城市突降暴雨排水管网节点处积水量计算研究.pdf

2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与防 洪 防洪排水 5 7 城市突降暴雨排水管网节点处积水量计算研究 赵子成 ， 禹华谦 ( 西南 交通 大学 土木 工程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 从理论上分析推导 了城市突降暴雨在 已建雨水管网系统节点处的积水量计算公式 ， 并以算例说明了计算公式的 应 用 。 关键词 ： 突降暴雨； 既有雨排系统； 积水 ； 积水量 中图分 类号 ： T U 9 9 2 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 o o 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2) 0 2 0 0 5 7 0 2 0 前言 由于城市化的不断影响，在降雨过程尤其是 突降暴雨过程中， 原本可以被植物吸收、 洼地存贮 或者直接渗人地下 的雨水 ，因被硬化地面阻 隔并 聚集成地面径流， 流人城市的雨水管道、 雨水管渠 等 ，使城市既有雨排系统的排水能力超过了设计 使用时的排水能力， 造成城市局部地面的积水、 冒 水等 ， 出现城市内涝、 交通瘫痪 ， 严重影响了人们 的正 常工作 和生活 。如 2 0 1 1年 1 0月 4日 2 0 ： 0 0 至 5日 1 6 ： 0 0 ， 海南海 口、 文 昌等地 突降大暴雨 ， 其 中海 口市 区及城西镇雨量超 过 2 0 0 mm，有 1 4条 道路积水严重 ， 平 均积水深度 达 6 0 c m， 个 别小 区 甚至积水深度达到了 1 2 m。又如 2 0 1 1年 7月 2 9 日上午成都遭遇强降雨， 成华区双福二路上 ， 因 夜积水造成该 十字路 口达 2 0 0 m 的区域被淹 ， 积 水最深处达 3 0 c m。 图 1 为成都市水碾河南街路 口 一 场暴雨后的积水状况。 图 1 成都市水碾河南街暴雨后积水状况 因此 ， 推导简单可行 的积水量计算公式 ， 开展 城市既有雨排系统运行健康诊断研究 ，对畅通城 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 3 1 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助 ： 城市雨 排系统运行健康诊断研究( S WU 1 1 C X 9 ) 作者简介 ： 赵子成( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 四川巴中人 ， 硕士研究生在 读 ， 主要研究方 向为城市给排水理论与应用。 市雨排系统 ， 康 复病态排水节点及管路 ， 以及进行 科学的地面规划设计 ， 解决城市暴雨积水问题 ， 将 具有重要 的理论意义和实际意义。 1 排水管网节点暴雨积水量的产生 设 Q 。 、 Q 分别为排水管网事故节点 ( 如图 2 所示 ) 上下游管段 的流量 ， q为汇人节点 的暴雨 流量 ， 则突降暴雨情况下事故节点 的截存流量 ： Q M = Q + q Q z ( 1 ) M A B C D 图 2 事故节点处计算图示 根据暴雨流量 g的不同， 节点截存流量 将 有如下 3种情况 ： f 0 当 9 O时 ，说 明下 游管道 排泄 能力大 于来 流 ， 系统运行健康不会 出现积水 ； 当 Q M = 0时 ， 说 明 下游管道排泄能力正好等于来流 ，节点处于临界 状态 ； 而 当 Q M 0时 ， 说 明下游 管道排泄能力小 于 来流 ， 则排水管网节点将 出现积水现象 ， 其积水 流 量 等于截存流量 ， 即 Q j = Q + q Q 2 ( 2 ) 2 排水节点暴雨积水量公式推导 2 1 计算原理 突降暴雨排水管道 的过流能力 p可由连续 性方 程 ： Q = A ( 3 ) 和谢才公式 ： V =C j RJ 4 计算1 。式中A为过流断面面积， 对于直径 d 为的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 圆管满流 ， A= w d V 4 ； 尺为水 力半径 ， R= d 4 ； ， 为水 力坡度 ； C为谢才系数 ， 可用曼宁公式 ： G ： ( 5 ) 凡 计算 ， 其 中 为管道粗糙系数 。 2 2 既有排水管道过流能力计算 由于长期使用 的管道泥沙淤积 ， 管壁结垢 ， 从 而造成粗糙 系数 n增大 ， 管径 d减小 ， 管 网的实际 通水能力下降。 设建成运行 年后的管道泥沙淤积厚度为 h ， 并均匀沉积在管底， 如图3 所示。 考虑突降暴雨高 峰时段 ， 管道为满流 ， 其过水断面面积为 ： A ： 一 a rc sin ( 学 ) 车+ ( 一 ) 图 3 既有管道过流能力计算图示 湿周为 一 a r c s in ( d 互 匾 ) 】 2 J 一( d - h h 则管道实际过流能力为 ( 6 ) 节点相关的计算汇水面积， h m z ； 为积水区综合径 流系数。若计算时段降雨强度 ) 近似为常数 则 式( 9 ) 可简化为 ： q = tf F ( 1 0 ) 2 4 既有排水管 网节点暴雨积水量计算 将式 ( 8 ) 、 式 ( 9 ) 或式 ( 1 o ) 代 人式 ( 1 ) ， 可得 突 降暴雨时排水管网节点 处的截存流量 2 二 ( ) 蛐 ( ) t “ 2+ F A t ( 一 ( ) 盯( ) ( ) 或 Q = ( 41- - ) 竹 ( ) ( 舻一 ( ) 粥竹( ) ( ： ) 8 ， 式 中 ， n ( 几 ) 、 R ( R ： ) 、 ， l ( ) 分别 为 节点 M上 游 ( 下 游 ) 管道的粗糙系数 、 水力半径和水力坡度。 当时 Q O ， 由式( 2 ) ， 得突降暴雨时排水管网 节点 M 的积水流量 2二 ! = ( )粥 订 ( n3 - ) (4 R ) ， A蚤 t ( t )一 ( ) 粥竹( ) ( ： ) ( 1 1 ) 或 Q j= ( ) 订 ( 3 T ) (4 R 12+ ( ) 粥 1 T ( ) ( 4 R ， ( 1 2 ) 斗 ( 7 ) 3 计算实例 Q ： ( ) ( ) ( ) ( 8 ) 式 中， R为水力半径 ， R = A x 。对于既有雨水管道 ， 式( 8 ) 中的n和 I， 可根据实测资料率定。 2 3 排水管网节点汇水流量计算 由于城市雨排系统汇水面积较小 ，可不考虑 降雨随空间变化。 设 厂 ( t ) 为突降暴雨时随时间 t 变 化的降雨强度 ， 单位为( L s ) h m 或 m m m i n ， 则计 算时段 t 2 - t 内排水管网节点平均汇水流量按推理 公式I2 】计算， 可得： t 2 -t A 9 = 。 啪 拄 F t 厂( ( 9 ) 式中， 为计算划分的时间步长 ； F 为与排水管网 2 0 1 1 年 7月2 9日x 市上午 9 ： 0 0开始降雨 ， 试验 区 1 0 ： 0 0开始出现积水 ， l 0 ： 0 0 1 0 ： 1 0时降雨强 度大， 且均匀 ， 现以这 1 0 rai n为例进行计算。 已知试 验区节点上游管段管径 d = 3 0 0 m m，管 内泥沙淤积 厚度 h 。 = 1 0 m m， 下游管道 d 2 = 4 0 0 m m， 管底泥沙厚 度 h z = 1 5 m m， 管长均为 4 0 m。现场测得试验区平均 降雨强度 5 0 ra m ra i n ，排水管网节点处积水面积 F = 0 0 1 4 h m ，1 0 ra i n内的积水量 1 2 7 5 m。 ，计算管 道上下游检查井水位标高差均为 0 2 m。节点处上 下游均为钢筋混凝土管道， 粗糙系数均为 0 0 1 6 ， 根 据试验区地面情况， 综合径流系数取为 0 7 。 根据上述实测资料 ， 由式( 1 0 ) 计算得排水管 网节点汇水流量 ( 下转 第 8 0页) IL _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 碗口式满堂支架拉结连接成整体。 4 总结 图 4 “ 手 提式托 架” 木枋 、 面板 安装效 果 城市高架桥施工一般地处交通繁忙环境之 下， 受周边复杂环境的限制， 在支架设计及箱梁模 板体系设计过程中， 必须充分考虑到社会车辆、 人 行、 作业环境空间的受限因素 ； 同时， 还应实现工 程质量、 成本、 工期以及安全的要求。在市政桥梁 ( 上接 第 5 8页) 施工中，采用多种支架体系组合施工具有一定的 优势， 充分发挥不同支架体系的优势。 而箱梁模板 体系， 除应确保施工质量外 ， 还应便于特殊环境下 的安装 、 转运、 拆卸便利 ， 低成本、 高效率的运作。 本文所介绍的碗扣式满堂支架与少支点支架体 系组合体系架体和箱梁外模“ 手提式托架” 为市政 桥梁施工工艺开拓了思路 ，希望能够为市政桥梁 施工工艺提供一点借鉴。 q = f F = O 7( 0 0 5 6 0 )X 0 0 1 41 0 0 0 0 = 0 0 8 1 6 7( m 3 s ) 节点上下游管段水力坡度 ， l = = 0 2 4 0 = 0 0 0 5 节点上下游管段实际过流能力计算结果见表 1 。 Q l = 0 0 5 4 4 3 + 0 0 8 1 6 7 0 1 1 6 7 7 = 0 0 1 9 3 3 ( m 3 s ) 而实测积水流量为 1 2 7 5( 1 0 6 0 ) = 0 0 2 1 2 5 ( m 3 s ) 。 由于地面各种因素及计算时段前降雨在地面积存 等影响， 最终计算积水流量比试测值略小， 相对误 差约为 9 0 。 表1 节点 上 下 游 管段 实 际 过流 能 力 计 算结 果4 结语 本文根据水力学原理从理论上推导了已建管 网在突降大暴雨情况下，集水节点处的积水量计 算公式 ， 并以实例进行了计算验证， 结果表明与实 际符合 良好。有关既有雨水管网相对于设计状态 的排水效率等研究 ， 拟另文发表。 将 上 述 计 算 结 果 代 入 式 ( 2 ) 或 者 式 ( 2 ) ， 得 排 兰 水管网节点积水流量 出 版 社 ，2 00 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m