1、第九章 雨水管渠的设计计算（一） 教学要求：1、熟练掌握雨水设计流量的确定方法；2、了解截流制合流式排水管渠的设计；3、掌握管道平面图和纵剖面图的绘制。（二） 教学内容：1、雨量分析及暴雨强度公式；2、雨水管网设计流量计算；3、雨水管网设计与计算；4、雨水径流调节；5、排洪沟设计与计算；6、合流制管网设计与计算。（三）重点：雨水管网设计计算、合流制管网设计计算。第一节 雨量分析及暴雨强度公式一、雨量分析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长度，所以降雨量的单位又可以采用长度/ 时间。这时降雨量又称为单位时间内的降雨
2、深度。常用的降雨量统计数据计量单位有：年平均降雨量：指多年观测的各年降雨量的平均值，计量单位用 mm/a；月平均降雨量：指多年观测的各月降雨量的平均值，计量单位用 mm/月；最大日降雨量：指多年观测的各年中降雨量最大的一日的降雨量，计量单位用mm/d。2. 雨量的数据整理自记雨量计所记录的数据一般是每场雨的累积降雨量（mm ）和降雨时间（min ）之间的对应关系，以降雨时间为横坐标和以累计降雨量为纵坐标绘制的曲线称为降雨量累积曲线。降雨量累积曲线上某一点的斜率即为该时间的降雨瞬时强度。将降雨量在该时间段内的增量除以该时间段长度，可以得到描述单位时间内的累积降雨量，即该段降雨历时的平均降雨强度。
3、3.降雨历时和暴雨强度在降雨量累积曲线上取某一时间段 t，称为降雨历时。如果该降雨历时覆盖了降雨的雨峰时间，则上面计算的数值即为对应于该降雨历时的暴雨强度，降雨历时区间取得越宽，计算得出的暴雨强度就越小。暴雨强度用符号 i 表示，常用单位为 mm/min，也可为 mm/h。设单位时间 t 内的平均降雨深度为 H，则其关系为：（9-Hit1）在工程上，暴雨强度亦常用单位时间内单位面积上的降雨量 q 表示，单位用（L/s）/hm2。采用以上计量单位时，由于 1mm/minl（L/m 2）/min10000（L/min）/hm 2，可得 i和 q 之间的换算关系为：（9-1067qi2）式中 q降雨
4、强度， （L/s） /hm2；i 降雨强度，mm/min。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。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。5.暴雨强度重现期工程上常用比较容易理解的“
5、重现期”来等效地替代较为抽象的频率概念。重现期的定义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)。重现期与经验频率之间的关系可直接按定义由下式表示：（9-1np6）二、暴雨强度曲线与暴雨强度公式1.暴雨强度曲线2.暴雨强度公式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：（9-167(lg)nAcpqtb9）式中 设计暴雨强度， （L/s ）/hm 2；q设计重现期，a；p降雨历时，min。t地方参数（待定参数） ，根据统计方法进行计算确定。1,Acbn当 时，0（9-167(lg)nAcpqt10）当 时，1n（9-167(lg)Acpq
6、tb11）三、降雨面积和汇水面积降雨面积是指每一场降雨所笼罩的地面面积。汇水面积是指雨水管渠所汇集和排除雨水的地面面积，用 F 表示，常以公顷 hm2 或平方公里 km2 为单位。第二节 雨水管渠设计流量的确定一、雨水设计流量计算公式雨水管渠的设计流量按下式计算：（9-QqF12）式中 雨水设计流量，L/s ；Q径流系数，径流量和降雨量的比值，其值小于 1；汇水面积，hm 2；F设计暴雨强度（L/shm 2） 。 q假定：（1）暴雨强度在汇水面积上的分布是均匀的；（2）单位时间径流面积的增长为常数；（3）汇水面积内地面坡度均匀；（4）:地面不透水， 。1二、雨水管段设计流量的计算在图 9-6
7、中，、 、为相毗邻的四个街区。设汇水面积 F F F F ，雨水从各块面积上最远点分别流入雨水口所需的集水时间均为 （min ） 。12、23、34、45 分别为设计管段，试确定各设计管段的雨水流量。从图 9-6 可知，四个街区的地形均为北高南低，道路是西高东低，雨水管道沿道路中心线敷设，道路断面呈拱形为中间高，两侧低。降雨时，降落在地面上的雨水顺着地形坡度流到道路两侧的边沟中，道路边沟的坡度和地形坡度相一致。雨水沿着道路的边沟流到雨水口经检查井流入雨水管道。I 街区的雨水 (包括路面上雨水 )，在 1 号检查井集中，流人管段 12。街区的雨水在 2 号检查井集中，并同 I 街区经管段 12
8、流来的雨水汇合后流入管段 23。街区的雨水在 3 号检查井集中，同 I 街区和街区流来的雨水汇合后流入管段 34。其他依次类推。已知管段 12 的汇水面积为 F ，检查井 1 为管段 12 的集水点。由于汇水面积上各点离集水点 1 的距离不同，所以在同一时间内降落到 FI 面积上各点的雨水，就不可能同时到达集水点 1，同时到达集水点 1 的雨水则是不同时间降落到地面上的雨水。集水点同时能汇集多大面积上的雨水量，和降雨历时的长短有关。如雨水从降雨面积最远点流到集水点 1 所需的集水时间为 20（min） ，而这场降雨只下 10（min ）就停了，待 3 4 5街 区 街 区 街 区 街 区 图
9、9-6 雨水管道设计管段流量计算示意图汇水面积上的雨水流到集水点时，降落在离集水点 1 附近面积上的雨水早已流过去了。也就是说，同时到达集水点 1 的雨水只能来自 F1 中的一部分面积，随着降雨历时的延长，就有愈来愈大面积上的雨水到达集水点 1，当恰好降雨历时 t20（min ）时，则第 1（min ）降落在最远点的雨水与第 20（min）降落在集水点 1 附近的雨水同时到达，这时，集水点1 处的径流量达到最大。通过上述分析可知，汇水面积是随着降雨历时 t 的增长而增加，当降雨历时等于集水时间时，汇水面积上的雨水全部流到集水点，则集水点产生最大雨水量。为便于求得各设计管段相应雨水设计流量，作几
10、点假设：（1）汇水面积随降雨历时的增加而均匀增加；（2）降雨历时大于或等于汇水面积最远点的雨水流到设计断面的集水时间（t 0） ；（3）地面坡度的变化是均匀的，径流系数 为定值，且 1.0。1. 管段 12 的雨水设计流量的计算管段 12 是收集汇水面积 FI（hm 2）上的雨水，设最远点的雨水流到 1 断面的时间为（min） ，只有当降雨历时 t 时，F I 全部面积的雨水均已流到 1 断面，此时管段 12内流量达到最大值。因此，管段 12 的设计流量为：（L/s）1Qq式中 q1 管段 12 的设计暴雨强度，即相应于降雨历时 t 时的暴雨强度，（L/shm 2） 。2. 管段 23 的雨水
11、设计流量计算当 t 时，全部 F 和部分 F 面积上的雨水流到 2 断面，此时管段 23 的雨水流量不是最大。只有当 t +t1-2 时，F I 和 F 全部面积上的雨水均流到 2 断面，此时管段 23雨水流量达到最大值。设计管段 23 的雨水设计流量为：（L/s）2()Qq 式中 q2 管段 23 的设计暴雨强度，是用（F I+ F ）面积上最远点雨水流行时间 求得的降雨强度。即相应于 t+t 1-2 的暴雨强度， （L/shm 2） ；t1-2 管段 12 的管内雨水流行时间，min。同理可求得管段 34 及 45 的雨水设计流量分别为：334(Qq ）45 5)F 式中 q3、q 4 分
12、别为管段 34、45 的设计暴雨强度，即相应于是用 t +t1-2 + t2-3和 t +t1-2 + t2-3+ t3-4 的暴雨强度， （L/shm 2） ；t2-3、 t3-4 分别为管道 23、34 的管内雨水流行时间，min 。由上可知，各设计管段的雨水设计流量等于该管段所承担的全部汇水面积和设计暴雨强度的乘积。各设计管段的设计暴雨强度是相应于该管段设计断面的集水时间的暴雨强度，因为各设计管段的集水时间不同，所以各管段的设计暴雨强度亦不同。在使用计算公式时，应注意到随着排水管道计算断面位置不同，管道的计算汇水面积也不同，从QqF汇水面积最远点到不同计算断面处的集水时间（其中也包括管道
13、内雨水流行时间）也是不同的。因此，在计算平均暴雨强度时，应采用不同的降雨历时 ti。根据上述分析，雨水管道的管段设计流量，是该管道上游节点断面的最大流量。在雨水管道设计中，应根据各集水断面节点上的集水时间 ti 正确计算各管段的设计流量。第三节 雨水管道设计数据的确定一、径流系数的确定雨水径流量与总降雨量的比值称为径流系数，用符号 表示，即：（9-径 流 量降 雨 量13）根据定义，其值小于 1。影响径流系数 的因素很多，如汇水面积上地面覆盖情况、建筑物的密度与分布地形、地貌、地面坡度、降雨强度、降雨历时等。其中影响的主要因素是汇水面积上的地面覆盖情况和降雨强度的大小。目前，在设计计算中通常根
14、据地面覆盖情况按经验来定。 室外排水设计规范GB50101-2005 中有关径流系数的取值见表 9-3。径流系数 值 表 9-3地面种类 径流系数 值各种屋面、混凝土和沥青路面大块铺砌路面和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路面公园和绿地0.850.950.550.650.400.500.350.450.250.350.100.20实际设计计算中，在同一块汇水面积上，兼有多种地面覆盖的情况，需要计算整个汇水面积上的平均径流系数 值。av（9-iavF14）式中 汇水面积上的平均径流系数；av 汇水面积上各类地面的面积，hm 2；iF 相应于各类地面的径流系数； 全部汇
15、水面积，hm 2。例 9.1 某小区各类地面 及 值见表 9-4，试求该小区平均径流系数 值。iFiav解 由表 9-4 求得 （hm 2） ，则：5.0()1.609.80.4.903.155.57iavF某小区平均径流系数计算表 表 9.4地面种类 面积 （hm 2）iF采用 值i屋面沥青道路及人行道圆石路面非铺砌土路面绿地1.60.80.80.90.90.900.900.400.300.15合 计 5.0 0.577在设计中可采用区域综合径流系数。国内部分城市采用的综合径流系数 值见表 9-5。国内部分城市采用的综合径流系数 表 9-5城市 综合径流系数 城市 综合径流系数上海一般 0.
16、500.60，最大 0.80，新建小区 0.400.44，某工业区 0.400.50 北京建筑极稠密的中心区 0.70建筑密集的商业、居住区 0.60城郊一般规划区 0.55无锡 一般 0.50，中心区 0.700.75 西安 城区 0.54，郊区 0.430.47常州 0.550.60 齐齐哈尔 0.300.50南京 0.500.70 佳木斯 0.300.45杭州 小区 0.60 哈尔滨 0.350.45宁波 0.50 吉林 0.45长沙 0.600.90 营口 郊区 0.38，市区 0.45重庆 一般 0.70，最大 0.85 白城 郊区 0.35，市区 0.38沙市 0.60 四平 0.
17、39成都 0.60 通辽 0.38广州 0.500.90 浑江 0.40济南 0.60 唐山 0.50天津 0.300.90 保定 0.500.70兰州 0.60 昆明 0.60贵阳 0.75 西宁 半建成区 0.30，基本基本建成区 0.50一般城市市区的综合径流系数采用 0.50.8，城市郊区的径流系数采用0.40.6。随着各城市规模的不断扩大，不透水的面积亦迅速增加，在设计时，应从实际情况考虑，综合径流系数可取较大值。 室外排水设计规范GB50101-2005 推荐的城市综合径流系数取值见表 9-6。城市综合径流系数 表 9-6区域情况 值城市建筑密集区城市建筑较密集区城市建筑稀疏区0.
18、600.850.450.600.200.45二、设计暴雨强度的确定1. 设计重现期 p 的确定一般情况下，低洼地段采用的设计重现期应大于高地；干管采用的设计重现期应大于支管；工业区采用的设计重现期应大于居住区。市区采用的设计重现期应大于郊区。设计重现期 p 的最小值不宜低于 0.33a，一般地区选用 0.53a，对于重要干道或短期积水可能造成严重损失的地区，一般选用 35a，并应与道路设计相协调。特别重要的地区，可根据实际情况采用较高的设计重现期。在同一设计地区，可采用同一重现期或不同重现期。2. 设计降雨历时的确定对于雨水管道某一设计断面来说，集水时间 是由地面雨水集水时间 和管内雨水流行t
19、 1t时间 两部分组成（如图 9-7 所示） 。所以，设计降雨历时可用下式表达：2t（9-12tmt15）式中 设计降雨历时，min；t地面雨水集水时间，min；1设计管段管内雨水流行时间，min；2t折减系数，暗管 ，明渠m2m，.陡坡地区暗管采用 1.22。Aa房 屋 分 水 线道 路 中 心 线雨水干管 从 最 远 点 到 第 一 个 雨 水 口 的 流 行 时 间 为道 路 边 沟（1）地面雨水集水时间 的确定1t地面雨水集水时间 是指雨水从汇水面积上最远点 A 到第 1 个雨水口 的地面雨水流行时间。a地面雨水集水时间 的大小，主要受地形坡度、地面铺砌及地面植被情况、水流路程1t的长
20、短、道路的纵坡和宽度等因素的影响，这些因素直接影响水流沿地面或边沟的流行速度。其中，雨水流程的长短和地面坡度的大小，是影响集水时间最主要的因素。根据 室外排水设计规范中规定：一般采用 515min。按经验，一般在汇水面积较小，地形较陡，建筑密度较大，雨水口分布较密的地区，宜采用较小的 值，可取1t左右，而在汇水面积较大，地形较平坦，建筑密度较小，雨水口分布较疏的158mint地区，宜采用较大值，可取 。起点检查井上游地面雨水流行距离以不超过105mint120150m 为宜。（2）管内雨水流行时间 的确定2t管内雨水流行时间 是指雨水在管内从第一个雨水口流到设计断面的时间。它与雨水在管内流经的
21、距离及管内雨水的流行速度有关，可用下式计算：（9-260Ltv16）式中 管内雨水流行时间，min；2t 各设计管段的长度，m ；L 各设计管段满流时的流速，m/s；v60 单位换算系数。（3）折减系数 m 值的确定管道内的水流速度也是由零逐渐增加到设计流速的。雨水在管内的实际流行时间大于设计水流时间。此外，雨水管道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设计计算的。因此在一般情况下，各管段的最大流量不大可能在同一时间内发生。折减系数实际是苏林系数和管道调蓄利用系数两者的乘积，所以折减系数 。0.2m为使计算简便， 室外排水设计规范中规定:暗管采用 。对于明渠，为防止2.0
22、m雨水外溢的可能，应采用 。在陡坡地区，不能利用空隙容量，暗管采用1.2m。1.20m综上所述，当设计重现期、设计降雨历时、折减系数确定后，计算雨水管渠的设计流量所用的设计暴雨强度公式及流量公式可写成：（9-1267lgnAcpqtmb图 9-7 设计断面集水时间示意图17）（9-1267lgnAcpQFtmb18）式中 设计暴雨强度， （L/s ）/hm 2；q 雨水设计流量，L/s ；Q 径流系数，其值小于 1； 汇水面积，hm 2；F 设计重现期，a；p 地面集水时间，min；1t 管渠内雨水流行时间，min；2 折减系数；m、 、 、 地方参数。1Acbn对于雨水设计管段 i 的流量计
23、算公式可写为：（i 1，2，3，.，n） (9-1267(lg)i inAcpQFtmb19)式中 第 i 管段雨水设计流量，L/s；i 第 i 管段所承担的汇水面积， hm2；F 第 i 管段所承担的汇水面积上的径流系数。i其他符号意义同上。三、单位面积径流量的确定单位面积径流量 是暴雨强度 与径流系数 的乘积，即：0qq（L/shm 2） （9-10267lgnAcptmb20）对于某一具体工程来说，式中 、 、 、A 1、 、 、 均为已知数。因此，只要p1tc求得符合各计算管段内的雨水流行时间 ，即可求出相应设计管段的 值。则相应设计雨2 0q水流量为： 0QqF四、雨水管渠水力计算设计参数1. 设计充满度雨水管渠按满流来设计，即充满度 。对于明渠，超高不得小于 0.2m。街道边1hD沟，超高应大于等于 0.3m。
