【土木建筑】第三章 雨水管渠系统的设计.ppt
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1、第三部分 雨水管渠系统设计,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,3-1 雨量分析与暴雨强度公式,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/
2、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)/min=1(L/min)/m2=10000(L/m
3、in)/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。,在城市暴雨的推球过程中,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,各历时的最大平均暴雨强度 相应于各降水历时,降雨量最大的那个时段内的降水量(?),最大平均暴雨强度(教材P 65的表3-1),4、降雨面积: 指降雨所笼罩
4、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km2。,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 n=N, Pn=m/n100%=m/N100 %为年频率; n
5、=NM, Pn=m/n100% =m/NM100% 为次数频率。 因此,水文计算常采用的公式为: Pn=m /(n+1) 100%,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。,Pn=m /(n+1) 100%,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
6、: 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,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
7、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)、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:,教材附录3-2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
8、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、地面径流与径流系数 二、流域上的汇流过程 三、雨水管渠设计流量计算公式 四、雨水管段的设计流量计算举例 五、集水时间的确定 六、雨水径流量的调节,3-2 雨水管渠设计流量的确定,一、地面径流与径流系数,1、地面径流与径流系数 产流过程: 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。 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
9、国排水设计规范中有关径流系数取值的规定见下表,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: av=Fi i / F,在工程设计中,经常采用区域综合径流系数近似代替平均径流系数,区域综合径流系数,国内各地区采用的综合径流系数见教材74页的表3-5,二、流域上的汇流过程,当流域最边缘线上的雨水达到集流点A时,在A点汇集的流量其汇水面积扩大到整个流域,即全部流域面积参与径流,此时在A点产生最大流量。,从流域上最远一点的雨水流至出口断面的时间称为流域的集流时间或集水时间0,A,t1,t2,t3,B,C,D,E,F,G,b,c,0,当全流域参与径
10、流时, A点产生的最大流量来自0时段内的降雨量,三、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; F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F: 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,在雨水管道的设计中,采用的降雨历时t=汇水面积最远点的雨水流达集流点的集流时间0,此时暴雨强度、汇水面积都是相
11、应的极限值,根据公式确定的流量应是最大值。这便是雨水管道设计的极限强度理论。,t 0时,只有一部分面积参与径流。与t=0时相比较,此时暴雨强度大于t=0时的暴雨强度,但汇水面积小。根据公式计算得来的雨水径流量小于t=0时的径流量。,极限强度理论,t 0时,全部流域面积参与径流。与t=0时相比较,此时汇水面积没有增加,而暴雨强度小于t=0时的暴雨强度。根据公式计算得来的雨水径流量小于t=0时的径流量。,极限强度理论: 承认 暴雨强度随降雨历时的延长而减小的规律性; 汇水面积随降雨历时的延长而增长的规律性; 汇水面积随降雨历时的延长而增长的速度比暴雨强度随降雨历 时的延长而减小的速度更快。,在使用
12、该式时,随着计算管段位置的不同,管渠的值不同;汇水面积不同;从汇水面积最远端到计算断面处的集流时间0是不同的,从而,相应于0时的暴雨强度也是不同的。,四、雨水管段的设计流量计算举例,图中:A、B、C为3块互相毗邻的区域,设面积FA=FB=FC,雨水从各块面积上的最远点分别流入设计断面1、2、3所需的集水时间均为 1( min),并设: (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; (3)径流系数为确定值,为讨论方便,假定其值等于1。 求:图中各管段的设计流量,解:(1)管段12的雨水设计流量 Q12= 1q1FA=q1FA
13、 其中,q1为降雨历时t= 1时对应的暴雨强度。,(2)管段23的雨水设计流量 Q23= 2q2(FA+FB)= q2(FA+FB) 其中,q2为降雨历时t= 1+t12时对应的暴雨强度。,(3)管段34的雨水设计流量 Q34= 3q3(FA+FB+FC)= q3(FA+FB+FC) 其中,q3为降雨历时t= 1+t12+t23时对应的暴雨强度。,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。,五、集水时间t(0)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
14、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,一般采用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
15、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的流行时间(苏林系数); 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(管道调蓄利用系数) 管段12的最大流量发生在1时刻,根据最大流量确定出D12;管段23的最大流量发生在1+t12时刻.,我国室外排水设计规范规定:折减系数的采用为管道采用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:,六、
16、雨水径流量的调节,1、雨水调节池的作用,2、雨水调节池的位置 若有天然洼地、池塘、公园水池可用,则位置视自然条件而定; 若采用筑坝、挖掘等方式建造调节池时,则要合理选择位置: 雨水干管中游或有大流量管道的交汇处; 正在进行大规模住宅建设和新城开发的区域; 在拟建雨水泵站前。,3、调节池的布置形式,六、雨水径流量的调节,溢流堰式,底部流槽式,4、调节池下游干管设计流量的计算 若调节池下游干管无本段汇水面积的雨水进入时:,其设计流量为Q=Qmax,Qmax-调节池上游干管的设计流量,-下游干管设计流量的降低系数,六、雨水径流量的调节,若调节池下游干管有本段汇水面积的雨水进入时:,其设计流量为Q=Q
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