水污染控制工程经典课件——城镇雨水沟道的设计

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1、第四章 城镇雨水沟道的设计第一节 雨水径流量的计算雨水沟道和合流沟道的设计以降雨量为基础，其设计流 量为雨水径流量。一雨水流量公式(4-1)式中： qv 雨水沟道的设计流量(Ls)A 排水面积(ha)i 降雨强度(mmmin)q 设计降雨强度(L/sha)K 单位换算系数，等于167 径流系数，其值小于1二暴雨强度公式 暴雨强度q一般按下面公式计算：（4-2）式中：q一 设计降雨强度(L/sha) P 设计降雨重现期（年）A1重现期为一年的设计降雨的雨力C 雨力变动参数。反映设计降雨各历时不同重现期的强度变 化程度（即呈现在单对数格纸上的斜率=ip=1C）t降雨历时（分钟） b历时附加参数 n

2、历时指数b、n两个参数联用，共同反映同重现期的设计降雨随历时延长 其强度递减变化的情况。 不同城市的暴雨强度公式可查阅给排水设计手册城市排水分册。 马鞍山市的暴雨强度公式为： （参照芜湖地区）（4-3）图4-1 安徽省部分地区的暴雨强度公式三基本参数的确定 1设计降雨的重现期 设计降雨的重现期系根据地形特点和地区建设 性质（居住区、中心区、工厂区、干道、广场等）两项主要 因素确定，一般按下表确定（选自给排水设计手册城市 排水分册）：设计降雨的重现期地形分级重现期P的选用范围（年 ）说明平缓地 形0.333、0.5、1、2 谷线地 形0.5、1、2、3 封闭洼 地1、2、3、5、个别10、20

3、2设计降雨历时 一场暴雨经历的整个时段称阵雨历时；阵雨过程中 任一连续的时段则称降雨历时。阵雨历时和降雨历时常用 分钟计算。 雨水管渠的设计降雨历时包括地面集水时间和管渠 内流行的时间两部分，计算公式为：（4-4） 式中： t 设计降雨历时，min；t1 地面集水时间，min；t2管渠内流行时间，min；m 延缓系数（也称折减系数），暗管m=2，明渠m=1.2。（1） 地面集水时间的确定地面集水时间：是管渠起点断面在设计重现期、设计历时降雨的条件下达到设计流量的时间，确定这个时间，要考虑地面集水距离、汇水面积、地面覆盖、地面坡度和降雨强度等因素。在地面坡度皆属平缓、地面覆盖互相接近、降雨强度都

4、差不多的情况下(我国多数平原大中城市即属这种情况)，地面集水距离成为主要因素。从汇水量上考察，平坦地形的地面集水距离的合理范围是50150米，比较适中的是80120米。以图4-2为例。图4-2 地面集水时间计算示意图 1一房屋，2一屋面分水线，3一道路边沟 , 4一雨水管 , 5一道路图中箭头表示水流方向。雨水从汇水面积上最远点的房屋屋面分水线A点流到雨水口的地面集水时间通常是由下列流行 路程的时间所组成:a. 从屋面A点沿屋面坡度经屋檐下落到地面散水坡的时间，通常为0.3O.5min。b. 从散水坡沿地面坡度流入附近道路边沟的时间. c. 沿道路边沟到雨水口a的时间。地面集水时间受地形坡度、

5、地面铺砌、地面种植情况、水流路程、道路横坡和宽度等因素的影响，这些因素直接决定着水 流沿地面或边沟的速度。此外，也与暴雨强度有关，因为暴雨 强度大，水流时间就短。但在上述各因素中，地面集水时间主 要取决于水流距离的长短和地面坡度。在实际应用中，要准确地计算t。值是困难的，故一般 不进行计算，而采用经验数值。根据室外排水设计规范规定；地面集水时间视距离 长短和地形坡度而定，一般采用t =515min。在设计工作 中，应结合具体条件恰当地选定。如t选用过大，将会造成 排水不畅，以致使管道上游地面经常积水，选用过小，又 将使雨水管渠尺寸加大而增加工程造价。 按照经验，一般在建筑密度较大、地形较陡、雨

6、水口分 布较密的地区，或街坊内设置有雨水暗管，宜采用较小的t1 值，可取t1=58min左右。而在建筑密度较小、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 的t1值，一般可取t1=1015min。起点井上游地面流行距离 以不超过120150m为宜。 地面集水时间可参考图4-3选用。图4-3上数据系按华 北平原的平均降雨强度计算，基本上适用于东北平原，华 北平原，长江中下游平原的城市，西北内陆、岭南沿海的 平坦地形城市参用时可将集水时间适当加以调整，山区城 市不适用。地面集水距离L(米) 图4-3 地面集水时间（2） 延缓系数m值的确定雨水管道按满流进行设计，但计算雨水设计流

7、量公式的极限强度法原理指出，当降雨历时等于集流时间时，设计断面的雨水流量才达到最大值。因此，雨水管渠中的水流并非一开始就达到设计状况，而是随着降雨历时的增长才能逐渐形成满流，其流速也是逐渐增大到设计流速的。这样就出现了按满流时的设计流速计算所得的雨水流行时间小于管道内实际的雨水流行时间的情况。如果t值过小，会引起降雨强度过大，计算出的管道断面偏大，造成投资增加。苏联的苏林教授对列宁格勒的雨水道进行了观测，发现大多数雨水管道中雨水流行时间比按最大流量计算的流行时间大20。建议用大于1(1.2)的系数乘以用满流时的流速算出的管内雨水流行时间t2。此外，雨水管渠内各管段的设计流量是按照相应于该管 段

8、的集水时间的设计暴雨强度来计算的，所以在一般情况下 ，各管段的最大流量就不大可能在同一时间内发生。如图4-4 所示，管段AB的最大流量是发生在t=t1时，其管径按满流设 计为DAB。而管段BC的最大流量是发生在t=t1+tA-B时，其管 径按满流设计为DB-C。当DAB出现最大流量时，此时的DB-C只是 部分满流，当管段BC内达到最大流量时，其上游管段AB 的最大流量已过；由于暴雨强度q一般随历时而减少，此时（ t=t1+tA-B时）管段AB的流量显然降低，而DAB是不变的，所 以在沿AB长度内的管道断面就出现了没有充满水的空隙面 积x，在DAB内形成一定的富裕空间，即为管道内的空隙容 量。图

9、4-4 雨水管段剖面上述表明，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 量，使一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，从而可以降低其高峰流量，减小管渠断面尺寸 ，降低工程造价。然而这种调蓄作用，只有在当该管段内水流处于压力流条 件下，才可能实现。因为只有处于压力流的管段的水位高于其 上游管段未满流时的水位足够大时，才能在此水位差作用下形 成回水，迫使水流逐渐向上游管段空隙处流动而充满其空隙。 由于这种水流回水造成的滞流状态，使管道内实际流速低于设 计流速，也就是使管内的实际水流时间t2增大。为了利用这一 原因

10、产生的管道调蓄能力，可用大于l的系数乘以用满流时流 速算得的管内流行时问t2。根据苏联列宁格勒公用事业研究院的空隙容量计算理论，该系数为1.67。综上所述，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。我国室外排水设计规范建议折减系数的采用为：暗管m=2,明渠m=1.2。在陡坡地区，暗管的m=1.22。3径流系数1）径流系数的定义：降落在地面上的雨水，一部分被植物和地面的洼地截留，一部分渗入土壤，只有部分沿地面流入雨水管渠，这部分进入雨水管渠的雨水量称做径流量。径流量与降雨量的比值称径流系数，其值常小于l。2）径流系数的影响因素：(1)降雨条件 包括强度、历时、雨峰位置、前期雨量、强度

11、递减情况、全场雨量，年雨量等； (2)地面条件 包括覆盖、坡度、汇水面积及其宽长比、地下水位、管渠疏密等。降雨因素中的前期雨量，对径流系数的影响比较突出。各种单一覆盖径流系数按下表4-1采用。表4-1 单一覆盖径流系数 覆 盖 种 类径 流 系 数各种屋面、混凝土和沥青路面 大块石铺砌路面、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 非铺砌土地面 绿地和草地O.90 O.60 0.45 O.40 O.30 O.15各城市应参照降雨因素、地面因素等各种具体条件， 根据单一覆盖径流系数用加权平均计算综合径流系数采用， 表4-2数据可作参考。表4-2 综合径流系数不 透 水 覆 盖 面

12、 积 情 况 综合径流系数1建筑稠密的中心区(不透水覆盖面积70) 0.6O.82建筑较密的居住区(不透水覆盖面积50 70)0.50.73建筑较稀的居住区(不透水覆盖面积30 50) 0.4O.64建筑很稀的居住区(不透水覆盖面积1 m,125；h2m,1.4四、设计步骤 (1) 布置管渠系统，划定汇水面积: 在适当比例的、并绘有规划总图的地形图上，布置干支管渠系统，确定水流方 向，确定排水出路，划定并计算干支线的汇水面积。 (2) 定线: 在较大比例的、并绘有规划路的地形条图上，根据现场实际测量定线的成果，定出干支管渠的准确线路 ，并确定井位(计算断面)及每一管(渠)段长度。如线路较 短，

13、情况简单，也可图上定线，但施工时应以实际的位置 、长度为准。 (3) 划分设计沟段与沿线汇水面积。雨水沟道设计一般以100200m左右为一段。沿线汇水面积的划分，要根据当地 地形条件。当地形平坦时，则根据就近排除的原则，把汇 水面积按周围沟道的布置用等分角线划分。当地面有坡度 时，则按雨水向低流的原则划分：(4) 定控制高程：根据现况的、规划的各种有关条件，确定控制点的高程, 确定沟道的最小埋深。 (5) 选定设计数据，包括设计降雨的重现期、地面集水时间和径流系数。设计降雨强度根据暴雨强度公式计算采用。当地尚无暴雨公式时最好配合工程设计进行编制，或参用邻近气象条件相似地区的暴雨公式。 (6)

14、确定雨量参数的设计值。径流系数，重现期、地面集水时间等； (7) 进行水力计算，确定管渠断面、纵坡及高程。(8) 布置雨水口。(9) 进行构筑物的选用和设计，一般应优先选用标准图、特殊的专门设计。【例】 图4-7为一小型居住街坊，地形西高东低，东侧有一天 然河道，常水位为17.5米。要求布置雨水管渠，进行水力计算 。图4-7-1 雨水管道设计平面图 图4-7-2 雨水管道设计纵断面图 第三节 特殊位置的雨排水系统一立交排水 1 特点立交排水与一般道路排水不同，具有以下特点：(1)高程上的不利条件：无论公路立交或铁路立交，位于下边 的道路，其最低点往往比周围干道低约23米，形成盆地且纵 坡很大，

15、雨水很快就汇集到立交最低点，极易造成严重积水。(2)交通上的特殊性：立交多设在交通频繁的主要干道上，防 止积水，确保车辆通行，自然成为排水设计应考虑的主要原则 ，因此排水设计标准要高于一般道路。(3)养护管理上的要求：由于立交道路一般车辆多，速度快， 对排水管道的养护管理、雨水口的清淤带来一定困难。设计上 应适当考虑养护管理的便利。(4)地下水排除问题：当地下水位高于设计路基时，为避免地 下水造成路基翻浆和冻胀，需要同时考虑地下水的排除问题。2一般规定(1)汇水面积：汇水面积应包括引道、坡道、匝道、跨线桥、绿地以及建筑红线以内的适当面积(约10米)，见图4-8 。立交的类别和形式较多，每座立交

16、的组成部分也不完全相同，但对于划分汇水面积，应当提出一个共同的要求：尽量缩 小其汇水面积，以减小流量，在条件许可的情况下，应争取将 属于立交范围的一部分面积，划归附近另外系统，或采取分散 排放的原则，即高水高排(地面高的水接入较高的排水系统， 可自流排出)；低水低排(地面低的水，接入另一个较低的排水 系统，不能自流排除者，进泵站抽升)。以免使雨水都汇集到 最低点，一时排泄不及，造成积水。 图4-8 立交排水汇水面积(2) 雨水口布置：立交的雨水口，一般沿坡道两侧对称布置，越接近最低 点，雨水口摆得越多，往往开始为单蓖或双蓖，到最低点增 加到8蓖或10蓖。另一种布置形式为在立交最低点，横跨路面 布置一排(或对应两排)雨水口，这种截流式虽截流量较大，