淹没出流雨水管简易设计方法.doc

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顺德地区淹没出流雨水管简易设计方法佛山市顺德区规划设计院有限公司陈杰辉

顺德地区淹没出流雨水管

简易设计方法

佛山市顺德区规划设计院有限公司陈杰辉

主题词：

雨水管、淹没出流、淹没出流系数β

前言

雨水管道常规设计方法是根据集雨面积计算流量，再根据排水管的物理坡度，按满流出流确定管径。

排水管末端自由进入河涌、湖泊水体，或通过排水泵站提升，再自由进入水体。

其计算假定为管口出流无压。

但是，位于珠江三角洲的顺德，由于历史的原因，地面标高较低，排水管末端自由进入河涌的条件较差，设计过程中，经常出现按较小物理坡度选取管径，排水管末端出口仍淹没在常水位以下，排水管出流受水体水位顶托，并非自由出流，与我们常规设计方法的计算假定不符合。

在《室外排水设计规范》GB14-87（1997年版）及《给排水设计手册第五册—城镇排水》中要求雨水管按满流计算，并应考虑排放水体水位顶托的影响。

具体在工程上如何计算，则留给工程师各自理解和发挥。

查找有关的资料，均未发现在出口有压时雨水管道的实用计算方法。

本文以水力学中的公式，推导出根据管口出流的压力，利用常规的计算方法，对排水管管径加以放大修正的计算方法，简单，易在工程实际计算。

一.雨水管道常规设计方法

管口出流无压，雨水管按满流设计，雨水设计流量为

Q=ΨqF………………

（1）

Q——流量（L／s）

Ψ——径流系数，<1

q——暴雨强度（L／（s.ha））

F——汇水面积（ha）

根据2003年顺德气象局发布《顺德市暴雨公式及计算图表》，重现期为1年的顺德地区暴雨强度公式为：

q=4417.150*（t+13.960）0.812………………

（2）

（注：

可根据不同设计重现期选取不同暴雨强度公式）

根据各管段所承担的汇水面积，计算各管段的设计流量Q1，并通过选定管材、管径、坡度，确定流速，管段流量Q1a，并控制

Q1a>=Q1

同时，根据管段长度L，按选定的流速，计算出管内雨水流行时间t2，t2作为下游管段的计算汇流时间t1，逐段设计各段雨水管。

在该计算中，选定管材、管径、坡度，确定流速，管段流量Q1a的步骤可通过查钢筋混凝土圆管（满流）水力计算表快速计算。

设计步骤框图如下

二.雨水管管口出流水力计算

实际工程中，排水管为长管出流，其管道水头沿程损失与排水系统长度、管材、管型、坡度有关。

为方便比较，假定一排水系统，其它物理条件不变，仅以管末端出口的有压与无压作比较，简化采用短管出流、恒定流的水力学公式作比较：

A.管口自由出流（出口无压）

图1

………………（3）

Qw——通过管道流量（出口无压）

A——管道断面面积

μc1——管道系统流量系数，

g——重力加速度

B.管口淹没出流（出口有压）

图2

………………（4）

QY——通过管道流量（出口有压）

μc2——管道系统流量系数,

在水力学上，λ（ΣL）/d为管道沿程水头损失，ζ为管道局部水头损失。

淹没出流中，局部水头损失比自由出流多了一出口的局部阻力损失，即ΣζY=Σζw+ζS，ζS为淹没出流（出口有压）时，出口的局部阻力损失，当出口处的A>>1/4πd²时,ζS=1；故有μc1≈μc2，分析对比公式（3）、（4）

Qw/QY=（μc1A）/（μc2A）

Qw=QY

β=………………（5）

Qw=βQY………………（6）

H>Z，故β>1，由公式（6）知，当淹没出流时，同样的管道，其过水能力QY，为自由出流Qw的1/β,将β称为淹没出流系数。

根据公式（6）结果，在雨水管道常规设计方法的设计过程中，我们以Q=ΨqF计算出流量q0，以q0按水力计算表选定排水管直径Dw，及坡度iw,在淹没出流（出口有压）时，其出流能力会减小，出流量只为自由出流（出口无压）的1/β。

故在淹没出流的状态下，沿用常规设计方法计算，排水管直径D，及坡度i,应按淹没出流系数β进行修正。

三.淹没出流时雨水管实用设计方法

淹没出流时雨水管设计，在常规的出流无压雨水管计算中，只需将雨水设计流量q0乘以一放大系数β=，选定管径、坡度。

坡度的选取，结果会影响出口标高h1及H，只需先假定一h1试算，根据试算结果调整β值，多循环一次就可得到满意的计算结果。

设计步骤框图如下

四.数据取值

h0——按管道沿线所有检查井均有一定数值的涌水水深的假定，可取起始管端的地面标高，也可考虑雨水口处的不满流，计算到起始雨水管口标高，由设计人控制。

h1——出水口处管道中心标高。

h2——受水水体水面标高，可根据城市水利部门所提供水闸、排水泵站所控制水位，以水力坡降线推算至雨水管出水口处的水位。

算例：

顺德大良某雨水管，设计出水口处的常水位为1.20，最高水位为1.80，该雨水管始端地面标高为3.20，按常规的出流无压雨水管计算，出水口高管道中心标高为0.50（或假设），考虑雨水管始端雨水口处的不满流深度为0.30。

H=3.20-0.30-0.50=2.40

按常水位设防计算，Z=3.20-0.30-1.20=1.70

β===1.19

按最高位设防计算，Z=3.20-0.30-1.80=1.10

β===1.47

管内雨水流行时间t2——t2=L/v，要注意的是，此时，如采用q0放大后的流量选定管径、坡度，所查出的流速v，应除以β，才是管内雨水流速。

五.存在问题

A.将长管出流，简化采用短管出流作比较，忽略了水头沿程损失与坡度的影响，其精确度是否可行，有待在工程实践中验证。

B.现状排水系统中，每条出口管均由上游多条管由雨水井联结而成，雨水流量在各管段内（雨水井-雨水井之间）是恒定的，但在整个系统管段与管段之间是变化的，将整个系统都看成恒定流而乘β（β=）值放大，是有一定的误差，该误差可否承受，也有待在工程实践中验证。

C.市政排水工程投入与顺德地区受水体的水面控制标高息息相关，河网地区受水体的水面标高，是变化的，但又是可控的，可通过城市水利河涌闸门、排水泵站的开、闭控制；对于整个区域，应从区域的角度制定适合的地面标高及控制水位，使市政建设与城市水利有机地结合起来，才能达到减少工程投入的目标。

D.在有关文献资料中，有称“在压力流条件下的水力坡度与管道底坡无关，仅与上、下游水位差有关”，该概念没错，但容易误导，认为上、下游有水位差，水就可以排走。

排水流量，还要与过水断面面积成线性关系，有了水力坡度，没有足够的过水断面，也不可以顺畅地排出雨水。

另外，在顺德地区上、下游水位差是很小的，与管道沿程损失相比（长管状态），沿程损失不可忽视，故在布置管道时，应顺势而为，尽量取较好的布管方式（在满足过流、及不淤的前提，用较小的纵坡，较大的管径），使沿程损失降到最小，才能得到最大的经济效益。

位于珠江三角洲的顺德，河网发达，近年来，城市化进程加快，城镇内及城镇边际土地商业化程度高，使受水体大量减少，地域抗涝能力急剧降低；同时，雨水管的入河涌距离由500-600m增大至1000-2000m，并且，单路雨水管负荷排水面积加大，使用常规设计方法产生的误差已达到不能忍受的地步。

探讨正确及有效的设计方法，解决地域雨水排放问题，技术上和经济上都有深远的意义。

参考文献：

A.《室外排水设计规范》GB14-87（1997年版）

B.北京市市政工程设计研究总院《给排水设计手册第五册—城镇排水》第二版.2004年4月第四次印刷.P6-P20

C.于布：

《水力学》2001年3月第1版.华南理工大学出版社.2001年3月第1次印刷.P163-P169

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