第9章--雨水管渠系统设计计算

第9章雨水管渠系统设计计算9．1雨量分析与暴雨强度公式9．2雨水管渠设计流量计算9．3雨水管渠设计与计算9.4雨水径流调节9.5城市防洪设计9.6合流制排水管渠的设计计算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：9．1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。（3）．降雨历时和降雨强度（暴雨强度）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。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。iHt（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/s·ha）表示。q与i之间的换算关系为：q＝167i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、120min9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）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。1nmFm（5）暴雨强度重现期•暴雨强度重现期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)。mFP1一般情况下，低洼地段采用的设计重现期大于高地；干管采用的设计重现期大于支管，工业区采用的设计重现期大于居住区；市区采用的设计重现期大于郊区。重现期的最小值不宜低于0.33年；重要干道、重要立交路口或短期积水即能引起较严重损失的地区，选用的重现期可达10～20年。在同一排水系统中可采用同一重现期或不同重现期。重现期一般采用0.5～3年，重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般采用3～5年，并应与道路设计协调。特别重要的地区或次要地区可根据实际情况酌情增减。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100km2，其汇水面积上最远点的集水时间不超过60min到120min，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：Pmnn100%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，PmNn100%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=N·M，PmNMn100M——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。PmNn1100PmNMn1100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10a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、120min，每年每个历时选择6～8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3～4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：PNm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。PPn1重现期P与年频率Pn互为倒数，即9．1．2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：qAcPtbn16711lg式中q——设计暴雨强度（L/s·ha）；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。9．2雨水管网设计流量计算9．2．1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1降雨量径流量降雨量地面渗水量，雨水被地面吸收降雨量地面渗水量，余水（两者之差）在地面开始积水，产生地面径流时间余水量余水率时间地面渗水量入渗率1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ψ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ψ值见下表：径流系数ψ值地面种类ψ值各种屋面、混凝土和沥青路面0.90大块石铺砌路面和沥青表面处理的碎石路面0.60级配碎石路面0.45干砌砖石和碎石路面0.40非铺砌土路面0.30公园或绿地0.15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，ψ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：aviiFF式中Ｆi——汇水面积上各类地面的面积（ha）；ψi——相应于各类地面的径流系数；Ｆ——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ψ＝0.5～0.8，郊区的综合径流系数ψ＝0.4～0.6。9．2．2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。（新规范已取消）21tt（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5～15min。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t1＝5～8min。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t1＝10～15min。同时，起点检查井上游地面雨水流行距离以不超过120～150m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。iivLt602（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m＝1.2～2。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τ1，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τ1；3）径流系数ψ为定值。（1）设计管段1～2的雨水设计流量直到t＝τ1时，F1全部面积上的雨水均已全部流到设计断面，这时管段1～2内流量达到最大值。1121FqQ（L/s）式中q1——管段1～2的设计暴雨强度，即相应降雨历时t＝τ1时的暴雨强度（L/s·ha）。（2）设计管段2～3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2～3的设计断面。当t＝τ1+t1－2时，F1和F2全部面积上的雨水均流到2断面，管段2～3的流量达到最大值。即：21232FFqQ（L/s）式中q2——管段2～3的设计暴雨强度，即相应于降雨历时t＝τ1+t1－2的暴雨强度（L/s·ha）；t1－2——管段1～2的管内雨水流行时间（min）。（3）设计管段3～4的雨水设计流量321343FFFqQ（L/s）式中q3——管段3～4的设计暴雨强度，即相应于降雨历时t＝τ1+t1－2+t2－3的暴雨强度（L/s·ha）。t2－3——管段2～3的管内雨水流行时间（min）。（4）设计管段4～5的雨水设计流量4321454FFFFqQ（L/s）式中q4——管段4～5的设计暴雨强度，即相应于降雨历时t＝τ1+t1－2+t2－3+t3－4的暴雨强度（L/s·ha）。t3－4——管段3～4的管内雨水流行时间（min）