L 上游各管段的管长 m v 各管段满流时的水流速度 m s 3 折减系数m的确定 雨水在管道内的实际流行时间与计算得出的流行时间不符 需要采用一个系数进行修正 此系数叫折减系数 引入折减系数的原因有二 一是雨水管道内不总是满流 按满流计算的流行时间小于雨水实际的流行时间 苏林系数 二是雨水管道的最大流量不大可能在同一时间发生 上游管道存在调蓄容积 管道调蓄利用系数 管段1 2的最大流量发生在 1时刻 根据最大流量确定出D1 2 管段2 3的最大流量发生在 1 t1 2时刻 我国 室外排水设计规范 规定 折减系数的采用为管道采用2 明渠采用1 2 陡坡地区管道采用1 2 2 在确定了集水时间t和重现期P后 雨水管渠的设计暴雨强度公式流量公式可改写成 雨水管渠的设计流量公式可改写成 六 雨水径流量的调节 1 雨水调节池的作用 1 有可能降低整个管系的造价 2 能使雨水沟道的设计有较大的灵活性 3 能改善合流制管系暴雨时的溢流水水质 2 雨水调节池的位置若有天然洼地 池塘 公园水池可用 则位置视自然条件而定 若采用筑坝 挖掘等方式建造调节池时 则要合理选择位置 雨水干管中游或有大流量管道的交汇处 正在进行大规模住宅建设和新城开发的区域 在拟建雨水泵站前 3 调节池的布置形式 六 雨水径流量的调节 溢流堰式 底部流槽式 4 调节池下游干管设计流量的计算若调节池下游干管无本段汇水面积的雨水进入时 其设计流量为Q Qmax Qmax 调节池上游干管的设计流量 下游干管设计流量的降低系数 六 雨水径流量的调节 若调节池下游干管有本段汇水面积的雨水进入时 其设计流量为Q Qmax Q Q 下游干管汇水面积上的雨水设计流量 一 雨水管渠系统平面布置的特点二 雨水管渠水力计算的设计参数三 雨水管渠水力计算的方法四 雨水管渠系统的设计步骤五 雨水管渠系统设计计算举例 3 3雨水管渠系统的设计和计算 1 充分利用地形 就近排入水体 一 雨水管渠系统平面布置的特点 地形坡度较大时 雨水干管宜布置在地面标高较低处 地形平坦时 雨水干管宜布置在排水流域的中间 当雨水管渠接入池塘或河道时 采用分散出水口式的管道布置 一 雨水管渠系统平面布置的特点 1 充分利用地形 就近排入水体 当河流水位变化很大 或管道出口离水体较远时 采用集中出水口式的管道布置 2 根据城市规划布置雨水管道 一 雨水管渠系统平面布置的特点 通常应根据建筑物的分布 道路布置 街区内部的地形等布置雨水管道 雨水管道的平面布置与竖向布置应考虑与其它地下构筑物的协调配合 见附录2 3 3 合理设置雨水口 保证路面雨水排除畅通 雨水口应根据地形以及汇水面积确定 一般来说 在道路交叉口的汇水点 低洼地段 道路直线段一定距离处 25 50m 均应设置雨水口 道路交叉口处雨水口的设置 凡是箭头相对的一定要设置雨水口 凡是箭头相背的不设雨水口 凡是箭头 或 可设可不设雨水口 4 雨水管渠应采用明渠或暗管 应结合具体条件确定在城市市区或工厂内 雨水管道采用暗管 在城郊 可考虑采用明渠 在每条雨水干管的起端 应尽可能采用道路边沟排除路面雨水 一 雨水管渠系统平面布置的特点 5 设置排洪沟排除设计区外的雨水或洪水 一 雨水管渠系统平面布置的特点 最小管径和最小设计坡度 雨水管最小管径为300mm 相应的最小坡度为0 003 雨水口连接管最小管径为200mm 最小坡度为0 01 二 雨水管渠水力计算的设计参数 1 设计充满度 管道按满流设计 h D 1 明渠应有 0 2m的超高 街道边沟应有 0 03m的超高 设计流速 最小流速0 75m s 明渠流最小流速为0 40m s 最大流速10m s 金属管 5m s 非金属管 明渠流最大流速按照表3 9选用 最大埋深与最小埋深 同污水管道的规定 在进行雨水管道水力计算时 各管段的设计流量为已知 雨水管网水力计算包括两方面内容 1 确定各管段的直径和坡度 流速 确定出的雨水管段直径和坡度 必须符合设计规范要求 即 计算得来的一定管径在一定坡度的敷设下 通过设计流量时 流速要满足最小流速 最大流速的要求 与污水管道的水力计算有不同 2 确定各管段始点和终点的埋设深度 水面标高 管底标高 处理好各管段之间的衔接设计同污水管道 三 雨水管渠水力计算的方法 三 雨水管渠水力计算的方法 确定管段的直径和坡度 应从上游管段开始 依次向下游管段计算 在具体计算时 设计流量Q和管道粗糙系数n已知 还有管径D 管道坡度I和流速v是未知的 因此需要先假定 个求其它两个 这样的数学计算非常复杂 而且经常要试算 为了简化计算 常采用水力计算图见 附图13 或水力计算表进行 Q v D n I 对水力计算图而言 粗糙系数n是已知的 图上的曲线表示的是Q v I D之间的关系 这四个因素中 只要确定两个因素 就可以通过图查出其它两个因素 计算时 Q为已知 只要再知道一个因素就可以查图计算了 通常情况下先假定坡度I 管道坡度I近似等于地面坡度 由Q和I 就可查图得出v D 复核v的规定 若符合 则该管段的D I v 即确定 若不符合 重新设定I或D进行计算 三 雨水管渠水力计算的方法 雨水管水力计算举例 已知n 0 013 设计流量Q 200L s 该管段地面坡度i 0 004 试计算该管段的管径D 管道坡度I 流速v A点 v 1 17m sD 400 500mm 设采用D 400mm的管道 与流量为200L s的竖线相交于B点 I 0 0092v 1 60m s不宜采用 设采用D 500mm的管道 与流量为200L s的竖线相交于C点 I 0 0028v 1 02m s 四 雨水管渠系统的设计步骤 1 划分排水流域 进行管道定线 四 雨水管渠系统的设计步骤 2 划分设计管段 设置检查井 确认设计节点并编号 3 划分并计算各设计管段的汇水面积 四 雨水管渠系统的设计步骤 当地形平坦时 根据就近排除的原则 划分汇水面积 等分角线划分 当地形有一定坡度时 根据雨水汇入低侧的原则 划分汇水面积 即按照地面雨水径流的方向划分 5 确定重现期P 地面集水时间t1 7 计算各管段的设计流量Q 并求出D v I及埋深等 8 绘制图纸 包括平面图和剖面图 四 雨水管渠系统的设计步骤 4 计算平均径流系数 av Fi i F也可采用区域综合径流系数 一般经验值为 城市0 5 0 8 郊区0 4 0 6 6 计算单位面积径流量q0 对一个具体的管段来说 只要求出该管段上游管段中雨水流行的时间 就可相应求出该管段的q0值 五 雨水管渠系统设计计算举例 已知某居住区平面图 地形西高东低 东面有一自南向北流的河流 河流常年洪水位14m 常水位12m 该市的暴雨强度公式给定 要求布置雨水管道并进行干管的水力计算 2 划分设计管段 设置检查井 确认设计节点并编号 计算各检查井的地面标高 计算各管段的长度 并将其填入表中 3 划分并计算各设计管段的汇水面积 按照就近排入附近管道的原则 并兼顾汇水面积的大小来划分 量测各汇水面积的大小 并填入下表 4 计算平均径流系数 参见教材P73的表3 3和公式3 7计算 通过计算得 0 5 5 确定重现期P 地面集水时间t1 以确定设计暴雨强度 确定重现期P 应根据地区建设性质确定 一般选用0 5 3年 对于重要的干道 立交道路的重要部分 重要地区或短期积水即能引起严重损失的地区 一般采用2 5年 本设计采用重现期 1年地面集水时间t1 采用10分钟 6 进行管段的水力计算 1 2 150 1 69 14 030 14 060 0 55 97 94 58 400 2 1 0 76 96 00 1 3 12 730 12 415 1 65 0 315 3 29 2 3 100 4 07 3 29 40 29 163 98 500 1 9 0 84 165 0 190 14 060 14 060 12 315 12 215 1 75 1 94 q0 q 0 5 500 1 1 38lgP 10 2 t2 0 65 250 10 2 t2 0 65 水力计算中应注意的问题 在计算中 碰到下游管段的设计流量小于上游管段的设计流量时 下游管段的设计流量应取上游管段的设计流量 2 支管与干管的计算是同时进行计算的 在支管与干管相交的检查井处 必然会有两个 t2和两个管低标高值 相交后的下游管段水力计算时 应采用大的 t2和小的管低标高值 3 在水力计算中 管道坡度变化不大时 随着流量的增大 流速应该是逐渐变大或不变 7 绘制雨水干管平面图和纵剖面图 本章复习思考题和习题 P117 思考题 2 3 4 5 6 7习题 1 2 3 4 一 防洪设计标准 为了准确合理地拟定工程规模而选定的计算洪峰流量的标准 称为防洪设计标准 洪水调查法 3 4排洪沟的设计与计算 二 设计洪峰流量的计算 自学 洪水调查法 推理公式法 经验公式法 三