水污染控制工程 第四章 城鎮(zhèn)雨水溝道的設計

第四章 城鎮(zhèn)雨水溝道的設計,第一節(jié) 雨水徑流量的計算 雨水溝道和合流溝道的設計以降雨量為基礎，其設計流量為雨水徑流量。 一雨水流量公式 (4-1) 式中： qv 雨水溝道的設計流量(Ls) A 排水面積(ha) i 降雨強度(mmmin) q 設計降雨強度(L/sha) K 單位換算系數(shù)，等于167 徑流系數(shù)，其值小于1,二暴雨強度公式 暴雨強度q一般按下面公式計算： （4-2） 式中：q一 設計降雨強度(L/sha) P 設計降雨重現(xiàn)期（年） A1重現(xiàn)期為一年的設計降雨的雨力 C 雨力變動參數(shù)。反映設計降雨各歷時不同重現(xiàn)期的強度變化程度（即呈現(xiàn)在單對數(shù)格紙上的斜率=ip=1C） t降雨歷時（分鐘） b歷時附加參數(shù) n歷時指數(shù) b、n兩個參數(shù)聯(lián)用，共同反映同重現(xiàn)期的設計降雨隨歷時延長其強度遞減變化的情況。 不同城市的暴雨強度公式可查閱給排水設計手冊城市排水分冊。 馬鞍山市的暴雨強度公式為： （參照蕪湖地區(qū)） （4-3）,圖4-1 安徽省部分地區(qū)的暴雨強度公式,三基本參數(shù)的確定 1設計降雨的重現(xiàn)期 設計降雨的重現(xiàn)期系根據(jù)地形特點和地區(qū)建設性質（居住區(qū)、中心區(qū)、工廠區(qū)、干道、廣場等）兩項主要因素確定，一般按下表確定（選自給排水設計手冊城市排水分冊）： 設計降雨的重現(xiàn)期,2設計降雨歷時 一場暴雨經(jīng)歷的整個時段稱陣雨歷時；陣雨過程中任一連續(xù)的時段則稱降雨歷時。陣雨歷時和降雨歷時常用分鐘計算。 雨水管渠的設計降雨歷時包括地面集水時間和管渠內流行的時間兩部分，計算公式為： （4-4） 式中： t 設計降雨歷時，min； t1 地面集水時間，min； t2管渠內流行時間，min； m 延緩系數(shù)（也稱折減系數(shù)）， 暗管m=2，明渠m=1.2。,（1） 地面集水時間的確定 地面集水時間：是管渠起點斷面在設計重現(xiàn)期、設計歷時降雨的條件下達到設計流量的時間， 確定這個時間，要考慮地面集水距離、匯水面積、地面覆蓋、地面坡度和降雨強度等因素。在地面坡度皆屬平緩、地面覆蓋互相接近、降雨強度都差不多的情況下(我國多數(shù)平原大中城市即屬這種情況)，地面集水距離成為主要因素。從匯水量上考察，平坦地形的地面集水距離的合理范圍是50150米，比較適中的是80120米。 以圖4-2為例。,圖4-2 地面集水時間計算示意圖 1一房屋，2一屋面分水線，3一道路邊溝 , 4一雨水管 , 5一道路,圖中箭頭表示水流方向。雨水從匯水面積上最遠點的房屋屋面分水線A點流到雨水口的地面集水時間通常是由下列流行路程的時間所組成: a. 從屋面A點沿屋面坡度經(jīng)屋檐下落到地面散水坡的時間，通常為0.3O.5min。 b. 從散水坡沿地面坡度流入附近道路邊溝的時間. c. 沿道路邊溝到雨水口a的時間。 地面集水時間受地形坡度、地面鋪砌、地面種植情況、水流路程、道路橫坡和寬度等因素的影響，這些因素直接決定著水流沿地面或邊溝的速度。此外，也與暴雨強度有關，因為暴雨強度大，水流時間就短。但在上述各因素中，地面集水時間主要取決于水流距離的長短和地面坡度。,在實際應用中，要準確地計算t。值是困難的，故一般不進行計算，而采用經(jīng)驗數(shù)值。 根據(jù)室外排水設計規(guī)范規(guī)定；地面集水時間視距離長短和地形坡度而定，一般采用t =515min。在設計工作中，應結合具體條件恰當?shù)剡x定。如t選用過大，將會造成排水不暢，以致使管道上游地面經(jīng)常積水，選用過小，又將使雨水管渠尺寸加大而增加工程造價。 按照經(jīng)驗，一般在建筑密度較大、地形較陡、雨水口分布較密的地區(qū)，或街坊內設置有雨水暗管，宜采用較小的t1值，可取t1=58min左右。而在建筑密度較小、匯水面積較大、地形較平坦、雨水口布置較稀疏的地區(qū)，宜采用較大的t1值，一般可取t1=1015min。起點井上游地面流行距離以不超過120150m為宜。,地面集水時間可參考圖4-3選用。圖4-3上數(shù)據(jù)系按華北平原的平均降雨強度計算，基本上適用于東北平原，華北平原，長江中下游平原的城市，西北內陸、嶺南沿海的平坦地形城市參用時可將集水時間適當加以調整，山區(qū)城市不適用。,地面集水距離L(米) 圖4-3 地面集水時間,（2） 延緩系數(shù)m值的確定 雨水管道按滿流進行設計，但計算雨水設計流量公式的極限強度法原理指出，當降雨歷時等于集流時間時，設計斷面的雨水流量才達到最大值。因此，雨水管渠中的水流并非一開始就達到設計狀況，而是隨著降雨歷時的增長才能逐漸形成滿流，其流速也是逐漸增大到設計流速的。這樣就出現(xiàn)了按滿流時的設計流速計算所得的雨水流行時間小于管道內實際的雨水流行時間的情況。如果t值過小，會引起降雨強度過大，計算出的管道斷面偏大，造成投資增加。蘇聯(lián)的蘇林教授對列寧格勒的雨水道進行了觀測，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)雨水管道中雨水流行時間比按最大流量計算的流行時間大20。建議用大于1(1.2)的系數(shù)乘以用滿流時的流速算出的管內雨水流行時間t2。,此外，雨水管渠內各管段的設計流量是按照相應于該管段的集水時間的設計暴雨強度來計算的，所以在一般情況下，各管段的最大流量就不大可能在同一時間內發(fā)生。如圖4-4所示，管段AB的最大流量是發(fā)生在t=t1時，其管徑按滿流設計為DAB。而管段BC的最大流量是發(fā)生在t=t1+tA-B時，其管徑按滿流設計為DB-C。當DAB出現(xiàn)最大流量時，此時的DB-C只是部分滿流，當管段BC內達到最大流量時，其上游管段AB的最大流量已過；由于暴雨強度q一般隨歷時而減少，此時（t=t1+tA-B時）管段AB的流量顯然降低，而DAB是不變的，所以在沿AB長度內的管道斷面就出現(xiàn)了沒有充滿水的空隙面積x，在DAB內形成一定的富?？臻g，即為管道內的空隙容量。,圖4-4 雨水管段剖面,上述表明，當任一管段發(fā)生設計流量時，其他管段都不是滿流(特別是上游管段)，所以可設想利用此上游管段存在的空隙容量，使一部分水量暫時貯存在此空間內，而起到調蓄管段內最大流量的作用，從而可以降低其高峰流量，減小管渠斷面尺寸，降低工程造價。 然而這種調蓄作用，只有在當該管段內水流處于壓力流條件下，才可能實現(xiàn)。因為只有處于壓力流的管段的水位高于其上游管段未滿流時的水位足夠大時，才能在此水位差作用下形成回水，迫使水流逐漸向上游管段空隙處流動而充滿其空隙。由于這種水流回水造成的滯流狀態(tài)，使管道內實際流速低于設計流速，也就是使管內的實際水流時間t2增大。為了利用這一原因產(chǎn)生的管道調蓄能力，可用大于l的系數(shù)乘以用滿流時流速算得的管內流行時問t2。,根據(jù)蘇聯(lián)列寧格勒公用事業(yè)研究院的空隙容量計算理論，該系數(shù)為1.67。 綜上所述，折減系數(shù)m實際是蘇林系數(shù)與管道調蓄利用系數(shù)兩者的乘積。 我國室外排水設計規(guī)范建議折減系數(shù)的采用為：暗管m=2,明渠m=1.2。在陡坡地區(qū)，暗管的m=1.22。,3徑流系數(shù) 1）徑流系數(shù)的定義： 降落在地面上的雨水，一部分被植物和地面的洼地截留，一部分滲入土壤，只有部分沿地面流入雨水管渠，這部分進入雨水管渠的雨水量稱做徑流量。徑流量與降雨量的比值稱徑流系數(shù)，其值常小于l。,2）徑流系數(shù)的影響因素： (1)降雨條件 包括強度、歷時、雨峰位置、前期雨量、強度遞減情況、全場雨量，年雨量等； (2)地面條件 包括覆蓋、坡度、匯水面積及其寬長比、地下水位、管渠疏密等。 降雨因素中的前期雨量，對徑流系數(shù)的影響比較突出。 各種單一覆蓋徑流系數(shù)按下表4-1采用。,表4-1 單一覆蓋徑流系數(shù),各城市應參照降雨因素、地面因素等各種具體條件，根據(jù)單一覆蓋徑流系數(shù)用加權平均計算綜合徑流系數(shù)采用，表4-2數(shù)據(jù)可作參考。 表4-2 綜合徑流系數(shù),注：上表中不透水覆蓋面積情況的l、2及3一般相當市區(qū)，4相當郊區(qū)。,第二節(jié) 城鎮(zhèn)雨水溝道的設計 一、雨水溝道設計的原則 (1) 盡量利用池塘、河浜受納地面徑流，最大限度地減少雨水溝道的設置。受納水體周圍的地面徑流可直接借地面排入水體。 (2) 利用地形，就近排入地面水體。雨水徑流的水質和地面情況有關，初期徑流的污染較大。近年來，國外個別地區(qū)計劃處理初期徑流，但通常都直接排入水體。雨水溝道應充分利用地形，就近排放地面水體，以降低造價。 (3) 考慮采用明溝。明溝造價低。在建筑物密度較高，交通繁忙的地區(qū)，可以采用加蓋明溝。 (4) 盡量避免設置雨水泵站。雨水泵站的投資很大，用電量也很大，可能沖擊正常用電。 (5) 管道在檢查井內連接，一般采用管頂平接，不同斷面管道必要時也可采用局部管段管底平接，但在任何情況下進水管底不得低于出水管底。 (6) 在有條件的地方，應考慮兩個管道系統(tǒng)之間的連通。,(7) 明渠與暗管的連接： 1)明渠接入暗管，一般有跌差，其護砌做法以及端墻、格柵等均按進水口處理,見圖4-5。,圖4-5 明渠接入暗管示意,圖4-6 暗管接入明渠示意,2) 暗管接入明渠，應考慮淤積問題，也宜安排適量跌差，其端墻及護砌做法按出水口處理，見圖4-6。,(8) 明渠與橋涵連接：明渠連接橋涵，要考慮水流斷面收縮、流速變化等因素造成水面壅高的影響，必要時需對橋涵的過水能力進行核算。橋涵過水斷面，應按明渠水面達到設計超高時的泄水量計算。橋涵流水面可適當?shù)陀谇?，對于管涵，其降低高度宜?.20O.25倍管徑，降低部分不計入過水斷面。橋涵上游和下流的一段明渠應加鋪砌，以防沖刷。 (9) 明渠穿過洼地和高地： 1)明渠穿過洼地，應盡可能允許洼地的雨水排入。需順渠身筑堤時，宜按土質情況 決定其內外邊坡，堤頂寬度不小于0.5米。 2)明渠避免穿過高地，當不得已需局部穿過時，應通過技術經(jīng)濟比較，然后再定該 段采用明渠還是暗渠,二、雨水溝道系統(tǒng)的平面布置 (1)雨水溝道的平面布置，應根據(jù)城市規(guī)劃和建設情況，考慮利用河湖水體與洼地調蓄雨水，把地形條件、地下水位以及原有的和規(guī)劃的地下設施、施工條件等因素綜合考慮、合理布置、分期建設、逐步完善。 (2)在平坦地區(qū)，干溝應設在流域的中部，以減少兩側支溝長度，免得干溝埋深過大，增加造價；在陡坡地區(qū)，為避免因溝道坡度太陡而設跌水窨井等特殊構筑物，使干溝與等高線斜交，以適當減少干溝坡度。 溝系定線還需注意設在地質良好地段，沿線的特殊構筑物要少，使施工簡易，降低造價，也便于養(yǎng)護。 (3)雨水溝系常沿道路鋪設，設在道路中線的一側，與道路相平行，盡量在快車道以外。雨水口的設置位置，要配合道路邊溝，在道路交叉口處，雨水不應漫過路面。,三雨水溝道水力學設計的準則 雨水溝道的水力學設計，可按室外排水設計規(guī)范進行： (1) 管道按滿流設計，明溝應留超高，不小于0.2 m； (2) 最小設計流速為0.75 m/s，明溝為0.4 m/s； (3) 管道可不考慮最大流速，明溝的最大流速可按表4-3采用； (4) 最小管徑300mm，最小坡度0.003；雨水口連接管管徑200mm，最小坡度0.01； (5) 雨水溝道流速公式： (6)管段銜接一般用管頂平接，當條件不利時也可用管底平接； (7)最小覆土厚度，在車行道下時，一般不小于0.7m，基礎應設在冰凍線以下；,表4-3 明溝最大設計流速,注：上表運用于明溝水深在0.41.0m范圍內。 如h在0.41.0 m以外，表中流速應乘以下系數(shù) h1 m,125；h2m,1.4,四、設計步驟 (1) 布置管渠系統(tǒng)，劃定匯水面積: 在適當比例的、并繪有規(guī)劃總圖的地形圖上，布置干支管渠系統(tǒng)，確定水流方向，確定排水出路，劃定并計算干支線的匯水面積。 (2) 定線: 在較大比例的、并繪有規(guī)劃路的地形條圖上，根據(jù)現(xiàn)場實際測量定線的成果，定出干支管渠的準確線路，并確定井位(計算斷面)及每一管(渠)段長度。如線路較短，情況簡單，也可圖上定線，但施工時應以實際的位置、長度為準。 (3) 劃分設計溝段與沿線匯水面積。雨水溝道設計一般以100200m左右為一段。沿線匯水面積的劃分，要根據(jù)當?shù)氐匦螚l件。當?shù)匦纹教箷r，則根據(jù)就近排除的原則，把匯水面積按周圍溝道的布置用等分角線劃分。當?shù)孛嬗衅露葧r，則按雨水向低流的原則劃分：,(4) 定控制高程：根據(jù)現(xiàn)況的、規(guī)劃的各種有關條件，確定控制點的高程, 確定溝道的最小埋深。 (5) 選定設計數(shù)據(jù)，包括設計降雨的重現(xiàn)期、地面集水時間和徑流系數(shù)。設計降雨強度根據(jù)暴雨強度公式計算采用。當?shù)厣袩o暴雨公式時最好配合工程設計進行編制，或參用鄰近氣象條件相似地區(qū)的暴雨公式。 (6) 確定雨量參數(shù)的設計值。徑流系數(shù)，重現(xiàn)期、地面集水時間等； (7) 進行水力計算，確定管渠斷面、縱坡及高程。 (8) 布置雨水口。 (9) 進行構筑物的選用和設計，一般應優(yōu)先選用標準圖、特殊的專門設計。,【例】 圖4-7為一小型居住街坊，地形西高東低，東側有一天然河道，常水位為17.5米。要求布置雨水管渠，進行水力計算。,圖4-7-1 雨水管道設計平面圖,圖4-7-2 雨水管道設計縱斷面圖,第三節(jié) 特殊位置的雨排水系統(tǒng) 一立交排水 1 特點 立交排水與一般道路排水不同，具有以下特點： (1)高程上的不利條件：無論公路立交或鐵路立交，位于下邊的道路，其最低點往往比周圍干道低約23米，形成盆地且縱坡很大，雨水很快就匯集到立交最低點，極易造成嚴重積水。 (2)交通上的特殊性：立交多設在交通頻繁的主要干道上，防止積水，確保車輛通行，自然成為排水設計應考慮的主要原則，因此排水設計標準要高于一般道路。 (3)養(yǎng)護管理上的要求：由于立交道路一般車輛多，速度快，對排水管道的養(yǎng)護管理、雨水口的清淤帶來一定困難。設計上應適當考慮養(yǎng)護管理的便利。 (4)地下水排除問題：當?shù)叵滤桓哂谠O計路基時，為避免地下水造成路基翻漿和凍脹，需要同時考慮地下水的排除問題。,2一般規(guī)定 (1)匯水面積：匯水面積應包括引道、坡道、匝道、跨線橋、綠地以及建筑紅線以內的適當面積(約10米)，見圖4-8。 立交的類別和形式較多，每座立交的組成部分也不完全相同，但對于劃分匯水面積，應當提出一個共同的要求：盡量縮小其匯水面積，以減小流量，在條件許可的情況下，應爭取將屬于立交范圍的一部分面積，劃歸附近另外系統(tǒng)，或采取分散排放的原則，即高水高排(地面高的水接入較高的排水系統(tǒng)，可自流排出)；低水低排(地面低的水，接入另一個較低的排水系統(tǒng)，不能自流排除者，進泵站抽升)。以免使雨水都匯集到最低點，一時排泄不及，造成積水。,圖4-8 立交排水匯水面積,(2) 雨水口布置： 立交的雨水口，一般沿坡道兩側對稱布置，越接近最低點，雨水口擺得越多，往往開始為單蓖或雙蓖，到最低點增加到8蓖或10蓖。另一種布置形式為在立交最低點，橫跨路面布置一排(或對應兩排)雨水口，這種截流式雖截流量較大，但對車輛行駛不便，不如前一種好。面積較大的立交，除坡道外在引道、匝道、綠地中的適當距離和位置，也都應布置一些雨水口。處于最高位置的跨線橋，為了不使雨水徑流過長的距離，往往采用泄水孔排水，通過立管引入下層的雨水口或檢查井中。雨水口布置的數(shù)量，應與設計流量相符合，并應考慮到樹葉雜草等堵塞的不利情況，一般在計算出雨水口的總數(shù)后，還應視重要性乘以1.21.5的安全系數(shù)。雨水口的泄水能力：見給排水設計手冊 (3) 管道布置及斷面選擇： 立交排水管道的布置，應與其它市政管道綜合考慮，要避開立交橋基礎，和與其它市政設施的矛盾。如不能避開時，應從結構上考慮加固。,二 廣場排水 廣場包括集會(檢閱)廣場、交通廣場(火車站、長途汽車站、輪船客運站、候機樓前的廣場、路口廣場)、各種停車場及其它用途的廣場等。 1廣場排水的特點： 1)地面較平坦，坡度一般在O.005以下。 2)場內不便于設置雨水口，雨水一般靠較長的地面淌流進入周邊的雨水口。 3)使用性質重要，不允許造成較嚴重的積水。 廣場內還可能有附設的管理人員用房和臨時公用廁所的生活污水，宜采用分流制。 2. 匯水面積劃分： (或平整成)有利地形，匯水面積按分散的原則劃分。在建筑群中改建的廣場應盡量選擇廣場，應對原有排水系統(tǒng)進行詳細了解，統(tǒng)籌安排，不使其雨水威脅廣場，見圖4-9。,圖4-9 廣場匯水面積劃分及管線雨水口布置,3豎向布置： 宜盡可能設計成龜背式，向四周分散排水，減小徑流長度和匯流水層厚度，見圖4-10。廣場較小或地形受到限制時，也可設計成坡向兩側或坡向一側的形式，見圖4-11。 4管線位置： 管線位置應盡量安排在廣場周邊匯水線上，但要考慮與樹木保持一定的距離，以防樹根鉆入，堵塞管道。 5管道斷面： 采用的斷面一般與道路上的雨水管相同。為了更多地截流雨水或當覆土不夠時，也可采用加算明渠，有鐵算和鋼筋混凝土算兩種，根據(jù)具體情況選用。經(jīng)常過車的算子，下面應加橡膠墊，以防震動。,圖4-10 廣場豎向布置 圖4-11 廣場豎向布置 (四向排水) (一向排水),6雨水口： 廣場雨水口有條件時宜對稱布置，但要避開廣場的出入口。應當選用泄水量大、構造堅固、造型美觀的算子。在立面進水時，也應加設算子，以免樹葉亂紙進入。廣場面積較大，徑流系數(shù)較高，設置數(shù)量宜較計算的適當加多。由于比較集中，常以組為單位進行布置，每組一般為2蓖、3蓖，組與組之間的距離，根據(jù)水力計算確定。 7沉泥井： 宜在管道的一定距離設沉泥井。 ， 8排水出路： 就近接入雨水干管或水體，必要時應核算出口水位，防止發(fā)生倒灌。 9設計參數(shù)： 重現(xiàn)期見表1-8，必要時可提高到5年或10年。徑流系數(shù)見表1-9。,第四節(jié) 雨水泵站的設計 由于雨水泵站的基建費用很高，而其使用率又往往很低，因此在雨水溝道的設計中，應避免建造雨水泵站。只有當?shù)貏萜教?，管路較長，或出水河道水位很高(如受潮汐影響)，才考慮設置雨水泵站。 一、雨水泵的選擇 雨水泵的特點是出水量大而揚程小。適合這一要求的水泵為軸流泵和混流泵。泵站的設計流量為人流溝道流量的120。水泵的選型首先應滿足最大設計流量的要求，同時還必須考慮雨水徑流量的變化，因為大雨時的徑流量與小雨時的徑流量的差別很大。所以，雨水泵的臺數(shù)，一般不宜少于23臺，且最好選用同一型號。如必須采用不同型號時，也不宜超過兩種。由于雨水泵可以旱季檢修，可不設備用水泵。 對于合流泵站，晴天時要為城市污水工作，因此，泵站中還要裝設小流量的離心式污水泵或小型的軸流泵，以節(jié)約電能。,二、進水池的設計 和污水泵站相比，雨水泵站都是大型泵站。在暴雨時，泵站在短時內要排出大量雨水，如果完全用集水池來調節(jié)，往往需要很大的容積。由于雨水溝道的斷面一般都很大，其敷設的坡度較小，故可以將溝道本身作為備用調節(jié)池來利用。 由于進水池中的水流情況極易影響軸流泵葉輪進口的水流條件，從而影響水泵的工作性能。所以，正確地設計進水池和布置水泵就顯得格外重要；否則，在進水池或水泵吸水室中將可能產(chǎn)生渦流而使水泵的工作狀態(tài)不平穩(wěn)、效率下降、以及軸承磨損和葉輪腐蝕。應使進水均等地流向每臺水泵，必要時可以設置導流壁或錐，以防止渦流的形成。 為便于檢修，進水池最好分隔為幾個進水間。分隔可采用水工上常用的閘板裝置。墻設磚墩，墩上有槽，以便插入閘板。閘板設二道，中間可用粘土填實。,三、雨水泵站的布置 雨水泵站按水泵輪軸安裝的位置，有臥式(圖4-12)、豎式(圖4-13)和斜式(圖4-14)之分。根據(jù)泵組間是否浸水，可分為濕室與干室兩類。圖4-15為干室雨水泵站，圖4-16為濕室雨水泵站。,圖4-12 臥式軸流雨水泵站 圖4-13豎式軸流雨水泵站,圖4-14 斜式軸流雨水泵站,圖4-15干室雨水泵站 人流管；格柵； 水泵；出水管傳動軸；立式電機；單向流活門；出水井；出水管；單梁吊車,圖4-16 濕室雨水泵站 人流管；格柵；水泵；壓水管；傳動軸；立式電機；單向流活門；出水井；出水管；單梁吊車,進水池中面對入流管設格柵以阻攔粗大飄浮物，柵條間距一般采用50100mm。雨水泵站，尤其是終點雨水泵站，宜設泄水岔道，以便在河水位不高的情況下，雨水可自流排入水體。圖4-17所示是“干室式”雨水泵站的實例。,圖4-17 干室雨水泵站 實例,