第三章---雨水管渠系统的设计

第三章雨水管渠系统设计雨水管渠系统由雨水口、雨水管渠、检查井、出水口等构筑物组成的工程设施。雨水管渠系统的功能：及时汇集并排除暴雨所形成的地面径流，保障居民生命安全和正常生产。雨水管渠设计主要内容1．确定当地暴雨强度公式或暴雨强度曲线；2．划分排水流域，进行雨水管渠定线；3．划分设计管段，计算管段雨水设计流量；4．管渠水力计算，确定设计管段的管径、坡度、标高及埋深；5．绘制管渠平面图及纵剖面图。§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：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/时间）/面积。由于体积除以面积等于降雨的深度，所以降雨量的单位又可以采用深度/时间。这时降雨量又称为单位时间内的降雨深度常用的降雨量单位有以下几种：(1)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）(2)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）(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h3、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(mm/min)所以有:q=167ii与q两种表示方法的换算关系为：由于1mm/min＝l（L/m2）/min＝10000（L/min）/ha，=10000/60（L/s.ha）=167（L/s.ha）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.暴雨强度是描述暴雨特征的重要指标，是确定雨水设计流量的重要依据。在任一场暴雨中，暴雨强度随降雨历时的变化而变化。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。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。各历时的暴雨强度为最大平均暴雨强度。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。累积降雨量60201201012345678910111213141516t(h)最大平均暴雨强度（教材P65的表3-1）降雨历时t(min)降雨量H(mm)暴雨强度I(mm/min)所选时段起止561.219：0719：121010.21.0219：0419：141512.30.8219：0419：192015.50.7819：0419：243020.20.6719：0419：344524.80.5519：0419：496029.50.4919：0420：049034.80.3919：0420：3412037.90.3219：0421：044，降雨面积与汇水面积（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）。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。•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。5，暴雨强度的频率－－某一特定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：nPn=m×100%若每年只选一个雨样，称为年频率n=N,用经验频率表示：N+1Pn=m×100%N——降雨观测资料的年数一般在水文计算中常采用以下公式计算n+1Pn=m×100%若平均每年选入M个雨样数，称为次频率n=N·MM——每年选入的平均雨样数，则：NM+1Pn=m×100%①n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。②某个暴雨强度的频率越小时，该暴雨强度的值就越大。6、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①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。P=1Pn②重现期越大，降雨强度越大。降雨强度、降雨历时、重现期三者之间的关系如右图所示。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，但安全性差降雨历时（min)二、暴雨强度公式nbtPcAq)()lg1(1671式中：q——设计暴雨强度，L/s.ha；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：降雨历时（min)当b=0时，1167(1lg)nAcpqt当n=1时，1167(1lg)Acpqtb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。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：式中Q—雨水设计流量，L/s；Ψ—径流系数，径流量和降雨量的比值，其值小于1；F—汇水面积，ha；q—设计暴雨强度（L/s·ha）。公式为推理公式（半经验半理论）。§3-2雨水管渠设计流量的确定QqF1，产流过程：降雨被植被截留地面下渗超出下渗极限产生地面余水地面洼地积满后产生径流随后降雨减小或停止地面积水减少直到消失径流终止降雨过程与径流过程关系示意：径流的产生与终止都后于降雨发生与终止的时间，径流产生的快慢与多少与地面上的覆盖物的特性有关，与地面的地形有关，与地面土壤的渗水性有关、也与地面地形坡度等有关。降雨过程线径流过程线2、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为整个流域，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τ0t1t2t3BCDEFGAbcτ0当全流域参与径流时,A点产生的流量来自降雨历时为τ0时段内的降雨量,并认为此时A点的流量达到最大.集流点处的流量是流域上不同点在不同时间的降雨量汇集而形成的.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τ0,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。t﹤τ0时，只有一部分面积参与径流。与t=τ0时相比较，此时暴雨强度大于t=τ0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=τ0时的径流量。极限强度理论t﹥τ0时，全部流域面积参与径流。与t=τ0时相比较，此时汇水面积没有增加，而暴雨强度小于t=τ0时的暴雨强度。根据公式计算得来的雨水径流量小于t=τ0时的径流量。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。3,关于公式的推导假定：（1）暴雨强度在汇水面积上的分布是均匀的；（2）汇水面积随时间的增长速度为常数；（3）降雨强度在所选定的时间段内均匀不变；（4）降雨历时不小于全流域集水时间。同时汇水面积内地面坡度均匀，并为了方便分析，假定地面为不透水性地面，即径流系数Ψ=1。设降雨过程线如图：ht汇水面积如图所示扇形面积abc：t1bcaτ0F1htt1h1当t=0时,降雨还没有开始,不发生径流,即h0=0;当t=t1时,降雨量为△h1=h1-h0=h1-0=h1;此时只有集流时间为t1的F1面积上产生的径流才能到达集流点a,其到达的雨水量为:W1=△h1*F1当t=t2时,流到a点的雨水量为(t2-t1)时段内降到F1上的雨水量加上(t1-0)时段内降在F2面积上的雨水量,集流时间为t2:W2=△h2*F1+△h1*F2t1t2abcτ0F1F2htt1t2h1h2当t=t3时,流到a点的雨水量为(t3-t2)时段内降到F1上的雨水量、(t2-t1)时段内降到F2上的雨水量、(t1-0)时段内降在F3面积上的雨水量,集流时间为t3:W3=△h3*F1+△h2*F2+△h1*F3t1t2t3abτ0F1F2F3htt1t2t3h1h2h3c当t=tn时,流到a点的雨水量为(tn-tn-1)时段内降到F1上的雨水量、(tn-1-tn-2)时段内降到F2上的雨水量……(t1-0)时段内降在Fn面积上的雨水量,集流时间为tn:Wn=△hn*F1+△hn-1*F2+…..+△h1*Fn=∑△hj*Fn-j+1t1t2t3abcτ0F1F2F3△F△thtt1t2t3h1h2h3△h△t上式中的Wn表示的是在时段（tn-tn-1)内流到集流点a的雨水量，设(tn-tn-1)=△t,则在△t时段内，集流点a处的平均流量为：Qn=Wn△t=∑△hj*Fn-j+1△t若tn为全流域集流时间τ0，而△t无限小，即△t→0时，Qn即表示全流域参与径流时的瞬时流量。Fn-j+1△t表示的是△t时段的面积增长率，而面积增长速度为常数也即：Fn-j+1△t=ff为面各增长速度而当△t→0时，△h可以用dh表示，则流量Qn可表示为：Qn=limf∑△hj=△t→00τ0∫fdh而dh/dt=i,所以dh=idt,则上式为：Qn=0τ0∫f·i·dt其中：0τ0∫i·dt表示的是τ0时段内的总降雨量h所以：Qn=f·h=Fhτ0=F·i若流量的单位以L/s表示，则：Qn=167Fi=Fq(L/S)4、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τ1(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τ；（3）径流系数Ψ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ABC1234解：（1）管段1~2的雨水设计流量Q1~2=Ψ1·q1·FA=q1·FA其中，q1为降雨历时t=τ1时对应的暴雨强度。ABC1234PcAq1)lg1(1671(τ1+b)nτ1（2）管段2~3的雨水设计流量：Q2~3=Ψ2·q2·(FA+FB)=q2·(FA+FB)其中，q2为降雨历时t=τ1+t1~2时对应的暴雨强度。ABC1234τ1t1~2PcAq2)lg1(1671(τ1+t1~2+b)n（3）管段3~4的雨水设计流量:Q3~4=Ψ3·q3·(FA+FB+FC)=q3·(FA+FB+FC)其中，q3为降雨历时t=τ1+t1~2+t2~3时对应的暴雨强度。ABC1234