搜索
第四章城镇雨水沟道的设计第一节雨水径流量的计算雨水沟道和合流沟道的设计以降雨量为基础，其设计流量为雨水径流量。一．雨水流量公式(4-1)式中：qv—雨水沟道的设计流量(L／s)A—排水面积(ha)i—降雨强度(mm／min)q—设计降雨强度(L/s·ha)K—单位换算系数，等于167—径流系数，其值小于1qAiAKqv二．暴雨强度公式暴雨强度q一般按下面公式计算：（4-2）式中：q一设计降雨强度(L/s·ha)P—设计降雨重现期（年）A1—重现期为一年的设计降雨的雨力C—雨力变动参数。反映设计降雨各历时不同重现期的强度变化程度（即呈现在单对数格纸上的斜率=ip=1C）t—降雨历时（分钟）b—历时附加参数n—历时指数b、n两个参数联用，共同反映同重现期的设计降雨随历时延长其强度递减变化的情况。不同城市的暴雨强度公式可查阅《给排水设计手册》城市排水分册。马鞍山市的暴雨强度公式为：（参照芜湖地区）（4-3）nbtPCAq)()lg1(167183.0)12()lg78.01(3345tPq图4-1安徽省部分地区的暴雨强度公式三．基本参数的确定1．设计降雨的重现期设计降雨的重现期系根据地形特点和地区建设性质（居住区、中心区、工厂区、干道、广场等）两项主要因素确定，一般按下表确定（选自《给排水设计手册》城市排水分册）：设计降雨的重现期地形分级重现期P的选用范围（年）说明Ⅰ平缓地形0.333、0.5、1、2Ⅱ谷线地形0.5、1、2、3Ⅲ封闭洼地1、2、3、5、个别10、202．设计降雨历时一场暴雨经历的整个时段称阵雨历时；阵雨过程中任一连续的时段则称降雨历时。阵雨历时和降雨历时常用分钟计算。雨水管渠的设计降雨历时包括地面集水时间和管渠内流行的时间两部分，计算公式为：（4-4）式中：t—设计降雨历时，min；t1—地面集水时间，min；t2—管渠内流行时间，min；m—延缓系数（也称折减系数），暗管m=2，明渠m=1.2。21mttt（1）地面集水时间的确定地面集水时间：是管渠起点断面在设计重现期、设计历时降雨的条件下达到设计流量的时间，确定这个时间，要考虑地面集水距离、汇水面积、地面覆盖、地面坡度和降雨强度等因素。在地面坡度皆属平缓、地面覆盖互相接近、降雨强度都差不多的情况下(我国多数平原大中城市即属这种情况)，地面集水距离成为主要因素。从汇水量上考察，平坦地形的地面集水距离的合理范围是50～150米，比较适中的是80～120米。以图4-2为例。图4-2地面集水时间计算示意图1一房屋，2一屋面分水线，3一道路边沟,4一雨水管,5一道路图中箭头表示水流方向。雨水从汇水面积上最远点的房屋屋面分水线A点流到雨水口的地面集水时间通常是由下列流行路程的时间所组成:a.从屋面A点沿屋面坡度经屋檐下落到地面散水坡的时间，通常为0.3～O.5min。b.从散水坡沿地面坡度流入附近道路边沟的时间.c.沿道路边沟到雨水口a的时间。地面集水时间受地形坡度、地面铺砌、地面种植情况、水流路程、道路横坡和宽度等因素的影响，这些因素直接决定着水流沿地面或边沟的速度。此外，也与暴雨强度有关，因为暴雨强度大，水流时间就短。但在上述各因素中，地面集水时间主要取决于水流距离的长短和地面坡度。在实际应用中，要准确地计算t。值是困难的，故一般不进行计算，而采用经验数值。根据《室外排水设计规范》规定；地面集水时间视距离长短和地形坡度而定，一般采用t=5～15min。在设计工作中，应结合具体条件恰当地选定。如t选用过大，将会造成排水不畅，以致使管道上游地面经常积水，选用过小，又将使雨水管渠尺寸加大而增加工程造价。按照经验，一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口分布较密的地区，或街坊内设置有雨水暗管，宜采用较小的t1值，可取t1=5～8min左右。而在建筑密度较小、汇水面积较大、地形较平坦、雨水口布置较稀疏的地区，宜采用较大的t1值，一般可取t1=10～15min。起点井上游地面流行距离以不超过120～150m为宜。地面集水时间可参考图4-3选用。图4-3上数据系按华北平原的平均降雨强度计算，基本上适用于东北平原，华北平原，长江中下游平原的城市，西北内陆、岭南沿海的平坦地形城市参用时可将集水时间适当加以调整，山区城市不适用。地面集水距离L(米)图4-3地面集水时间（2）延缓系数m值的确定雨水管道按满流进行设计，但计算雨水设计流量公式的极限强度法原理指出，当降雨历时等于集流时间时，设计断面的雨水流量才达到最大值。因此，雨水管渠中的水流并非一开始就达到设计状况，而是随着降雨历时的增长才能逐渐形成满流，其流速也是逐渐增大到设计流速的。这样就出现了按满流时的设计流速计算所得的雨水流行时间小于管道内实际的雨水流行时间的情况。如果t值过小，会引起降雨强度过大，计算出的管道断面偏大，造成投资增加。苏联的苏林教授对列宁格勒的雨水道进行了观测，发现大多数雨水管道中雨水流行时间比按最大流量计算的流行时间大20％。建议用大于1(1.2)的系数乘以用满流时的流速算出的管内雨水流行时间t2。此外，雨水管渠内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计算的，所以在一般情况下，各管段的最大流量就不大可能在同一时间内发生。如图4-4所示，管段A～B的最大流量是发生在t=t1时，其管径按满流设计为DA～B。而管段B～C的最大流量是发生在t=t1+tA-B时，其管径按满流设计为DB-C。当DA～B出现最大流量时，此时的DB-C只是部分满流，当管段B～C内达到最大流量时，其上游管段A～B的最大流量已过；由于暴雨强度q一般随历时而减少，此时（t=t1+tA-B时）管段A～B的流量显然降低，而DA～B是不变的，所以在沿A～B长度内的管道断面就出现了没有充满水的空隙面积ωx，在DA～B内形成一定的富裕空间，即为管道内的空隙容量。图4-4雨水管段剖面上述表明，当任一管段发生设计流量时，其他管段都不是满流(特别是上游管段)，所以可设想利用此上游管段存在的空隙容量，使一部分水量暂时贮存在此空间内，而起到调蓄管段内最大流量的作用，从而可以降低其高峰流量，减小管渠断面尺寸，降低工程造价。然而这种调蓄作用，只有在当该管段内水流处于压力流条件下，才可能实现。因为只有处于压力流的管段的水位高于其上游管段未满流时的水位足够大时，才能在此水位差作用下形成回水，迫使水流逐渐向上游管段空隙处流动而充满其空隙。由于这种水流回水造成的滞流状态，使管道内实际流速低于设计流速，也就是使管内的实际水流时间t2增大。为了利用这一原因产生的管道调蓄能力，可用大于l的系数乘以用满流时流速算得的管内流行时问t2。根据苏联列宁格勒公用事业研究院的空隙容量计算理论，该系数为1.67。综上所述，折减系数m实际是苏林系数与管道调蓄利用系数两者的乘积。我国《室外排水设计规范》建议折减系数的采用为：暗管m=2,明渠m=1.2。在陡坡地区，暗管的m=1.2～2。3．径流系数1）径流系数的定义：降落在地面上的雨水，一部分被植物和地面的洼地截留，一部分渗入土壤，只有部分沿地面流入雨水管渠，这部分进入雨水管渠的雨水量称做径流量。径流量与降雨量的比值称径流系数，其值常小于l。2）径流系数的影响因素：(1)降雨条件—包括强度、历时、雨峰位置、前期雨量、强度递减情况、全场雨量，年雨量等；(2)地面条件—包括覆盖、坡度、汇水面积及其宽长比、地下水位、管渠疏密等。降雨因素中的前期雨量，对径流系数的影响比较突出。各种单一覆盖径流系数按下表4-1采用。表4-1单一覆盖径流系数覆盖种类径流系数各种屋面、混凝土和沥青路面大块石铺砌路面、沥青表面处理的碎石路面级配碎石路面干砌砖石和碎石路面非铺砌土地面绿地和草地O.90O.600.45O.40O.30O.15各城市应参照降雨因素、地面因素等各种具体条件，根据单一覆盖径流系数用加权平均计算综合径流系数采用，表4-2数据可作参考。表4-2综合径流系数不透水覆盖面积情况综合径流系数1建筑稠密的中心区(不透水覆盖面积70％)0.6～O.82建筑较密的居住区(不透水覆盖面积50％～70％)0.5～0.73建筑较稀的居住区(不透水覆盖面积30％～50％)0.4～O.64建筑很稀的居住区(不透水覆盖面积30％)O.3～0.5注：上表中不透水覆盖面积情况的l、2及3一般相当市区，4相当郊区。第二节城镇雨水沟道的设计一、雨水沟道设计的原则(1)尽量利用池塘、河浜受纳地面径流，最大限度地减少雨水沟道的设置。受纳水体周围的地面径流可直接借地面排入水体。(2)利用地形，就近排入地面水体。雨水径流的水质和地面情况有关，初期径流的污染较大。近年来，国外个别地区计划处理初期径流，但通常都直接排入水体。雨水沟道应充分利用地形，就近排放地面水体，以降低造价。(3)考虑采用明沟。明沟造价低。在建筑物密度较高，交通繁忙的地区，可以采用加盖明沟。(4)尽量避免设置雨水泵站。雨水泵站的投资很大，用电量也很大，可能冲击正常用电。(5)管道在检查井内连接，一般采用管顶平接，不同断面管道必要时也可采用局部管段管底平接，但在任何情况下进水管底不得低于出水管底。(6)在有条件的地方，应考虑两个管道系统之间的连通。(7)明渠与暗管的连接：1)明渠接入暗管，一般有跌差，其护砌做法以及端墙、格栅等均按进水口处理,见图4-5。图4-5明渠接入暗管示意图4-6暗管接入明渠示意2)暗管接入明渠，应考虑淤积问题，也宜安排适量跌差，其端墙及护砌做法按出水口处理，见图4-6。(8)明渠与桥涵连接：明渠连接桥涵，要考虑水流断面收缩、流速变化等因素造成水面壅高的影响，必要时需对桥涵的过水能力进行核算。桥涵过水断面，应按明渠水面达到设计超高时的泄水量计算。桥涵流水面可适当低于渠底，对于管涵，其降低高度宜为0.20～O.25倍管径，降低部分不计入过水断面。桥涵上游和下流的一段明渠应加铺砌，以防冲刷。(9)明渠穿过洼地和高地：1)明渠穿过洼地，应尽可能允许洼地的雨水排入。需顺渠身筑堤时，宜按土质情况决定其内外边坡，堤顶宽度不小于0.5米。2)明渠避免穿过高地，当不得已需局部穿过时，应通过技术经济比较，然后再定该段采用明渠还是暗渠．二、雨水沟道系统的平面布置(1)雨水沟道的平面布置，应根据城市规划和建设情况，考虑利用河湖水体与洼地调蓄雨水，把地形条件、地下水位以及原有的和规划的地下设施、施工条件等因素综合考虑、合理布置、分期建设、逐步完善。(2)在平坦地区，干沟应设在流域的中部，以减少两侧支沟长度，免得干沟埋深过大，增加造价；在陡坡地区，为避免因沟道坡度太陡而设跌水窨井等特殊构筑物，使干沟与等高线斜交，以适当减少干沟坡度。沟系定线还需注意设在地质良好地段，沿线的特殊构筑物要少，使施工简易，降低造价，也便于养护。(3)雨水沟系常沿道路铺设，设在道路中线的一侧，与道路相平行，尽量在快车道以外。雨水口的设置位置，要配合道路边沟，在道路交叉口处，雨水不应漫过路面。三．雨水沟道水力学设计的准则雨水沟道的水力学设计，可按《室外排水设计规范》进行：(1)管道按满流设计，明沟应留超高，不小于0.2m；(2)最小设计流速为0.75m/s，明沟为0.4m/s；(3)管道可不考虑最大流速，明沟的最大流速可按表4-3采用；(4)最小管径300mm，最小坡度0.003；雨水口连接管管径200mm，最小坡度0.01；(5)雨水沟道流速公式：(6)管段衔接一般用管顶平接，当条件不利时也可用管底平接；(7)最小覆土厚度，在车行道下时，一般不小于0.7m，基础应设在冰冻线以下；2/13/21IRnv表4-3明沟最大设计流速沟壁材料最大设计流速／(m/s)沟壁材料最大设计流速／(m/s)粗砂或贫砂质粘土砂质粘土粘土石灰岩、砂岩0.8l1.24草皮护面干砌块面浆砌块石或浆砌砖混凝土1.6234注：①上表运用于明沟水深在0.4—1.0m范围内。②如h在0.4—1.0m以外，表中流速应乘以下系数h0.4m，0.85；h1m,125；h≥2m,1.4四、设计步骤(1)布置管渠系统，划定汇水面积:在适当比例的、并绘有