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1、第九章 城市雨水管渠系统规划设计,城市雨水管渠系统的布置城市雨水管渠设计流量的确定城市雨水管渠的水力计算城市合流制管渠系统的规划设计压力式和真空式排水系统排水管材、泵站及排水管道附属构筑物,任务：及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流。雨水管渠系统设计的主要内容。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、泵站的位置；3、根据当地气象与地理条件，过程要求等确定设计参数；4、计算设计流量和进行水力计算；5、确定每一个设计管段的断面尺寸、坡度、管底标高及埋深；6、绘制管渠平面图和纵剖面图。,雨水管渠系统组成：雨水口、雨水管渠、检查井、出水口,雨水管渠系统设计步
2、骤：,资料收集，确定暴雨强度公式,划分排水流域，进行管道定线,水力计算,绘制管渠平面图及剖面图,雨水管渠系统的特点：流量变化大、满流,第一节、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。,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
3、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。,3.根据具体条件合理采用明渠或暗管,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，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,4、根据城市规划布置雨水管道,通常应根据建筑物的分布、道路布置、街区内部的地形等布置雨水管道。,雨水管道的平面布置与竖向布置应考虑与其它地下
4、构筑物的协调配合。,5、合理设置雨水口，保证路面雨水排除畅通,雨水口应根据地形以及汇水面积确定。一般来说，在道路交叉口的汇水点、低洼地段、道路直线段一定距离处（2560m）均应设置雨水口,道路交叉口处雨水口的设置,凡是箭头相对的一定要设置雨水口；,凡是箭头相背的不设雨水口；,凡是箭头,或,可设可不设雨水口,第二节 城市雨水管渠设计流量的确定,一、雨量分析的要素,1、降雨量：指单位地面面积上，在一定时间内降雨的雨水体积。又称在一定时间内的降雨深度。用H（mm）表示，也可用单位面积的降雨体积（L/ha）表示。,常用的降雨量统计数据计量单位有以下几种：,年平均降雨量：指多年观测所得的各年降雨量的平均
5、值（mm/a）,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）,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h,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（mm/min）表示；i=H/t 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,q=167i,i与q两种表示方法的换算关系如下：,1mm/min=10-3(m3/m2)/min=10-3(103L/m2)/min=1(L/m2
6、)/min=1(L/min)/m2=10000(L/min)/hm2=10000/60（L/s.hm2）=167（L/s.hm2）,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。,在城市暴雨的推求过程中，经常采用的降雨历时为：5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min，特大城市可以用到180min,最大平均暴雨强度,4、降雨面积：指降雨所笼罩的面积,5、汇水面积：指雨水管渠汇集雨水的面积。单位 常用hm2或k
7、m2。,任意场暴雨在降雨面积上各点的暴雨强度是不相等的，但是雨水管渠的汇水面积较小，因此可假设降雨在整个小汇水面积内的分布是均匀的。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。,6、暴雨强度的频率：是指在多次的观测中，等于或大于某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：Pn=m/n 100%式中：Pn=某值暴雨强度出现的频率 m：将所有数据从大到小排序之后，某值暴雨强度所对应的序号 n：降雨量统计数据的总个数,6、暴雨强度的频率：,n 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
8、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68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34倍的个数作为统计的基础资料。,某个暴雨强度的频率越小时，该暴雨强度的值就越大。,7、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 P=1/Pn,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。,重现期越大，降雨强度越大。在排水管网的设计中，如果使用较高的设计重现期，
9、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。,确定设计重现期的因素有：排水区域的重要性、功能、淹没后果严重性、地形特点和汇水面积的大小等。一般情况下，低洼地段采用的设计重现期大于高地；干管采用的大于支管；工业区采用的大于居住区；市区采用的大于郊区。重现期的最小值不宜低于0.33年，一般选用0.53年。重要的干道、区域，一般选用25年。,二、暴雨强度公式,式中：q设计暴雨强度，L/s.公顷；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)、
10、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：,教材表9-1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、雨水管渠设计流量计算公式,式中：Q雨水设计流量，L/s；径流系数，其数值小于1；A汇水面积，公顷；q设计暴雨强度，L/s.公顷。,径流系数的确定:按照地面材料性质确定径流系数的经验数值。汇水面积A:与降雨历时t有关。随着降雨历时的延长，参与径流的面积在增加，当全
11、部流域参与径流时，进入雨水管渠中的流量就最大。暴雨强度 q：与降雨历时t有关。随着降雨历时的延长，暴雨强度降低。关键在于采用降雨强度和汇水面积都是尽量大的降雨,三、城市雨水管渠设计流量的确定,二、径流系数的确定1、径流系数：地面径流量与总降雨量的比值称为径流系数，其值小于1。,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,2、径流系数的确定 地面径流系数的值与以下几个因素有关：汇水面积上的地面材料性质、地形地貌、植被分布、降雨历时、暴雨强度以及暴雨雨型有关。目前，在雨水管渠的设计中，通常按照地面材料性质确定径流系数的经验数值。我国排水设计规范中有关径流系数取值的规定见下表
12、：,不同地面的径流系数值,如果汇水面积由不同的地面组合而成，整个汇水面积上的平均径流系数可按以下公式来求：=Ai i/A,在工程设计中，经常采用城市综合径流系数近似代替平均径流系数,城市综合径流系数,t=t1+mt2,式中：t1地面集水时间；指雨水从汇水面积上最远点流到第 一个雨水口a的时间.m 折减系数；t2雨水在管道内流行时间。,三、集水时间t的确定,集水时间由地面集水时间t1和管道内雨水流动的时间t2两部分之和组成,1、地面集水时间t1的确定,一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口分布较密的地区，t1可采用5-8min;在建筑密度小、地形平坦、雨水口稀疏的地区，t1可取10-15min。起
13、点井上游地面流行距离以不超过120150m为宜,根据室外排水设计规范规定：地面集水时间t1视距离长短、地形坡度和地面覆盖情况而定，通常采用5-15min。,在设计过程中，应结合具体条件进行选定：如果选用过大，将会造成排水不畅，使管道上游地面经常积水。选用过小，将会造成雨水管渠尺寸加大，使工程造价增加。,2、雨水在管道内流行时间t2,式中：L上游各管段的管长，m；v各管段满流时的水流速度，m/s。,3、折减系数m的确定,雨水在管道内的实际流行时间与计算得出的流行时间不符，需要采用一个系数进行修正，此系数叫折减系数,引入折减系数的原因有二：一是雨水管道内不总是满流，按满流计算的流行时间小于雨水实际
14、的流行时间；二是雨水管道的最大流量不大可能在同一时间发生，上游管道存在调蓄容积,我国室外排水设计规范规定：折减系数的采用为暗管采用2,明渠采用1.2;陡坡地区管道采用1.22。,在确定了集水时间t和重现期P后，雨水管渠的设计暴雨强度公式流量公式可改写成:,雨水管渠的设计流量公式可改写成:,1、雨水管渠水力计算的控制数据2、雨水管渠水力计算的方法3、雨水管渠系统的设计步骤4、雨水管渠系统设计计算举例,第三节 城市雨水管渠的水力计算,、最小管径和最小设计坡度：雨水管最小管径为300mm，相应的最小坡度为0.003；雨水口连接管最小管径为200mm，最小坡度为0.01,一、雨水管渠水力计算的设计参数
15、,1、设计充满度：管道按满流设计，h/D=1(明渠应有 0.2m的超高，街道边沟应有0.03m的超高),、设计流速：最小流速0.75m/s,(明渠流最小流速为0.40m/s)最大流速10m/s（金属管），5m/s（非金属管）.(明渠流最大流速按照表9-7选用),、最大埋深与最小埋深：同污水管道的规定,在进行雨水管道水力计算时，各管段的设计流量为已知。雨水管网水力计算包括两方面内容：1、确定各管段的直径和坡度（流速）确定出的雨水管段直径和坡度，必须符合设计规范要求，即：计算得来的一定管径在一定坡度的敷设下，通过设计流量时，流速要满足最小流速、最大流速的要求。（与污水管道的水力计算有不同）2、确定
16、各管段始点和终点的埋设深度（水面标高、管底标高）处理好各管段之间的衔接设计同污水管道,二、雨水管渠水力计算的方法,二、雨水管渠水力计算的方法,确定管段的直径和坡度，应从上游管段开始，依次向下游管段计算。,在具体计算时，设计流量Q和管道粗糙系数n已知，还有管径D、管道坡度I和流速v是未知的，因此需要先假定个求其它两个，这样的数学计算非常复杂，而且经常要试算。为了简化计算，常采用水力计算图见（图9-3）或水力计算表进行。,（Q、v、D、n、I）,对水力计算图而言，粗糙系数n是已知的，图上的曲线表示的是Q、v、I、D之间的关系，这四个因素中，只要确定两个因素，就可以通过图查出其它两个因素。计算时，Q
17、为已知，只要再知道一个因素就可以查图计算了，通常情况下先假定坡度I。管道坡度I近似等于地面坡度。由Q和I，就可查图得出v、D 复核v的规定若符合，则该管段的D、I(v)即确定。若不符合，重新设定I 或D进行计算。,二、雨水管渠水力计算的方法,雨水管水力计算举例,已知n0.013，设计流量Q=200L/s，该管段地面坡度i=0.004，试计算该管段的管径D、管道坡度I、流速v。,A点：v1.17m/sD400500mm,设采用D400mm的管道，与流量为200L/s的竖线相交于B点：I0.0092v1.60m/s不宜采用,设采用D500mm的管道，与流量为200L/s的竖线相交于C点：I0.00
18、28v1.02m/s,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
19、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
20、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
21、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,第三节 合流制管网设计与计算,一、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
22、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
23、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。,9.4.2 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,式中Qz总设计流量，L/s;Qs 设计生活污水量，L/s;Qg 设计工业废水量，L/s;Qy 设计雨水量，L/s;Qh 溢流井以前的旱流污水量,L/s;,此公式可计算直排式合流制管渠系统的设计流量及截流式合流制管渠系统第一个溢流井上游管渠的合流总设计流量。一般
24、情况下，生活污水量与工业废水量之和小于雨水设计流量的5%时，其流量可以忽略不计。一般以雨水的设计流量、生活污水的平均流量、工业废水最大绊的平均流量之和作为合流管渠的设计流量,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
25、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+
26、1）Q h,合流制排水管渠的水力计算,一般按满流计算水力计算包括三方面工作 溢流井上游合流管渠的计算；截流干管和溢流井的计算；晴天旱流情况校核。,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
27、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,
