第三章雨水管渠系统的设计

1、第3章 雨水管渠系统的设计Water Supply and Sewerage Engineering资源与环境学院资源与环境学院环境工程教研室环境工程教研室#本章内容第第1 1节节 雨量分析与暴雨强度公式雨量分析与暴雨强度公式第第2 2节节 雨水管渠设计流量的确定雨水管渠设计流量的确定第第3 3节节 雨水管渠系统的设计和计算雨水管渠系统的设计和计算第第4 4节节 排洪沟的设计与计算排洪沟的设计与计算#确定当地暴雨强度公式；确定当地暴雨强度公式；划分排水流域，雨水管渠定线；划分排水流域，雨水管渠定线；根据气象、地理条件，确定设计参数；根据气象、地理条件，确定设计参数；计算设计流量、进行水力计算，

2、确定管道尺寸、计算设计流量、进行水力计算，确定管道尺寸、坡度、管底标高及埋深；坡度、管底标高及埋深；绘制管渠平面图及纵剖面图。绘制管渠平面图及纵剖面图。雨水管渠设计的主要内容包括哪些？#3.1.13.1.1雨量分析的几个要素雨量分析的几个要素1. 降雨量：指降雨的绝对量，用降雨深度（mm）表示， 也可用单位面积的降雨体积（L/ha）表示。年平均降雨量：指多年观测所得的各年降雨量的平均值月平均降雨量：指多年观测所得的各月降雨量的平均值年最大日降雨量：指多年观测所得的一年中降雨量最大 一日的绝对量第1节 雨量分析与暴雨强度公式# 中国气象局规定中国气象局规定：p2424小时内的降雨量称之小时内的降

3、雨量称之日降雨量日降雨量，p凡是日降雨量在凡是日降雨量在1010毫米以下称为小雨，毫米以下称为小雨，p10.024.910.024.9毫米为中雨，毫米为中雨，p25.049.925.049.9毫米为大雨，毫米为大雨，p50.0-99.950.0-99.9毫米为暴雨，毫米为暴雨，p100.0-250.0100.0-250.0毫米为大暴雨，毫米为大暴雨，p超过超过250.0250.0毫米的称为特大暴雨。毫米的称为特大暴雨。 #虹吸式雨量计虹吸式雨量计# 虹吸式雨量计虹吸式雨量计 是可是可连续连续记录降水量和降记录降水量和降水时间的仪器。水时间的仪器。 当雨水经过漏斗导入量筒当雨水经过漏斗导入量筒后

4、，量筒内的浮子将随水后，量筒内的浮子将随水位升高而上浮，带动位升高而上浮，带动自记自记笔笔在自记纸上划出水位上在自记纸上划出水位上升的曲线。升的曲线。 雨量桶内雨量一旦达到雨量桶内雨量一旦达到1010毫米毫米，便利用虹吸原理自，便利用虹吸原理自动抽一次水动抽一次水 #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。从自计雨量记录纸上直接读得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 ； 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 t

5、Hi =#p暴雨强度是描述暴雨特征的重要指标，也暴雨强度是描述暴雨特征的重要指标，也是确定雨水设计流量的重要依据。是确定雨水设计流量的重要依据。p在任一场暴雨中，暴雨强度是随降雨历时在任一场暴雨中，暴雨强度是随降雨历时变化的。变化的。p所取的降雨历时长，则与该历时相对应的所取的降雨历时长，则与该历时相对应的暴雨强度将小于短历时对应的暴雨强度。暴雨强度将小于短历时对应的暴雨强度。#p 在推求暴雨强度公式时，常采用在推求暴雨强度公式时，常采用5 5、1010、1515、2020、3030、4545、6060、9090、120min9120min9个时段个时段p 自记雨量曲线上任一点的斜率表示降雨过

6、程自记雨量曲线上任一点的斜率表示降雨过程中任一瞬时的强度，称为瞬时暴雨强度中任一瞬时的强度，称为瞬时暴雨强度p 斜率越大，斜率越大，？越越？#4降雨面积和汇水面积流往流往ABAB断面的汇水面积，断面的汇水面积，即为即为ABAB断面与该山谷相邻断面与该山谷相邻的山脊线的连线所围成的的山脊线的连线所围成的面积面积( (图中虚线部分图中虚线部分) )。 降雨面积：指降雨所笼罩的面积 汇水面积：指雨水管渠汇集雨水的面积 #5降雨频率和重现期九八洪水百年一遇# 降雨的频率降雨的频率：是指等于或大于某值的暴雨强度出现的：是指等于或大于某值的暴雨强度出现的 次数次数m m与观测资料总项数与观测资料总项数n

7、n之比的百分数之比的百分数 %100=NMmPn%100=NmPn次频率次频率年频率年频率%100=nmPn每年只选每年只选一个雨样一个雨样#%1001+=NMmPn水文计算中采用下式水文计算中采用下式？%1001+=NmPn次频率次频率年频率年频率这一定义是假定降雨观测资料年限非常长，可代表降这一定义是假定降雨观测资料年限非常长，可代表降雨的整个历史过程。但实际上是不可能的，只能取得雨的整个历史过程。但实际上是不可能的，只能取得一定年限内的暴雨强度值，因而一定年限内的暴雨强度值，因而n n是有限的。按上式求是有限的。按上式求得的暴雨强度的频率，只能反映一定时期内的经验，得的暴雨强度的频率，只

8、能反映一定时期内的经验，不能反映整个降雨的规律，故称为经验频率。不能反映整个降雨的规律，故称为经验频率。# 重现期与频率互为倒数重现期与频率互为倒数（频率与周期的关系）（频率与周期的关系）nPP1= 降雨的重现期降雨的重现期：是指等于或大于某值的暴雨强：是指等于或大于某值的暴雨强 度出现一次的时间间隔度出现一次的时间间隔（年）（年） mNPPn11+=mMNMP1+=#3.1.2暴雨强度公式nbtPcAq)()lg1 (1671+=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，降雨历时、重现期三者间关系#

9、p附录附录3-23-2收录了我国若干城市的暴雨强度收录了我国若干城市的暴雨强度公式，可供选用公式，可供选用p但尚有一些城镇无该公式，可选附近城区但尚有一些城镇无该公式，可选附近城区的公式的公式p或根据气象台收集自记雨量记录，做出暴或根据气象台收集自记雨量记录，做出暴雨强度曲线雨强度曲线#第第2 2节节 雨水管渠设计流量的确定雨水管渠设计流量的确定3.2.13.2.1污水管渠设计流量计算公式污水管渠设计流量计算公式此公式是根据一定的假设条件，由雨水径流成此公式是根据一定的假设条件，由雨水径流成因加以推导而得出，是半经验半理论公式，用因加以推导而得出，是半经验半理论公式，用于小流域面积计算，通常称

10、为推理公式。于小流域面积计算，通常称为推理公式。qFQ=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。#1.1.地面点上产流过程地面点上产流过程降雨强度先增大，后减小降雨强度先增大，后减小降雨总历时、余水历时、径流历降雨总历时、余水历时、径流历时时l开始，降雨强度小于入渗率开始，降雨强度小于入渗率l后来，强度大于入渗率，开始余水后来，强度大于入渗率，开始余水l雨水积满洼地，产流雨水积满洼地，产流#2.2.流域上汇流过程流域上汇流过程a a为集流点，假设汇水面积内坡为集流点，假设汇水面积内坡度相等。度相等。弧线弧线de, fg, hi

11、de, fg, hi等称为等流线等称为等流线 等流线上各点流达等流线上各点流达a a点时间相等点时间相等流域边缘线流域边缘线bcbc各点的雨水流达各点的雨水流达a a点时间点时间0称为这块汇水面积的集称为这块汇水面积的集流时间或流时间或集水时间集水时间。at1t2t3defghibct4#雨水管道设计的极限强度理论：雨水管道设计的极限强度理论：1 1当汇水面积上最远点的雨水流达集流点时，当汇水面积上最远点的雨水流达集流点时，全面积产生汇流，雨水管道的全面积产生汇流，雨水管道的设计流量最大设计流量最大2 2当当降雨历时降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水等于汇水面积上最远点的雨水流达集流点的流达集

12、流点的集流时间集流时间时，雨水管道需要排除时，雨水管道需要排除的雨水量最大。的雨水量最大。#3 3雨水管段的设计流量计算雨水管段的设计流量计算# A A、B B、C C为三块互相毗邻的区域，设面积为三块互相毗邻的区域，设面积F FA A=F=FB B=F=FC C, ,雨水从各汇水面积上最远点分别流入雨水口雨水从各汇水面积上最远点分别流入雨水口 a a、b b、c c的地面集水时间均为的地面集水时间均为1 1，并假设：，并假设：1 1）汇水面积随集水时间的增加而均匀增加；）汇水面积随集水时间的增加而均匀增加；2 2）降雨历时）降雨历时t t等于或大于汇水面积上最远点的雨水流等于或大于汇水面积上

13、最远点的雨水流达设计断面的集水时间达设计断面的集水时间1 1；3 3）径流系数）径流系数为定值为定值, ,假定为假定为1 1。#直到直到 t t1 1时，时，F FA A全部面积上的雨水均已全部流全部面积上的雨水均已全部流到设计断面，这时管段到设计断面，这时管段1 12 2内流量达到最大值。内流量达到最大值。AFqQ=121 （L/s）式中式中 q q1 1 管段管段1 12 2的设计暴雨强度，即相应降雨历的设计暴雨强度，即相应降雨历时时 t t1 1时的暴雨强度（时的暴雨强度（L/sL/shaha）#J该设计管段收集汇水面积该设计管段收集汇水面积 F FA A和和 F FB B上的雨水，上的

14、雨水，2 2断面为断面为管段管段2 23 3的设计断面。的设计断面。J当当 t t1 1+ +t t1 12 2时，时，F FA A和和 F FB B全部面积上的雨水均流到全部面积上的雨水均流到2 2断面，管段断面，管段2 23 3的流量达到最大值。即：的流量达到最大值。即：()BAFFqQ+=232 （L/s）式中式中 q q2 2 管段管段2 23 3的设计暴雨强度，即相应于降雨历的设计暴雨强度，即相应于降雨历时时 t t1 1+ +t t1 12 2的暴雨强度（的暴雨强度（L/sL/shaha）；）； t t1 12 2 管段管段1 12 2的管内雨水流行时间（的管内雨水流行时间（min

15、min）。）。# ()CBAFFFqQ+=343 （L/s）式中式中 q q3 3 管段管段3 34 4的设计暴雨强度，即相应于降雨的设计暴雨强度，即相应于降雨历时历时 t t1 1+ + t t1 12 2 + +t t2 23 3的暴雨强度的暴雨强度（L/sL/shaha）。）。 t t2 23 3 管段管段2 23 3的管内雨水流行时间（的管内雨水流行时间（minmin）#p各设计管段的雨水各设计管段的雨水设计流量设计流量，等于该管段承，等于该管段承担的全部担的全部汇水面积汇水面积和设计和设计暴雨强度暴雨强度的乘积；的乘积；p而各管段的设计暴雨强度则是相应于该管段而各管段的设计暴雨强度则

16、是相应于该管段设计断面的设计断面的集水时间集水时间的的暴雨强度暴雨强度。p由于各管段的集水时间不同，所以各管段的由于各管段的集水时间不同，所以各管段的设计暴雨强度亦不同。设计暴雨强度亦不同。#3.2.2 3.2.2 径流系数径流系数的确定的确定进入雨水管渠的雨水量称为进入雨水管渠的雨水量称为径流量径流量径流量径流量与与降雨量降雨量的比值称径流系数的比值称径流系数，其值常，其值常小于小于1 1。# 平均径流系数在设计中，有时候也用区域综合径流系数，在设计中，有时候也用区域综合径流系数，一般市区的综合径流系数一般市区的综合径流系数0.50.50.80.8，郊区的综合径流系数郊区的综合径流系数0.4

17、0.40.60.6。FFiiav=式中式中i i汇水面积上各类地面的面积（汇水面积上各类地面的面积（haha）；）； i i相应于各类地面的径流系数；相应于各类地面的径流系数； 全部汇水面积（全部汇水面积（haha）。）。3.2.2 3.2.2 径流系数径流系数的确定的确定#3.2.3设计重现期P的确定暴雨强度随着设计重现期增大而增大。因此综合考暴雨强度随着设计重现期增大而增大。因此综合考虑排水安全性和经济性，要确定适当的设计重现期。虑排水安全性和经济性，要确定适当的设计重现期。根据汇水面积的地区根据汇水面积的地区建设性质建设性质，地形特点地形特点、汇水面汇水面积积和和气象特点气象特点等因素确

18、定。等因素确定。一般地区选择一般地区选择0.50.53a,3a,重要地区选择重要地区选择2 25a5a。我国部分城市采用的雨水管渠设计重现期见表我国部分城市采用的雨水管渠设计重现期见表3-63-6#3.2.4集水时间t的确定t t 为集水时间为集水时间t t1 1 为地面集水时间为地面集水时间t t2 2 管内雨水流行时间管内雨水流行时间m m 折减系数折减系数, ,管道采用管道采用2 2，明渠采用，明渠采用1.21.2，陡坡，陡坡 地区管道采用地区管道采用1.2-2.01.2-2.021mttt+=#1.1.地面集水时间地面集水时间t t1 1的确定的确定 主要取决于水流距离的主要取决于水流

19、距离的长短长短和地面和地面坡度坡度。在工程。在工程实践中，地面集水时间通常不予计算，一般采用实践中，地面集水时间通常不予计算，一般采用5 515min15min 一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口布置较一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口布置较密的地区，宜采用较小值，取密的地区，宜采用较小值，取 t t1 15 58min8min。 在建筑密度较小、地形较平坦、雨水口布置较疏在建筑密度较小、地形较平坦、雨水口布置较疏的地区，宜采用较大值，取的地区，宜采用较大值，取 t t1 1101015min15min。 #t t2 2 是指雨水在管渠内的流行时间，即：是指雨水在管渠内的流行时间，即： 式

20、中式中 t t2 2 管渠内雨水流行时间（管渠内雨水流行时间（minmin）；）； L L 各设计管段的长度（各设计管段的长度（m m）；）； v v 各设计管段满流时的流速（各设计管段满流时的流速（m/sm/s）；）； 6060 单位换算系数。单位换算系数。( )min602vLt =2.2.管渠内雨水流行时间管渠内雨水流行时间 t t2 2的确定的确定#3. 3. 折减系数折减系数m m值的确定值的确定（1 1）雨水管渠按满流设计，但降雨时，管渠中的雨水管渠按满流设计，但降雨时，管渠中的水流水流并非一开始并非一开始就达到就达到设计流速设计流速，而是随着降雨，而是随着降雨历时的增长逐渐达到设计流速的。这样，按公式历时的增长逐渐达到设计流速的。这样，按公式算出的管渠内流行时间算出的管渠内流行时间 t t2 2将比实际时间偏小。将比实际时间偏小。# 当任一管段