第8章-雨水管网设计和计算

第10章 雨水管渠设计和优化计算
第10章 雨水管渠设计和优化计算
雨水管渠系统：由雨水口、雨
水管渠、检查井、出水口等构 筑物组成的一整套工程设施。 雨水管渠系统功能：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；
Q qF
式中，q―平均设计暴雨强度（L/s.ha）；Ψ―径流系数； ( 10.9 ) F―计算汇水面积（ha）。
雨水管道设计流量：该管段上游节点断面的“洪峰”流量，不同断面的“洪峰”时间
不同，计算暴雨强度不同，计算汇水面积也不同。
10.2.3 雨水管渠设计流量计算（续）
对应于断面洪峰流量深刻的暴雨强度：
小雨：24小时内降水量不超过10毫米，小到 10.1.1 雨量分析－－降雨过程分析（续） 中雨为5～18毫米，中雨为10～25毫米，中 到大雨为18～38毫米，大雨为25～50毫米， 大到暴雨为38～75毫米。24小时内雨量超过 (3) 降雨历时和暴雨强度 50毫米的称为暴雨，超过100毫米的称为大 降雨量累积曲线上某一时间段，称为降雨历时。暴雨，超过200毫米的称为特大暴雨。
（L/s） ( 10.11 )
167 A1 (1 C lg P) Q 1 F1 1 n (t1 b) 167 A1 (1 C lg P) Q ( 1 F1 2 F2 ) 2 L1 n [ t m ( ) b ] 1 60v1 167 A1 (1 C lg P) Q ( 1 F1 2 F2 3 F2 ) 3 L L [t1 m( 1 2 ) b]n ( 10.12 ) 60v1 60v2
167A1 (1 C lg P) q (t1 m t2 b) n
（L/s.ha） ( 10.10 )
图10.8 雨水管段流量和流经时间计算
应用推理公式，得管段设计流量公式：
167 A1 (1 C lg P) Qi k Fk n (t1 mt2i b) ki
如图10.8所示，A点为 最远点，地块1地面集 水时间为t1；地块2地 面集水时间为t1＋mt2； 地块3地面集水时间t1 ＋mt3。 各管段设计流量Q1、 Q2和Q3为：
（10.5） 在实际应用中，各地根据当地的具体情况，比较普遍地采用下列修订暴雨强度公式：
式中，i —— 设计暴雨强度（mm／min）；t —— 降雨历时（min）； TE —— 设计重现期（a）；A1, C, n, b —— 待定参数。
A C lg TE ) i 1 (t b) n
（10.5a） 部分城市应用暴雨强度公式（10.5a）的参数如表10.2所示。其它城市的暴雨强度公 式可参见《给水排水设计手册》第5册。
图10.7 地面集水时间和流经距离的关系
折减系数m：（续） 根据实验和工程经验，折减系数或容积利用系数m取值如下： 地下暗管，m=2，明渠，m＝l.2； 在陡坡地区，采用暗管时，m＝1.2～2。 m与降雨最大峰值位置有关，见表10.5。
10.2.3 雨水管渠设计流量计算
一般城市的雨水管渠的汇水面积较小，在整个汇水面积上能产生全面积的径流，称 为完全径流。实际地面径流量可按下式计算，称为推理公式。
降雨面积:是指降 雨所笼罩的面积， 即降雨的 范围。
10.2 雨水管渠设计流量计算
10.2.1 地面径流与径流系数
地面径流：降雨到达地面后，一部分雨水被截留，另一部分沿地面坡度流动，（在 地面沿地面坡度流动的雨水）称地面径流。 地面径流量：地面径流的雨水流量称为雨水的地面径流量。 径流系数：地面径流量与总降雨量的比值称为径流系数Ψ。径流系数小于1。 入渗率和余水率：降雨时，随着降雨时间的增长和雨量的加大，降雨量与地面渗水 量的差值称为余水，入渗率和余水率的概念错误见P187。
10.2.1 地面径流与径流系数（续）
如果汇水面积由径流系数不同的地面组合而成，采用平均径流系数法，平均径流系 数可用加权平均法计算： 式中，Fi为汇水面积上各类地面的面积； i Fi Ψi为相应于各类地面的径流系数； av F （10.6） F为总汇水面积。


系数）进行近似替 代，建议值参见表10.4。
图10.5表示降雨强度与地面径流的示意关系。图10.6表示不同地面对径流量的影响。
图10.5 降雨强度与雨水径流量关系图
图10.6 不同地面对径流量的影响
影响径流系数的因素主要有汇水面积的 地面覆盖情况、 地面坡度、地貌、建筑密 度的大小、路面铺砌等。此外，还与降雨历 时、暴雨强度及暴雨雨型有关。 目前在雨水管渠设计中，通常采用按地 面覆盖种类确定
如果该降雨历时覆盖了降雨的雨峰时间，则该时段降雨量为对应于该降雨历时的暴 雨强度，降雨历时越长，暴雨强度越小。 暴雨强度用符号i表示，常用单位为mm/min，或mm/h。亦常用单位时间内单位面积 降雨量q表示，单位用L/s.ha。 暴雨强度i和q 之间的换算关系为
10,000 q i 167 i 60
10.3.2 雨水管渠系统设计步骤 （1）划分排水流域和管道定线 □结合城市总体规划图或工厂总平面布置，划分排 水流域和管渠定线，确定排水流向。 （2）划分设计管段与沿线汇水面积 □设计管段的划分应使设计管段范围内地形变化不 大，管段上下端流量变化不多，无大流量交汇，一般 以100~200m左右为一段。 □地形平坦时，就近排除原则，有适宜坡度时，按 雨水汇入低侧的原则按地面雨水径流方向划分汇水面 积，编号，计算面积。 □两个检查井之间流量不变的管段定为设计管段， 并从管段上游往下游按顺序进行设计管段和节点的编 号。
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。
10.1 雨量分析与雨量公式
10.1.1 雨量分析－－降雨过程分析 (1) 降雨量 指一定时间内在单位面积上的降水体积，计量单位为 体积/面积.时间，或高度/时间，这时降雨量又称为一定 时间内的降雨深度。 降雨量单位： 年平均降雨量：多年年降雨量平均值，mm/a； 月平均降雨量：多年月降雨量平均值，mm/月； 最大日降雨量：多年年中最大日降雨量，mm/d； 最大小时降雨量：指最大一小时降雨量，mm/h。 (2) 雨量计的数据整理 雨量计记录降雨量数据，构造如图9.1所示。 雨量数据为每场雨的瞬时降雨强度（mm/min）、累积降雨量（mm）和降雨时间 （min）之间的变化关系，如图9.2所示。 以降雨时间为横座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，曲 线上某一点的斜率即为该时刻的瞬时降雨强度。 将降雨量的增量除以该时间段长度，得到该段降雨历时的平均降雨强度。
P
1 Fm
（10.4）
10.1.1 雨量分析－－降雨过程分析（续2）
(5) 暴雨强度重现期（续） 《室外排水设计规范》 GB 50014—2006 （2011版）规定： 同一排水系统可采用同一重现期或不同重现期。重现期应采用1～3年，重要干道、 重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，应采用3～5年，经济条件较好或 有特殊要求的地区宜采用规定的上限。特别重要地区可采用10年或以上。 表10.1为某城市在不同历时的暴雨强度统计数据。
如果能获得城市不透水区域覆盖面积数据时，区域综合径流系数的值可参考表10.5。
10.2.2 断面集水时间与折减系数
集水时间：指雨水从汇水面积上的最远点流到设计的管道断面所需要的时间，记为τ，
常用单位为min。
地面集水时间：雨水从汇水面积上的最远点流到位于雨水管道起始点雨水口所需的
集水时间。地面集水时间受地形坡度、地面铺砌、地面植被情况、距离长短等因素的影 响，主要取决于水流距离的长短和地面坡度。 对于雨水管道中任一设计断面，集水时间τ由地面集水时间t1和雨水在管道中流到该 设计断面所需的流行时间t2组成，用下式表示：
10.1.2 暴雨强度公式
表达暴雨强度i（或q）与降雨历时t和年重现期P之间关系的经验函数，称为暴雨强度 公式。《室外排水设计规范》（GB50014-2006）中规定我国采用的暴雨强度公式的 形式为：
167 A1 (1 C lg P) q (t b) n
式中，q —— 设计暴雨强度（L／s.ha）；t —— 降雨历时（min）； P —— 设计重现期（a）；A1, C, n, b —— 待定参数。
mM Fm nM 1 （10.3）
式中 M为每年选取的雨样数。 在坐标纸上以经验频率为横坐标，暴雨强 度为纵坐标，按数据点的分布绘出的曲线， 称为经验频率曲线，如图10.3所示。
(5) 暴雨强度重现期 重现期定义：在多次的观测中，大于等于 某个设定值的事件数据重复出现的平均间 隔年数，单位为年（a）。重现期越大， 降雨强度越大，如图10.4所示。重现期与 经验频率关系式：
（10.1）
式中 q―降雨强度（L/s.ha）； i―降雨强度（mm/min）。
在城市暴雨强度公式推求中，经常采用的降雨历时为5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120min等9个历时数值，特大城市可以用 到180min，或更长时间。 (4) 暴雨强度频率 通过长期观测数据计算某个特定降雨历时的暴雨强度出现的经验频率，简称暴雨强 度频率。经验频率的计算公式：
m Fm n 1 （10.2）
式中 n―降雨量统计数据总个数；m―将所有数据从大到 小排序后，某个特定数据的序号；Fm―相应于第m个数据 的经验频率，常用单位为%。
10.1.1 雨量分析－－降雨过程分析（续1）
(4) 暴雨强度频率（续） 当对应于特定降雨历时的暴雨强度频率越小时，该暴雨强度值越大。 当每年取一个数据组成统计序列时，n为年数，频率值Fm称为“年频率” ；当当每 年取多个数据组成统计序列时，n为数据总个数，频率值Fm称为“次（数）频率”。 年频率和次频率统称为经验频率，计算公式为