水污染控制工程 第四章 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（

2、分钟） b历时附加参数 n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,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

3、。 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

4、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、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、，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

11、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,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,注：上表中不透水覆盖面积情况的l、2及3一般相当市区，4相当郊区。,第二节 城镇雨水沟道的设计 一、雨水沟道设计的原则 (1) 尽量利用池塘、河浜受纳地面径流，最大限度地减少雨水沟道的设置。受纳水体周围的地面径流可直接借地面排入水体。 (2) 利用地形，就近排入地面水体。雨水径流的水质和地面情况有关，初期径流的污染较大。近年来，国外个别地区计划处理初期径流，但通常都直

12、接排入水体。雨水沟道应充分利用地形，就近排放地面水体，以降低造价。 (3) 考虑采用明沟。明沟造价低。在建筑物密度较高，交通繁忙的地区，可以采用加盖明沟。 (4) 尽量避免设置雨水泵站。雨水泵站的投资很大，用电量也很大，可能冲击正常用电。 (5) 管道在检查井内连接，一般采用管顶平接，不同断面管道必要时也可采用局部管段管底平接，但在任何情况下进水管底不得低于出水管底。 (6) 在有条件的地方，应考虑两个管道系统之间的连通。,(7) 明渠与暗管的连接： 1)明渠接入暗管，一般有跌差，其护砌做法以及端墙、格栅等均按进水口处理,见图4-5。,图4-5 明渠接入暗管示意,图4-6 暗管接入明渠示意,2

13、) 暗管接入明渠，应考虑淤积问题，也宜安排适量跌差，其端墙及护砌做法按出水口处理，见图4-6。,(8) 明渠与桥涵连接：明渠连接桥涵，要考虑水流断面收缩、流速变化等因素造成水面壅高的影响，必要时需对桥涵的过水能力进行核算。桥涵过水断面，应按明渠水面达到设计超高时的泄水量计算。桥涵流水面可适当低于渠底，对于管涵，其降低高度宜为0.20O.25倍管径，降低部分不计入过水断面。桥涵上游和下流的一段明渠应加铺砌，以防冲刷。 (9) 明渠穿过洼地和高地： 1)明渠穿过洼地，应尽可能允许洼地的雨水排入。需顺渠身筑堤时，宜按土质情况 决定其内外边坡，堤顶宽度不小于0.5米。 2)明渠避免穿过高地，当不得已需

14、局部穿过时，应通过技术经济比较，然后再定该 段采用明渠还是暗渠,二、雨水沟道系统的平面布置 (1)雨水沟道的平面布置，应根据城市规划和建设情况，考虑利用河湖水体与洼地调蓄雨水，把地形条件、地下水位以及原有的和规划的地下设施、施工条件等因素综合考虑、合理布置、分期建设、逐步完善。 (2)在平坦地区，干沟应设在流域的中部，以减少两侧支沟长度，免得干沟埋深过大，增加造价；在陡坡地区，为避免因沟道坡度太陡而设跌水窨井等特殊构筑物，使干沟与等高线斜交，以适当减少干沟坡度。 沟系定线还需注意设在地质良好地段，沿线的特殊构筑物要少，使施工简易，降低造价，也便于养护。 (3)雨水沟系常沿道路铺设，设在道路中线

15、的一侧，与道路相平行，尽量在快车道以外。雨水口的设置位置，要配合道路边沟，在道路交叉口处，雨水不应漫过路面。,三雨水沟道水力学设计的准则 雨水沟道的水力学设计，可按室外排水设计规范进行： (1) 管道按满流设计，明沟应留超高，不小于0.2 m； (2) 最小设计流速为0.75 m/s，明沟为0.4 m/s； (3) 管道可不考虑最大流速，明沟的最大流速可按表4-3采用； (4) 最小管径300mm，最小坡度0.003；雨水口连接管管径200mm，最小坡度0.01； (5) 雨水沟道流速公式： (6)管段衔接一般用管顶平接，当条件不利时也可用管底平接； (7)最小覆土厚度，在车行道下时，一般不小

16、于0.7m，基础应设在冰冻线以下；,表4-3 明沟最大设计流速,注：上表运用于明沟水深在0.41.0m范围内。 如h在0.41.0 m以外，表中流速应乘以下系数 h1 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，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

17、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) 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

18、，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，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

19、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

20、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，但对车辆行驶不便，不如前一种好。

21、面积较大的立交，除坡道外在引道、匝道、绿地中的适当距离和位置，也都应布置一些雨水口。处于最高位置的跨线桥，为了不使雨水径流过长的距离，往往采用泄水孔排水，通过立管引入下层的雨水口或检查井中。雨水口布置的数量，应与设计流量相符合，并应考虑到树叶杂草等堵塞的不利情况，一般在计算出雨水口的总数后，还应视重要性乘以1.21.5的安全系数。雨水口的泄水能力：见给排水设计手册 (3) 管道布置及断面选择： 立交排水管道的布置，应与其它市政管道综合考虑，要避开立交桥基础，和与其它市政设施的矛盾。如不能避开时，应从结构上考虑加固。,二 广场排水 广场包括集会(检阅)广场、交通广场(火车站、长途汽车站、轮船客运

22、站、候机楼前的广场、路口广场)、各种停车场及其它用途的广场等。 1广场排水的特点： 1)地面较平坦，坡度一般在O.005以下。 2)场内不便于设置雨水口，雨水一般靠较长的地面淌流进入周边的雨水口。 3)使用性质重要，不允许造成较严重的积水。 广场内还可能有附设的管理人员用房和临时公用厕所的生活污水，宜采用分流制。 2. 汇水面积划分： (或平整成)有利地形，汇水面积按分散的原则划分。在建筑群中改建的广场应尽量选择广场，应对原有排水系统进行详细了解，统筹安排，不使其雨水威胁广场，见图4-9。,图4-9 广场汇水面积划分及管线雨水口布置,3竖向布置： 宜尽可能设计成龟背式，向四周分散排水，减小径流

23、长度和汇流水层厚度，见图4-10。广场较小或地形受到限制时，也可设计成坡向两侧或坡向一侧的形式，见图4-11。 4管线位置： 管线位置应尽量安排在广场周边汇水线上，但要考虑与树木保持一定的距离，以防树根钻入，堵塞管道。 5管道断面： 采用的断面一般与道路上的雨水管相同。为了更多地截流雨水或当覆土不够时，也可采用加算明渠，有铁算和钢筋混凝土算两种，根据具体情况选用。经常过车的算子，下面应加橡胶垫，以防震动。,图4-10 广场竖向布置 图4-11 广场竖向布置 (四向排水) (一向排水),6雨水口： 广场雨水口有条件时宜对称布置，但要避开广场的出入口。应当选用泄水量大、构造坚固、造型美观的算子。在

24、立面进水时，也应加设算子，以免树叶乱纸进入。广场面积较大，径流系数较高，设置数量宜较计算的适当加多。由于比较集中，常以组为单位进行布置，每组一般为2蓖、3蓖，组与组之间的距离，根据水力计算确定。 7沉泥井： 宜在管道的一定距离设沉泥井。 ， 8排水出路： 就近接入雨水干管或水体，必要时应核算出口水位，防止发生倒灌。 9设计参数： 重现期见表1-8，必要时可提高到5年或10年。径流系数见表1-9。,第四节 雨水泵站的设计 由于雨水泵站的基建费用很高，而其使用率又往往很低，因此在雨水沟道的设计中，应避免建造雨水泵站。只有当地势平坦，管路较长，或出水河道水位很高(如受潮汐影响)，才考虑设置雨水泵站。

25、 一、雨水泵的选择 雨水泵的特点是出水量大而扬程小。适合这一要求的水泵为轴流泵和混流泵。泵站的设计流量为人流沟道流量的120。水泵的选型首先应满足最大设计流量的要求，同时还必须考虑雨水径流量的变化，因为大雨时的径流量与小雨时的径流量的差别很大。所以，雨水泵的台数，一般不宜少于23台，且最好选用同一型号。如必须采用不同型号时，也不宜超过两种。由于雨水泵可以旱季检修，可不设备用水泵。 对于合流泵站，晴天时要为城市污水工作，因此，泵站中还要装设小流量的离心式污水泵或小型的轴流泵，以节约电能。,二、进水池的设计 和污水泵站相比，雨水泵站都是大型泵站。在暴雨时，泵站在短时内要排出大量雨水，如果完全用集水

26、池来调节，往往需要很大的容积。由于雨水沟道的断面一般都很大，其敷设的坡度较小，故可以将沟道本身作为备用调节池来利用。 由于进水池中的水流情况极易影响轴流泵叶轮进口的水流条件，从而影响水泵的工作性能。所以，正确地设计进水池和布置水泵就显得格外重要；否则，在进水池或水泵吸水室中将可能产生涡流而使水泵的工作状态不平稳、效率下降、以及轴承磨损和叶轮腐蚀。应使进水均等地流向每台水泵，必要时可以设置导流壁或锥，以防止涡流的形成。 为便于检修，进水池最好分隔为几个进水间。分隔可采用水工上常用的闸板装置。墙设砖墩，墩上有槽，以便插入闸板。闸板设二道，中间可用粘土填实。,三、雨水泵站的布置 雨水泵站按水泵轮轴安

27、装的位置，有卧式(图4-12)、竖式(图4-13)和斜式(图4-14)之分。根据泵组间是否浸水，可分为湿室与干室两类。图4-15为干室雨水泵站，图4-16为湿室雨水泵站。,图4-12 卧式轴流雨水泵站 图4-13竖式轴流雨水泵站,图4-14 斜式轴流雨水泵站,图4-15干室雨水泵站 人流管；格栅； 水泵；出水管传动轴；立式电机；单向流活门；出水井；出水管；单梁吊车,图4-16 湿室雨水泵站 人流管；格栅；水泵；压水管；传动轴；立式电机；单向流活门；出水井；出水管；单梁吊车,进水池中面对入流管设格栅以阻拦粗大飘浮物，栅条间距一般采用50100mm。雨水泵站，尤其是终点雨水泵站，宜设泄水岔道，以便在河水位不高的情况下，雨水可自流排入水体。图4-17所示是“干室式”雨水泵站的实例。,图4-17 干室雨水泵站 实例,