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雨水管计算
第九章雨水管渠的设计计算
(一)教学要求:
1熟练掌握雨水设计流量的确定方法;
2、了解截流制合流式排水管渠的设计;
3、掌握管道平面图和纵剖面图的绘制。
(二)教学内容:
1雨量分析及暴雨强度公式;
2、雨水管网设计流量计算;
3、雨水管网设计与计算;
4、雨水径流调节;
5、排洪沟设计与计算;
6、合流制管网设计与计算。
(三)重点:
雨水管网设计计算、合流制管网设计计算。
第一节雨量分析及暴雨强度公式
、雨量分析
1.降雨量
/时间)/
降雨量指单位地面面积上在一定时间内降雨的雨水体积,其计量单位为(体积
面积。
由于体积除以面积等于长度,所以降雨量的单位又可以采用长度又称为单位时间内的降雨深度。
常用的降雨量统计数据计量单位有:
年平均降雨量:
指多年观测的各年降雨量的平均值,计量单位用月平均降雨量:
指多年观测的各月降雨量的平均值,计量单位用
最大日降雨量:
指多年观测的各年中降雨量最大的一日的降雨量,计量单位用mm/d。
2.雨量的数据整理
自记雨量计所记录的数据一般是每场雨的累积降雨量(mm)和降雨时间(min)之间
的对应关系,以降雨时间为横坐标和以累计降雨量为纵坐标绘制的曲线称为降雨量累积曲线。
降雨量累积曲线上某一点的斜率即为该时间的降雨瞬时强度。
将降雨量在该时间段内的
增量除以该时间段长度,可以得到描述单位时间内的累积降雨量,即该段降雨历时的平均降
雨强度。
3•降雨历时和暴雨强度
在降雨量累积曲线上取某一时间段t,称为降雨历时。
如果该降雨历
时覆盖了降雨的雨峰时间,则上面计算的数值即为对应于该降雨历时的暴雨强度,降雨历时区间取得越宽,计算得出的暴雨强度就越小。
暴雨强度用符号i表示,常用单位为mm/min,也可为mm/h。
设单位时间t内的平均降雨深度为H,则其关系为:
.H
i(9-1)
t
在工程上,暴雨强度亦常用单位时间内单位面积上的降雨量q表示,单位用(L/s)/hm2。
采用以上计量单位时,由于1mm/min=l(L/m2)/min=10000(L/min)/hm2,可得i和
q之间的换算关系为:
(9-2)
q
式中q—降雨强度,(L/s)/hm2;
i—降雨强度,mm/min。
就雨水管渠设计而言,有意义的是找出降雨量最大的那个时段内的降雨量。
因此,暴雨
强度的数值与所取的连续时间段t的跨度和位置有关。
在城市暴雨强度公式推求中,经常采
用的降雨历时为5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min等9个历时数值,特大城市可以用到180min。
4•暴雨强度频率
对应于特定降雨历时的暴雨强度的出现次数服从一定的统计规律,可以通过长期
的观测数据计算某个特定的降雨历时的暴雨强度出现的经验频率,简称暴雨强度频率。
5•暴雨强度重现期
工程上常用比较容易理解的“重现期”来等效地替代较为抽象的频率概念。
重现期的定义是指在多次的观测中,事件数据值大于等于某个设定值重复出现的平均间隔年数,单位为
年(a)。
重现期与经验频率之间的关系可直接按定义由下式表示:
1
p(9-6)
Pn
二、暴雨强度曲线与暴雨强度公式
1.暴雨强度曲线
2•暴雨强度公式
《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:
(9-9)
167A(1cigp)
(tb)n
q—设计暴雨强度,(L/s)p—设计重现期,a;
t—降雨历时,min。
三、降雨面积和汇水面积
降雨面积是指每一场降雨所笼罩的地面面积。
汇水面积是指雨水管渠所汇集和排除雨水
的地面面积,用F表示,常以公顷hm2或平方公里km2为单位。
第二节雨水管渠设计流量的确定
QqF
一、雨水设计流量计算公式雨水管渠的设计流量按下式计算:
(9-12)
式中Q—雨水设计流量,L/s;
—径流系数,径流量和降雨量的比值,其值小于1;
F—汇水面积,hm2;
q—设计暴雨强度(L/s•hm2)。
假定:
(1)暴雨强度在汇水面积上的分布是均匀的;
(2)单位时间径流面积的增长
为常数;(3)汇水面积内地面坡度均匀;(4):
地面不透水,1。
二、雨水管段设计流量的计算
在图9-6中,1、n、川、W为相毗邻的四个街区。
设汇水面积F1=Fn=Frn=Fw,雨
水从各块面积上最远点分别流入雨水口所需的集水时间均为t(min)。
1〜2、2〜3、3〜4、
4〜5分别为设计管段,试确定各设计管段的雨水流量。
图9-6雨水管道设计管段流量计算示意图
从图9-6可知,四个街区的地形均为北高南低,道路是西高东低,雨水管道沿道路中心线敷设,道路断面呈拱形为中间高,两侧低。
降雨时,降落在地面上的雨水顺着地形坡度流
到道路两侧的边沟中,道路边沟的坡度和地形坡度相一致。
雨水沿着道路的边沟流到雨水口
经检查井流入雨水管道。
I街区的雨水(包括路面上雨水),在1号检查井集中,流人管段1〜
2。
n街区的雨水在2号检查井集中,并同I街区经管段1〜2流来的雨水汇合后流入管段2〜
3。
川街区的雨水在3号检查井集中,同I街区和n街区流来的雨水汇合后流入管段3〜4。
其他依次类推。
已知管段1〜2的汇水面积为Fi,检查井1为管段1〜2的集水点。
由于汇水面积上各点离集水点1的距离不同,所以在同一时间内降落到Fi面积上各点的雨水,就不可能同时到达集水点1,同时到达集水点1的雨水则是不同时间降落到地面上的雨水。
集水点同时能汇集多大面积上的雨水量,和降雨历时的长短有关。
如雨水从降雨面积最
远点流到集水点1所需的集水时间为20(min),而这场降雨只下10(min)就停了,待汇水面积上的雨水流到集水点时,降落在离集水点1附近面积上的雨水早已流过去了。
也就是说,同时到达集水点1的雨水只能来自F1中的一部分面积,随着降雨历时的延长,就有愈
来愈大面积上的雨水到达集水点1,当恰好降雨历时t=20(min)时,则第1(min)降落在最远点的雨水与第20(min)降落在集水点1附近的雨水同时到达,这时,集水点1处的径流量达到最大。
通过上述分析可知,汇水面积是随着降雨历时t的增长而增加,当降雨历时等于集水时间时,汇水面积上的雨水全部流到集水点,则集水点产生最大雨水量。
为便于求得各设计管段相应雨水设计流量,作几点假设:
(1)汇水面积随降雨历时的增加而均匀增加;
(2)降雨历时大于或等于汇水面积最远点的雨水流到设计断面的集水时间(t
>T0);(3)地面坡度的变化是均匀的,径流系数为定值,且=1.0o
1.管段1〜2的雨水设计流量的计算
管段1〜2是收集汇水面积Fi(hm2)上的雨水,设最远点的雨水流到1断面的时间为
(min),只有当降雨历时t=时,Fi全部面积的雨水均已流到1断面,此时管段1〜2内
流量达到最大值。
因此,管段1〜2的设计流量为:
Q1~2Flq1(L/S)
式中q1—管段1〜2的设计暴雨强度,即相应于降雨历时t=时的暴雨强度,(L/s・hm2)o
2.管段2〜3的雨水设计流量计算
当t=时,全部Fn和部分Fi面积上的雨水流到2断面,此时管段2〜3的雨水流量不是最大。
只有当t=+t1-2时,Fi和Fn全部面积上的雨水均流到2断面,此时管段2〜3
雨水流量达到最大值。
设计管段2〜3的雨水设计流量为:
Q2~3(FiFn)q2(L/s)
式中q2—管段2〜3的设计暴雨强度,是用(Fi+Fn)面积上最远点雨水流行时间
求得的降雨强度。
即相应于t=T+t1-2的暴雨强度,(L/s-hm2);
t1-2—管段1〜2的管内雨水流行时间,mino
同理可求得管段3〜4及4〜5的雨水设计流量分别为:
Q3~4(FiFnFm)q3~4
Q4~5(FiFnF皿F)q4~5
式中q3、q4—分别为管段3〜4、4〜5的设计暴雨强度,即相应于是用t=+t1-2+t2-3和
t=+t1-2+t2-3+t3-4的暴雨强度,(L/s-hm2);
t2-3、t3-4—分别为管道2〜3、3〜4的管内雨水流行时间,mino
由上可知,各设计管段的雨水设计流量等于该管段所承担的全部汇水面积和设计暴雨强度的乘积。
各设计管段的设计暴雨强度是相应于该管段设计断面的集水时间的暴雨强度,因为各设计管段的集水时间不同,所以各管段的设计暴雨强度亦不同。
在使用计算公式QqF时,应注意到随着排水管道计算断面位置不同,管道的计算汇水面积也不同,从汇水面积最远点到不同计算断面处的集水时间(其中也包括管道内雨水流行时间)也是不同的。
因此,在计算平均暴雨强度时,应采用不同的降雨历时ti。
根据上述分析,雨水管道的管段设计流量,是该管道上游节点断面的最大流量。
在雨水管道设计中,应根据各集水断面节点上的集水时间ti正确计算各管段的设计流量。
第三节雨水管道设计数据的确定
一、径流系数的确定
表示,即:
(9-13)
雨水径流量与总降雨量的比值称为径流系数,用符号径流量降雨量
根据定义,其值小于1。
影响径流系数的因素很多,如汇水面积上地面覆盖情况、建筑物的密度与分布地形、
地貌、地面坡度、降雨强度、降雨历时等。
其中影响的主要因素是汇水面积上的地面覆盖情
况和降雨强度的大小。
目前,在设计计算中通常根据地面覆盖情况按经验来定。
《室外排水
设计规范》GB50101-2005中有关径流系数的取值见表9-3。
径流系数值
表9-3
地面种类
径流系数值
各种屋面、混凝土和沥青路面
0.85〜0.95
大块铺砌路面和沥青表面处理的碎石路面
0.55~0.65
级配碎石路面
0.40~0.50
干砌砖石和碎石路面
0.35〜0.45
非铺砌土路面
0.25〜0.35
公园和绿地
0.10〜0.20
实际设计计算中,在同一块汇水面积上,兼有多种地面覆盖的情况,需要计算整个汇水
面积上的平均径流系数av值。
刀Fii
av(9-14)
F
式中av-汇水面积上的平均径流系数;
Fi-汇水面积上各类地面的面积,hm2;
i-相应于各类地面的径流系数;
F—全部汇水面积,hm2。
[例9.1]某小区各类地面Fi及i值见表9-4,试求该小区平均径流系数av值。
[解]由表9-4求得F刀Fi5.0(hm2),则:
刀(FJ
av―F—
1.60.90.80.90.80.40.90.30.90.15
0.577
5
某小区平均径流系数计算表
表9.4
地面种类
面积F(hm2)
采用j值
屋面
1.6
0.90
沥青道路及人行道
0.8
0.90
圆石路面
0.8
0.40
非铺砌土路面
0.9
0.30
绿地
0.9
0.15
合计
5.0
0.577
在设计中可采用区域综合径流系数。
国内部分城市采用的综合径流系数值见表9-5。
国内部分城市采用的综合径流系数表9-5
城市
综合径流系数
城市
综合径流系数
上海
一般0.50〜0.60,最大0.80,新建小
区0.40〜0.44,某工业区0.40〜0.50
北京
建筑极稠密的中心区0.70
建筑密集的商业、居住区0.60
城郊一般规划区0.55
无锡
一般0.50,中心区0.70〜0.75
西安
城区0.54,郊区0.43〜0.47
常州
0.55~0.60
齐齐哈尔
0.30〜0.50
南京
0.50〜0.70
佳木斯
0.30〜0.45
杭州
小区0.60
哈尔滨
0.35〜0.45
宁波
0.50
吉林
0.45
长沙
0.60~0.90
营口
郊区0.38,市区0.45
重庆
一般0.70,最大0.85
白城
郊区0.35,市区0.38
沙市
0.60
四平
0.39
成都
0.60
通辽
0.38
广州
0.50~0.90
浑江
0.40
济南
0.60
唐山
0.50
天津
0.30〜0.90
保定
0.50〜0.70
兰州
0.60
昆明
0.60
贵阳
0.75
西宁
半建成区0.30,基本基本建成区0.50
一般城市市区的综合径流系数采用0.5〜0.8,城市郊区的径流系数采用0.4
0.6。
随着各城市规模的不断扩大,不透水的面积亦迅速增加,在设计时,应从实际情况考
虑,综合径流系数可取较大值。
《室外排水设计规范》GB50101-2005推荐的城市综合径流系
数取值见表9-6。
城市综合径流系数表9-6
区域情况
值
城市建筑密集区
0.60〜0.85
城市建筑较密集区
0.45〜0.60
城市建筑稀疏区
0.20〜0.45
二、设计暴雨强度的确定
1.设计重现期p的确定
一般情况下,低洼地段采用的设计重现期应大于高地;干管采用的设计重现期应大于支
管;工业区采用的设计重现期应大于居住区。
市区采用的设计重现期应大于郊区。
设计重现期p的最小值不宜低于0.33a,—般地区选用0.5〜3a,对于重要干道或短期积水可能造成严重损失的地区,一般选用3〜5a,并应与道路设计相协调。
特别重要的地区,
可根据实际情况采用较高的设计重现期。
在同一设计地区,可采用同一重现期或不同重现期。
2.设计降雨历时的确定
对于雨水管道某一设计断面来说,集水时间t是由地面雨水集水时间右和管内雨水流行
时间t2两部分组成(如图9-7所示)。
所以,设计降雨历时可用下式表达:
(9-15)
图9-7设计断面集水时间示意图
式中t—设计降雨历时,min;
ti—地面雨水集水时间,min;
t2—设计管段管内雨水流行时间,min;
m—折减系数,暗管m2,明渠m1.2,陡坡地区暗管采用1.2〜2。
(1)地面雨水集水时间t1的确定
地面雨水集水时间t1是指雨水从汇水面积上最远点A到第1个雨水口a的地面雨水流行时间。
地面雨水集水时间t1的大小,主要受地形坡度、地面铺砌及地面植被情况、水流路程的
长短、道路的纵坡和宽度等因素的影响,这些因素直接影响水流沿地面或边沟的流行速度。
其中,雨水流程的长短和地面坡度的大小,是影响集水时间最主要的因素。
根据《室外排水设计规范》中规定:
一般采用5~15min。
按经验,一般在汇水面积较
小,地形较陡,建筑密度较大,雨水口分布较密的地区,宜采用较小的右值,可取
ti5~8min左右,而在汇水面积较大,地形较平坦,建筑密度较小,雨水口分布较疏的地区,宜采用较大值,可取t110~15min。
起点检查井上游地面雨水流行距离以不超过
120〜150m为宜。
(2)管内雨水流行时间t2的确定
管内雨水流行时间t2是指雨水在管内从第一个雨水口流到设计断面的时间。
它与雨水在管内流经的距离及管内雨水的流行速度有关,可用下式计算:
t2刀—(9-16)
60v
式中t2—管内雨水流行时间,min;
L—各设计管段的长度,m;
v—各设计管段满流时的流速,m/s;
60—单位换算系数。
(3)折减系数m值的确定
管道内的水流速度也是由零逐渐增加到设计流速的。
雨水在管内的实际流行时间大于设计水流时间。
此外,雨水管道各管段的设计流量是按照相应于该管段的集水时间的设计暴雨强度来设计计算的。
因此在一般情况下,各管段的最大流量不大可能在同一时间内发生。
折减系数实际是苏林系数和管道调蓄利用系数两者的乘积,所以折减系数m2.0。
为使计算简便,《室外排水设计规范》中规定:
暗管采用m2.0。
对于明渠,为防止雨
水外溢的可能,应采用m1.2。
在陡坡地区,不能利用空隙容量,暗管采用m1.2~2.0。
综上所述,当设计重现期、设计降雨历时、折减系数确定后,计算雨水管渠的设计流量所用的设计暴雨强度公式及流量公式可写成:
(9-17)
(9-18)
167A1cigp
n
t1mt2b
167A11cigp
t1mt2
式中q—设计暴雨强度,(L/s)/hm2;
Q—雨水设计流量,L/s;
—径流系数,其值小于1;
F—汇水面积,hm2;
p—设计重现期,a;
t|—地面集水时间,min;
t2—管渠内雨水流行时间,min;
m—折减系数;
A1>c、b、n—地方参数。
对于雨水设计管段i的流量计算公式可写为:
式中Qi—第i管段雨水设计流量,L/s;
Fi—第i管段所承担的汇水面积,hm2;
i-第i管段所承担的汇水面积上的径流系数。
其他符号意义同上。
三、单位面积径流量的确定
单位面积径流量q0是暴雨强度q与径流系数的乘积,即:
流量为:
q°F
四、雨水管渠水力计算设计参数
1.
设计充满度
沟,超高应大于等于0.3m。
2.
设计流速
渠内发生淤积后易于清除、疏通,所以可采用较低的设计流速,
0.4m/s。
为防止管壁及渠壁因冲刷而损坏,雨水管道最大设计流速为:
金属管道为10m/s,非金
属管道为4m/s,明渠最大设计流速则根据其内壁材料的抗冲刷性质,按设计规范选用。
见
表9-9。
明渠最大设计流速表9-9
明渠类别最大设计流速(m/s)明渠类别最大设计流速(m/s)
粗砂或低塑性粉质粘土
0.8
草皮护面
1.6
粉质粘土
1.0
干砌石块
2.0
粘土
1.2
浆砌石块或浆砌砖
3.0
石灰岩或中砂岩
4.0
混凝土
4.0
3.最小管径
《室外排水设计规范》中规定,在街道下的雨水管道,最小管径为300mm,雨水口连
接管最小管径为200mm。
4.最小坡度
关于雨水管道最小设计管径和最小坡度的规定,见表9-10。
雨水管道最小管径和最小坡度
表9-10
管道类别
最小管径(mm)
最小设计坡度
雨水管道和合流管道
300
0.002
雨水口连接管道
200
0.01
5.最小埋深与最大埋深
具体规定与污水管道相同。
6.管渠的断面形式
雨水管渠一般采用圆形断面,当直径超过2000mm时也采用矩形、半椭圆形或马蹄形
断面,明渠一般采用梯形断面。
五、雨水管道水力计算方法
雨水管道水力计算仍按均匀流考虑,其水力计算公式与污水管道相同。
但按满流计算,即:
h/D=1。
在设计计算中,常采用根据式3-19、3-20绘制成的水力计算图(见附录9-1)或水力计
算表(见表9-11)。
在工程设计中,通常是在选定管材后,n值即为已知数,雨水管道通常
算后求得的已知数。
因此只剩下3个未知数D、v及i。
在实际应用中,可参考地面坡度假
定管底坡度,并根据设计流量值,从水力计算图或水力计算表中求得D及v值,并使所求
得的D、v、i值符合水力计算基本参数的规定。
[例9-2]已知:
钢筋混凝土圆管,充满度hD1,粗糙度n=0.013,设计流量
[解]
(1)采用圆管满流,n0.013钢筋混凝土管水力计算图,见图9-10
图9-10钢筋混凝土园管水力计算图
(2)在横坐标上找出Q200L/s点,向上作垂线,与坡度I0.004相交于点A,在
A点可得到V1.17m/s,其值符合规定。
而D值介于400〜500mm之间,不符合管材规格的要求。
需要调整管径D。
(3)当采用D=400mm时,贝UQ=200L/s的垂线于D=400斜线相交于点B,从图中得到v=1.60m/s,符合规定,而1=0.0092与地面坡度1=0.004相差很大,势必增大管道埋深,不宜采用。
(4)如果采用D=500mm时,贝UQ=200L/s的垂线于D=400斜线相交于点C,从图中得出v=1.02m/s,I=0.0028。
此结果既符合水力计算要求,又不会增大管道埋深。
六、雨水管渠断面设计
采用暗管或是明渠排除雨水,直接涉及到工程投资、环境卫生及管渠养护管理等方面的问题,在设计时,应因地制宜,结合具体条件确定。
七、雨水管渠的设计方法和步骤
雨水管渠的设计通常按以下步骤进行:
1.收集并整理设计地区各种原始资料(如地形图、排水工程规划图、水文、地质、暴雨等)作为基本的设计数据。
2.划分排水流域,进行雨水管道定线
3.划分设计管段
4.划分并计算各设计管段的汇水面积
5.根据排水流域内各类地面的面积数或所占比例,计算出该排水流域的平均径流系数。
另外,也可根据规划的地区类别,采用区域综合径流系数。
6.确定设计重现期p及地面集水时间ti
设计时,应结合该地区的地形特点、工程建设性质和气象条件选择设计重现期p,各排
水流域雨水管道的设计重现期可选用同一值,也可选用不同值。
根据设计地区建筑密度情况、地形坡度和地面覆盖种类、街坊内是否设置雨水管渠,确定雨水管道的地面集水时间ti。
7.确定管道的埋深与衔接
根据管道埋设深度的要求,必须保证管顶的最小覆土厚度,在车行道下时一般不低于
0.7m,此外,应结合当地埋管经验确定。
当在冰冻层内埋设雨水管道,如有防止冰冻膨胀破坏管道的措施时,可埋设在冰冻线以上,管道的基础应设在冰冻线以下。
雨水管道的衔接,宜采用管顶平接。
8.确定单位面积径流量qo
9.
qo是暴雨强度与径流量系数的乘积,称为单位面积径流量,即:
10.管渠材料的选择
雨水管道管径小于或等于400mm,采用混凝土管,管径大于400mm,采用钢筋混凝土
管。
11.设计流量的计算
根据流域具体情况,选定设计流量的计算方法,计算从上游向下游依次进行,并列表计
算各设计管段的设计流量。
12.进行雨水管渠水力计算,确定雨水管道的坡度、管径和埋深
计算并确定出各设计管段的管径、坡度、流速、管底标高和管道埋深。
13.绘制雨水管道平面图及纵剖面图
绘制方法及具体要求与污水管道基本相同。
八、雨水水管渠设计计算实例
[例9-3]某市居住区部分雨水管道布置如图9-13所示。
地形西高东低,一条自西向
东流的天然河流分布在城市的南面。
该城市的暴雨强度公式为:
图9-13某市居住区部分雨水管道布置
1.40m。
各类地
该街区采用暗管排除雨水,管材采用圆形钢筋混凝土管。
管道起点埋深
地面种类
面积f
采用径流系数i
F
屋面
1.2
0.9
1.08
沥青路面及人行道
0.7
0.9
0.63
圆石路面
0.5
0.4
0.20
土路面
0.8
0.3
0.24
草地
0.8
0.15
0.12
合计
4.0
2.27
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