雨水管渠的设计计算.ppt

第9章 雨水管网设计与计算,第9章 雨水管网设计与计算,91 雨量分析与暴雨强度公式92 雨水管网设计流量计算93 雨水管网设计与计算9.4 合流制管网设计与计算,1确定当地的暴雨强度公式或暴雨强度曲线；2划分排水流域，进行雨水管渠的定线；3划分设计管段，计算各设计管段雨水设计流量；4进行管渠的水力计算，确定各设计管段的管径、坡度、标高及埋深。5绘制管渠平面图及纵剖面图。,雨水管渠设计的主要内容包括：,91 雨量分析与暴雨强度公式,雨水设计流量是雨水管渠系统设计的依据。由于雨水径流的特点是流量大而历时短，因此应对雨量进行分析，以便经济合理地推算暴雨量和径流量，作为雨水管渠的设计流量。,9.1.1 雨量分析 降雨现象的分析，是用降雨量、暴雨强度、降雨历时、降雨面积和重现期等因素来表示降雨的特征。,1降雨量 降雨量是指降雨的绝对量，是用降雨深度 H（mm）表示，也可用单位面积上的降雨体积（L/ha）表示。在研究降雨时，很少以一场雨为对象，而常用单位时间表示：（1）年平均降雨量：指多年观测所得的各年降雨量的平均值。（2）月平均降雨量：指多年观测所得的各月降雨量的平均值。（3）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绝对量。,2降雨历时 是指连续降雨的时段，可以指一场雨全部的时间，也可以指其中个别的连续时段。用 t表示，单位以 min或 h计，从自计雨量记录纸上直接读得。,3降雨强度（暴雨强度）降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表示。,（mm/min）,在工程上统计的降雨多属暴雨性质，故称暴雨强度，常用单位时间内单位面积上的降雨体积 q（L/sha）表示。q与 i之间的换算关系为：,q167i式中 167-换算系数。,暴雨强度是描述暴雨特征的重要指标，也是确定雨水设计流量的重要依据。在任一场暴雨中，暴雨强度是随降雨历时变化的。所取的降雨历时长，则与该历时相对应的暴雨强度将小于短历时对应的暴雨强度。在推求暴雨强度公式时，降雨历时常采用5、10、15、20、30、45、60、90、120 min 9个时段。在分析暴雨资料时，必须选用对应各降雨历时的最大降雨量。由于在各降雨历时内每个时刻的暴雨强度也是不同的，所以计算出的各历时的暴雨强度称为最大平均暴雨强度。,4降雨面积和汇水面积（1）降雨面积是指降雨所笼罩的面积，即降雨的范围。（2）汇水面积是指雨水管渠汇集雨水的面积，用 F表示，以公顷或平方公里为单位（ha或km2）。,任一场暴雨在降雨面积上各点的暴雨强度是不相等的，但在城镇雨水管渠系统设计中，设计管渠的汇水面积较小，一般小于100 km2，其汇水面积上最远点的集水时间不超过60 min到120 min，这种较小的汇水面积，在工程上称为小汇水面积。在小汇水面积上可忽略降雨的非均匀分布，认为各点的暴雨强度都相等。,5降雨的频率和重现期,（1）暴雨强度的频率 某一大小的暴雨强度出现的可能性是不能预知的，只能通过对以往大量观测资料的统计分析，计算其发生的频率，才能推求其今后发生的可能性。某特定值暴雨强度的频率是指等于或大于该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：,%,n观测资料总项数m暴雨强度出现的次数,若每年只选一个雨样，称为年频率式,n=N，,%,N降雨观测资料的年数 若平均每年选入 M个雨样数，称为次频率式。,n=NM，,M每年选入的平均雨样数,这一定义是假定降雨观测资料年限非常长，可代表降雨的整个历史过程。但实际上是不可能的，只能取得一定年限内的暴雨强度值，因而n是有限的。按上式求得的暴雨强度的频率，只能反映一定时期内的经验，不能反映整个降雨的规律，故称为经验频率。因此，水文计算常采用公式 计算年频率，用公式 计算次频率。观测资料的年限愈长，经验频率出现的误差也就愈小。,我国现行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 a以上自计雨量记录。在自计雨量记录纸上，按降雨历时为 5、10、15、20、30、45、60、90、120 min，每年每个历时选择 68场最大暴雨记录，计算其暴雨强度值，然后不论年次，将每个历时的暴雨强度按大小次序排列，再从中选择资料年数的 34倍的最大值，作为统计的基础资料。,（2）暴雨强度的重现期 某特定值暴雨强度的重现期是指等于或大于该值的暴雨强度可能出现一次的平均间隔时间，一般用 P表示，以年为单位，按如下公式进行计算：,式中 P-暴雨强度的重现期（a）；N-资料记录的年限（a）；m-等于或大于某特定值的暴雨强度出现 的次数。,重现期 P与年频率 Pn互为倒数，即,912 暴雨强度公式,暴雨强度公式是在各地自计雨量记录分析整理的基础上，按照我国现行室外排水设计规范规定的方法推求出来的。暴雨强度公式是暴雨强度 i（或q）、降雨历时 t、重现期 P三者间关系的数学表达式，是雨水管渠的设计依据。我国常用的暴雨强度公式为：,式中 q 设计暴雨强度（L/sha）；P 设计重现期（a）；t 降雨历时（min）；A1、c、b、n 地方参数，根据统计方法计算确定。,我国给水排水设计手册第5册收录了我国若干城市的暴雨强度公式，统计时可直接选用。目前尚无暴雨强度公式的城镇，可借用附近气象条件相似地区城市的暴雨强度公式。,92 雨水管网设计流量计算921 地面径流与径流系数,1地面径流：在地面沿地面坡度流动的雨水，称 为地面径流。雨水管渠就是收集雨水地面径流量。2径流系数,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,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。,影响径流系数的因素主要有汇水面积的地面覆盖情况、地面坡度、地貌、建筑密度的大小、路面铺砌等。此外，还与降雨历时、暴雨强度及暴雨雨型有关。要精确确定 值，难度较大。目前在雨水管渠设计中，通常采用按地面覆盖种类确定的经验数值。,我国现行室外排水设计规范中规定的径流系数 值见下表：,径流系数值,在雨水管渠系统设计中，汇水面积通常是由各种性质的地面覆盖组成的，随着它们占有的面积比例变化，值也各异。因此整个汇水面积的径流系数应采用平均径流系数，其值是按各类地面面积用加权平均法计算求得，即：,式中 i 汇水面积上各类地面的面积（ha）；i相应于各类地面的径流系数；全部汇水面积（ha）。,也可采用区域的综合径流系数。一般市区的综合径流系数0.50.8，郊区的综合径流系数0.40.6。,922 断面集水时间与折减系数1集水时间指雨水从汇水面积上最远点流到设 计的管道断面所需时间。（min）2 式中 设计降雨历时（min）；t1 地面集水时间（min）；t2 管渠内雨水流行时间（min）；m 折减系数。,（1）地面集水时间 t1 的确定 地面集水时间是指雨水从汇水面积上最远点流到雨水口的地面流行时间。地面集水时间受地形坡度、地面铺砌、地面植被情况、距离长短等因素的影响，主要取决于水流距离的长短和地面坡度。在工程实践中，地面集水时间通常不予计算，一般采用515 min。,一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口布置较密的地区，宜采用较小值，取 t158 min。在建筑密度较小、地形较平坦、雨水口布置较疏的地区，宜采用较大值，取 t11015 min。同时，起点检查井上游地面雨水流行距离以不超过120150 m为宜。,应结合当地具体条件，合理地选定 t1值。t1选用过大，将会造成排水不畅，致使管道上游地面经常积水；选用过小，又将加大雨水管渠尺寸，从而增加工程造价。,（2）管渠内雨水流行时间 t2的确定t2 是指雨水在管渠内的流行时间，即：式中 t2 管渠内雨水流行时间（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的确定折减系数 m的提出原因如下：1）雨水管渠按满流设计，但降雨时，管渠中的水流并非一开始就达到设计流速，而是随着降雨历时的增长逐渐达到设计流速的。这样，按公式算出的管渠内流行时间 t2将比实际时间偏小。,2）雨水管渠内各设计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计算的，所以，各管段的最大流量不大可能在同一时间发生。当任一管段出现设计流量时，其他管段（特别是上游管段）不一定都是满流.,管渠内的有一部分空隙容量，可设想利用该空隙容量暂时贮存一部分雨水，起到调蓄管段内最大流量的作用，从而削减其高峰流量，减小管渠断面尺寸，降低工程造价。为了利用管道的这种调蓄能力，应使管内水流实际流速低于设计流速，故要延缓管内流行时间 t2。,考虑到以上两个原因，在设计降雨历时计算时引入了折减系数m，延缓了管内流行时间，使之更接近于实际情况，并达到折减管段设计流量，减小管渠断面尺寸的目的。规范规定：暗管 m=2，明渠 m=1.2，在陡坡地区的暗管 m1.22。,2例题,雨水从各汇水面积上最远点分别流入雨水口 a、b、c、d的地面集水时间均为1，并假设：1）汇水面积随集水时间的增加而均匀增加；2）降雨历时 t 等于或大于汇水面积上最远点的雨水流达设计断面的集水时间1；3）径流系数为定值。,（1）设计管段12的雨水设计流量 直到 t1时，F1全部面积上的雨水均已全部流到设计断面，这时管段12内流量达到最大值。,（L/s）,式中 q1 管段12的设计暴雨强度，即相应降雨历时 t1时的暴雨强度（L/sha）。,（2）设计管段23的雨水设计流量 该设计管段收集汇水面积 F1和 F2上的雨水，2断面为管段23的设计断面。当 t1+t 12时，F1和 F2全部面积上的雨水均流到2断面，管段23的流量达到最大值。即：,（L/s）,式中 q2 管段23的设计暴雨强度，即相应于降雨历时 t1+t 12的暴雨强度（L/s ha）；t 12 管段12的管内雨水流行时间（min）。,（3）设计管段34的雨水设计流量,（L/s）,式中 q3 管段34的设计暴雨强度，即相应于降雨历时 t1+t 12+t 23的暴雨强 度（L/sha）。t 23 管段23的管内雨水流行时间（min）。,（4）设计管段45的雨水设计流量,（L/s）,式中 q4 管段45的设计暴雨强度，即相应于降雨历时 t1+t 12+t 23+t 34的暴 雨强度（L/sha）。t 34 管段34的管内雨水流行时间（min）。,各设计管段的雨水设计流量应等于该管段所承担的全部汇水面积与该管段设计暴雨强度的乘积。各管段的设计暴雨强度就是以管段设计断面集水时间作为降雨历时所对应的暴雨强度。由于各管段的集水时间不同，所以各管段的设计暴雨强度也不同。,93 雨水管网设计与计算,9.3.1 雨水管网平面布置特点,1充分利用地形，就近排入水体,雨水管渠应尽量利用自然地形坡度布置，要以最短的距离靠重力流将雨水排入附近的池塘、河流、湖泊等水体中。,一般情况下，当地形坡度较大时，雨水干管布置在地形低处或溪谷线上；当地形平坦时，雨水干管布置在排水流域的中间，以便于支管接入，尽量扩大重力流排除雨水的范围。分散出水口：当管道将雨水排入池塘或小河时，水 位变化小，出水口构造简单，宜采用分散出水 口。就近排放管线短、管径小，造价低。集中出水口式：当河流等水体的水位变化很大，管道 的出水口离常水位较远时，出水口的构造就复 杂，因而造价较高，此时宜采用集中出水口式 布置形式。,2尽量避免设置雨水泵站 当地形平坦，且地面平均标高低于河流的洪水位标高时，需将管道适当集中，在出水口前设雨水泵站，经抽升后排入水体。尽可能使通过雨水泵站的流量减到最小，以节省泵站的工程造价和经常运行费用。,9.3.2 雨水管渠设计参数,（一）水力计算的基本公式,式中 Q 流量（m3/s）;过水断面面积（m2）；v 流速（m/s）；R 水力半径（m）；I 水力坡度；n 粗糙系数。,（二）水力计算的设计数据,1设计充满度 雨水中主要含有泥砂等无机物质，不同于城市污水的性质，加之暴雨径流量大，而相应较高设计重现期的暴雨强度的降雨历时较短。故管道设计充满度按满流考虑，即 h/D=1。明渠则应有不小于0.20 m的超高。,2设计流速 为避免雨水所挟带的泥砂等无机物在管渠内沉积下来而堵塞管道，我国设计规范规定满流时管道最小设计流速为0.75 m/s；明渠最小设计流速为0.4 m/s。为防止管壁受到冲刷而损坏，雨水管渠的最大设计流速为：金属管道为10 m/s；非金属管道为5 m/s；明渠按表采用。,明渠最大设计流速,9.3.3 雨水管渠断面设计,暗管：在城市市区或厂区内，由于建筑密度高，交通 量大，一般采用暗管排除雨水。特点：卫生条件好、不影响交通，造价高。明渠：在城市郊区，建筑密度较低，交通量较小的地 方，一般考虑采用明渠。特点：造价低；但明渠容易淤积，孳生蚊蝇，影响环境卫生，且明渠占地大，使道路的竖向规划和横断面设计受限，桥涵费用也增加。在地形平坦、埋设深度或出水口深度受限制的地区，可采用暗渠（盖板渠）排除雨水,3最小管径和最小设计坡度 雨水管道的最小管径为300 mm，相应的最小坡度为0.003；雨水口连接管的最小管径为200 mm，相应的最小坡度为0.01。,4最小埋深与最大埋深 在冰冻地区，雨水管道正常使用是在雨季，冬季一般不降雨，若该地区使雨水管内不贮留水，且地下水位较深时，其最小埋深则可不考虑冰冻影响，但应满足管道最小覆土厚度的要求。其它具体规定同污水管道。,9.3.4 雨水管网设计步骤,（一）划分排水流域，进行管道定线 根据城市总体规划图，按地形划分排水流域。在每一排水流域内，结合建筑物及雨水口分布，充分利用各排水流域内的自然地形，布置管道，使雨水以最短距离靠重力流就近排入水体。在总平面图上绘出各流域的主干管、干管和支管的具体位置。,（二）划分设计管段 根据管道的具体位置，在管道转弯、管径或坡度改变、有支管接入、管道交汇等处以及超过一定距离的直线管段上都应设置检查井。把两个检查井之间流量不变且预计管径和坡度也不变的管段定为设计管段。并从管段上游往下游依次进行检查井的编号。,（三）确定各设计管段的汇水面积 各设计管段汇水面积的划分应结合地形坡度、汇水面积的大小以及雨水管道布置等情况而划定。地形较平坦时，可按就近排入附近雨水管道的原则划分；地形坡度较大时，应按地面雨水径流的水流方向划分。并将每块面积进行编号，计算其面积并将数值标注在图上。汇水面积除包括街坊外，还应包括街道、绿地等。,（四）确定各排水流域的平均径流系数 通常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。也可根据规划的地区类别，采用区域综合径流系数。,（五）确定设计重现期 P 和地面集水时间 t1 结合地形特点、汇水面积的地区建设性质和气象特点确定设计重现期。各排水流域的设计重现期可相同，也可不同。根据设计地区的建筑密度、地形坡度和地面覆盖种类、街坊内是否设置雨水暗管等，确定雨水管道的地面集水时间。,（六）求单位面积径流量 q0 暴雨强度 q与径流系数的乘积，称为单位面积径流量 q0。即：,对于某一设计来说，式中P、t1、m、A1、b、c、n均为已知数，只要求得各管段的管内雨水流行时间 t2，就可求出相应于该管段的 q 0值。,（L/sha）,（七）管渠材料的选择 雨水管道管径小于或等于400 mm采用圆形断面的混凝土管，管径大于400 mm采用钢筋混凝土管。,（八）雨水管道的水力计算 列表进行雨水干管的水力计算，求得各设计管段的设计流量。并确定各设计管段的管径、坡度、流速、管内底标高及管道埋深等值。,（九）绘制雨水管道的平面图和纵剖面图 雨水管道平面图和纵剖面图的绘制方法和要求与污水管道相同,9.4 合流制管网设计与计算,9.4.1 合流制管网的使用条件和布置特点,1截流式合流制排水管渠的使用条件（1）排水区域内有一处或多处水源充沛的水体，其流量和流速都足够大，当一定量的混合污水排入后对水体造成的污染危害程度在允许的范围以内；,（2）街坊和街道的建设都比较完善，必须采用暗管（渠）排除雨水，而街道断面又较窄，管（渠）的设置位置受到限制时；（3）地面有一定的坡度倾向水体，当水体出现高水位时，岸边不受淹没。污水在中途不需要泵汲。,2布置特点（1）管渠的布置应使所有服务面积上的生活污水、工业废水和雨水都能合理地排入管渠，并能以最短的距离坡向水体。（2）沿水体岸边布置与水体平行的截流干管,在截流干管的适当位置设置溢流井,使超过截流干管截流能力的那部分混合污水能顺利地通过溢流井就近排入水体。,（3）合理地确定溢流井的数目和位置从对水体的污染情况看，合流制管渠系统中的初期雨水虽被截流，但溢流的混合污水总比一般雨水脏，为保护受纳水体，溢流井的数目宜少，其位置应尽可能设置在水体的下游。从经济上讲，溢流井过多，会提高溢流井和排放管渠的造价，特别是在溢流井离水体远，施工条件困难时更是如此。当溢流井的溢流堰口标高低于受纳水体的最高水位时，需在排放管渠上设置防潮门、闸门或排涝泵站。为减少泵站造价、减少对水体的污染和便于管理，溢流井应适当集中，不宜过多。,（4）在合流制管渠系统的上游排水区域内，如雨水可沿地面的道路边沟排泄，则该区域内可只设污水管道。只有当雨水不能沿地面排泄时，才考虑设置合流管渠。,9.42 截流式合流制排水管渠的设计流量,1第一个溢流井上游管渠的设计流量,第一个溢流井上游管渠的设计流量为设计生活污水量Qs、设计工业废水量 Qg和设计雨水量 Qy之和 Q=Q s+Q g+Q y=Q h+Q y,要求高的场合可取最大时生活污水量和最大生产班内的最大时工业废水量；一般情况下可取平均日生活污水量和最大班内平均日工业废水量。,Q s+Q g为晴天的设计流量，称为旱流流量 Qh。由于 Q h相对较小，Q 计算所得的管径、坡度和流速，应用旱流流量 Q h进行校核，检查管道在输送旱流流量时是否满足最小流速的要求。,2溢流井下游管渠的设计流量,溢流井下游管渠的雨水设计流量为：Q y=n0（Q s+Q g）+Q y 式中 Q y 溢流井下游汇水面积上的雨水设计流量，按相当于此汇水面积的集水时间求得。,溢流井下游管段的设计流量是雨水设计流量与生活污水设计流量及工业废水设计流量之和，即：,Q=n0（Q s+Q g）+Q y+Q s+Q g+Q h=（n0+1）（Q s+Q g）+Q y+Q h=（n0+1）Q h+Q y+Q h,式中 Q h 溢流井下游汇水面积上的生活污水设计流量与工业废水设计流量之和。,3从溢流井溢出的混合污水设计流量 当溢流井上游管段的设计流量超过溢流井下游管段的截流能力后，就会有一部分混合污水从溢流井处溢流泄出，通过排放渠道泄入水体。该溢流的混合污水设计流量为：Q=（Q s+Q g+Q y）（n0+1）Q h,截流式合流制排水管渠系统的设计计算实例,题意某城市一个区的截流式合流管道平面布置如图9-1，设计原始数据如下：该市的暴雨强度公式为q=10020(1+0.56P)/(t+36);1.设计重现期采用1a，地面集水时间t1=10min，该设计区域平均径流系数=0.45。2.设计人口密度为300人/ha，生活污水定额采用100L/(人d)。3.截流干管的截流倍数n0=3。4.管道起点埋深为1.70m。5.河流的平均洪水位为18.000m。6.各设计管段的管长、汇水面积和工业废水最大班的平均流量如表9-2所示。7.各检查井处的地面标高如表9-3所示。试进行管段1-6的水力计算。,图9-1 截流式合流管道平面布置图,解合流管道的水力计算与雨水管道的计算基本相同，只是它的设计流量要包括雨水、生活污水和工业废水。计算时，先划分设计管段及其汇水面积，计算每块面积的大小；再计算设计流量，包括雨水量、生活污水量和工业废水量；然后根据设计流量查满流的水力计算图见附录12-1附图13，得出设计管径和坡度；计算管内底标高和埋深；最后进行旱流流量校核。本例中采用的管道粗糙系数n=0.013，其水力计算结果如表9-4所示。,表9-2 设计管段的管长、汇水面积和工业废水量,表9-3 检查井处的地面标高,表9-4 截流式合流干管计算表,