第3章雨水管渠系统的设计12

第3章雨水管渠系统的设计雨水管渠系统：是由雨水口、雨水管渠、检查井、出水口等构筑物所组成的一整套工程设施。雨水管渠系统的任务：就是及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流，防止城市居住区与工业企业受淹，以保障城市人民的生命安全和生活生产的正常秩序。雨水管渠系统设计的主要内容包括：1．确定当地暴雨强度公式；2．划分排水流域，进行雨水管渠的定线，确定可能设置的调节池、泵站位置3．根据当地气象与地理条件，工程要求等确定设计参数；4．计算设计流量和进行水力计算，确定每一设计管段的断面尺寸、坡度、管深；5．绘制管渠平面图及纵剖面图。第1节雨量分析与暴雨强度公式雨量分析的目的：通过对降雨过程的多年(一般具有10年以上)资料的统计和分析，找出表示暴雨特征的降雨历时、暴雨强度与降雨重现期之间的相互关系，作为雨水管渠设计的依据。雨量分析的几个要素1．降雨量降雨量是指降雨的绝对量，即降雨深度。用H表示，单位以mm计。也可用单位面积上的降雨体积(L/ha)表示。年平均降雨量：指多年观测所得的各年降雨量的平均值。月平均降雨量：指多年观测所得的各月降雨量的平均值。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，可以指一场雨全部降雨的时间．也可以指其中个别的连续时段。用t表示，以min或h计，从自记雨量记录纸(如图3-1所示)上读得。3.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表示。min)/(mmtHi在工程上，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之间的换算关系是将每分钟的降雨深度换算成每公顷面积上每秒钟的降雨体积．即；iiq1676010001000100004．降雨面积和汇水面积降雨面积是指降雨所笼罩的面积，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)。5、降雨的频率和重现期(1)暴雨强度的频率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取值：n为降雨观测资料的年数N与每年选入的平均雨样数M的乘积，即n=N·M每年只选一个雨样(年最大值法)M=1，则n＝N。Pn＝m/Nxl00%，称为年频率式。若平均每年选入M个雨样数(一年多次法选样)，则n＝NM，Pn＝m/NMxl00%称为次频率式。注：以上两式成立的前提是n足够长一般情况下采用下面两式计算年频率和次频率年频率：次频率：(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，单位用年(a)表示。重现期P与频率互为倒数。即；相应可得：对于年频率式：对于次频率式：举例：如课本P66-67表3-2中N=30年M=4次/年m=序号数NM=30*4=120此项Pn=序号数/(120+1)重现期的计算：当m=1时，当m=2时，当m=15时，暴雨强度公式表示形式：nbtPcAq)()lg1(1671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)；Al、c、b、n：地方参数，根据统计方法进行计算确定；我国部分城市暴雨强度计算式nbtPcAq)()lg1(1671第2节雨水管渠设计流量的确定一、雨水管渠设计流量计算公式Q=ψqF式中Q——雨水设计流量(L/s)；ψ——径流系数，其数值小于1F——汇水面积(ha)；q——设计暴雨强度(L/(s·ha))。1．地面点上产流过程雨强I入渗率μˊ死水径流t=0无雨水，无渗流0~t余始I=μˊ无径流，全下渗，植物截留t余始~t径始Iμˊ余水积于洼地t径始~tmaxIμˊ径流且逐渐增大tmax~t等径点Iμˊ径流且逐渐减小t等径点~t径终Iμˊ地面积水，植物截水参与径流t径终~t渗终Iμˊ死水下渗，降雨全下渗t渗终~t雨终Iμˊ全下渗，无径流2．流域上汇流过程通常将雨水径流从流域的最远点流到出口断面的时间称为流域的集流时间或集水时间。图3—3(2)是一块扇形流域汇水面积，其边界线是ac，ab和bc弧，a点为集流点(如雨水口，管渠上某一断面)。假定汇水面积内地面坡度均等，则以a点为圆心所划的圆弧线de，fg，hi，…称为等流时线．aghficbedτ0τ1τ2τ3每条等流时线上各点的雨水径流流达a点的时间是相等的，它们分别为τ1、τ2、τ3、τ4，流域边缘线bc上各点的雨水径流流达a点的时间τ0称为这块汇水面积的集流时间或集水时间。流域全面积参与径流，此时集流点a产生最大流量，也就是说，相应于流域集流时间的全流域面积径流产生最大径流量nbtPcAq)()lg1(1671集流点何时承受雨水量为最大？雨水管道设计的极限强度理论：在设计中采用的降雨历时等于汇水面积最远点雨水流达集流点的集流时间，因此，设计暴雨强度q、降雨历时t、汇水面积F都是相应的极限值。极限强度法：承认降雨强度随降雨历时的增长而减小的规律性，同时认为汇水面积的增长与降雨历时成正比，而且汇水面积随降雨历时的增长较降雨强度随降雨历时增长而减小的速度快。雨水管道设计的极限强度理论包括两部分内容：1.当汇水面积上最远点的雨水流达集流点时，全面积产生汇流，雨水管道的设计流量最大；2.当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水流达集流点的集流时间时,雨水管道需要排除的雨水量最大。3.公式推导：P70-723.雨水管段的设计流量计算上图中，假设：FA＝FB＝FC集水时间均为τ1(min)(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。1)管段1—2的雨水设计流量当t=τ1时，流量最大Q1-2=FA·q12)管段2—3的雨水设计流量当t=τ1+t1-2时，流量最大Q2-3=(FA+FB)·q23)管段3—4的雨水设计流量当t=τ1+t1-2+t2-3时，流量最大Q2-3=(FA+FB+FC)·q3二、径流系数ψ的确足径流量与降雨量的比值称径流系数ψ，其值常小于1。径流系数的值因汇水面积的地面覆盖情况、地面坡度、地貌、建筑密度的分布、路面铺砌等情况的不同而异。Q=ψqF地面种类径流系数ψ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非铺砌路面0.30公园或绿地0.15区域情况径流系数ψ市区0.5~0.8郊区0.4~0.6综合径流系数ψ径流系数径流系数的计算方法按各类地面面积用加权平均法计算FFiiav举例如下：地面种类面积（ha）各种屋面、混凝土和沥青路面55.00大块石铺砌路面和沥青表面处理的碎石路面12.00级配碎石路面8.00干砌砖石和碎石路面2.00非铺砌路面1.00公园或绿地60.00三、设计重现期P的确定若选用较高的设计重现期计算所得设计暴雨强度大，相应的雨水设计流量大，管渠的断面相应大；这对防止地面积水是有利的，安全性高．但经济上则因管渠设计断面的增大而增加了工程造价；若选用较低的设计重现期管渠断面可相应减小，这样虽然可以降低工程造价，但可能会发生排水不畅、地面积水而影响交通，甚至给城市人民的生活及工业生产，造成危害。因此，必需结合我国国情．从技术和经济方面统一考虑。nbtPcAq)()lg1(1671Q=ψqF重现期的选用1）应根据汇水面积的地区建设性质(广场、干道、厂区、居住区)、地形特点、汇水面积和气象特点等因素确定，一般选用0.5—3a；2）对于重要干道，立交道路的重要部分，重要地区或短期积水即能引起较严重损失的地区，宜采用较高的设计重现期，一般选用2—5a；3）对于特别重要的地区可酌情增加，在同一排水系统中也可采用同一设计重现期或不同的设计重现期。国内部分城市设计重现期见P75表3-6四、集水时间t的确定t=t1+mt2式中：t1——地面集水时间t2——管内雨水流行时间m——折减系数，管道采用2，明渠采用1.2，陡坡地区管道采用1.2—2t1的确定一般采用t1＝5—15min在建筑密度较大、地形较陡、雨水口分布较密的地区或街区内设置的雨水暗管，宜采用较小的t1值，可取t1＝5—8min左右。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t=t1+mt2t2的确定(min)602vLtL——各管段的长度(m)；v——各管段满流时的水流速度(m／s)60——单位换算系数，1min=60st=t1+mt2m的确定t=t1+mt2问题：（1）管道是不是满流？对雨水在管道中的流行时间有什么影响？（2）所有管段都同时出现满流吗？按满流时的设计流速计算所得的雨水流行时间小于管渠内实际的雨水流行时间。苏林系数：大多数雨水管渠中雨水的流行时间比按最大流量计算的流行时间大20%，因此用大于1（1.2）的系数乘以用满流的流速计算出的管内雨水流行时间。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积，使—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，从而可以削减其高峰流量，减小管渠断面尺寸，降低工程造价。——管道调蓄利用系数折减系数m实际是苏林系数与管道调蓄利用系数两者的乘积。五、特殊情况雨水设计流量的确定