雨水沟道的设计.doc

第四章 城镇雨水沟道的设计
第一节 雨水径流量的估算
一. 雨量参数：
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。
阵雨历时：指一场暴雨经历的整个时段。
降雨历时：指阵雨过程中任一连续的时段。
降雨量：一段时间内降落在某一面积上的总水量。降雨量表示方法：①深度h（mm）；②1hm2面积上的降雨量（m3/hm2）
降雨强度：指在某一降雨历时内的平均降雨量（单位时间内的平均降雨深度）。降雨强度表示方式：①i = h / t（mm · min-1）； ②q = K i =166.7 i （L·s-1·hm-2）
降雨强度频率：通常称单位时间内某种事件出现的次数（或比例）为频率，水文统计上，用频率反映水文事件出现的频繁情况。
降雨强度的重现期。

二. 推理公式：
雨水沟道设计流量一般采用推理公式计算：

式中：qv——雨水沟道的设计流量，L/s；
A ——排水面积，hm2；
i ——降雨强度，mm/min；
q ——降雨强度，L/（s·hm2）；
K ——单位换算系数，等于167；
ψ ——径流系数，其值小于1，地面径流量与降雨量之比。
三. 雨水沟道设计流量的估算
（一）设计降雨强度的确定
1. 降雨分析
2. 一个自记雨量计降雨记录的整理—雨量曲线和雨量公式
①分析每一年的记录；
②整理每一年的降雨分析汇总表；
③编制降雨分析整理成果表和绘制雨量曲线；
④全国十大城市雨量公式摘要表。
（二）设计降雨历时的确定
设计降雨历时：以排水面积中最远的一点到集水点的雨水流行时间作为设计降雨历时。

式中：t——设计降雨历时（排水面积的集水时间），min；
t1——地面积水时间，min；
t2——在沟道中流行的时间，min；
l——集中点上游各沟段的长度，m；
v——相应各沟段的设计流速，m/s。
（三）设计重现期的确定
设计雨水沟道，确定设计降雨强度时，常选用重现期较短的当地降雨强度。
选用重现期，主要看：沟道溢流；地区集水将造成的危害；施工费用。
（四）径流系数的确定
影响径流系数的因素：地面的透水性、地面坡度、降雨情况（久雨和暴雨）。
径流系数常采用面积内各类地面的径流系数的加权平均值。表4－6。
（五）降低设计流量的尝试
苏联：集水时间的修正、自由容积的利用和压力流的利用。
我国：《规范》修订。
四. 讨论
应用推理公式确定雨水沟道的设计流量时：①排水面积的值精度较高；②径流系数的值很难精确，且随城市的建设而变动；③降雨强度设计值的确定，随意性很大；④重现期的选用富有随意性；⑤地面集水时间富有随意性。
雨水沟道口径的决定同经济考虑有密切关系，不太可能避免溢流，如果溢流问题考虑周到，雨水沟道可以小些。
第二节　雨水径流量的调节
雨水径流调节池的作用:
有可能降低整个沟系的造价——由于雨水流量大，沟槽长，下游沟道的雨水流量尤其大，设置调节池，可使下游沟道的设计流量减小，降低下游沟系的造价，而且做调节池的造价要比沟管省，故有可能降低整个沟系的造价。
能使雨水沟道的设计有较大的灵活性——如今后在所在的汇水区域上大量造房，会使不透水面积增加，从而使径流量剧增，一般很少有可能再重新排管，此时若能设置一个调节池，将上游的流量引入调节池，洪峰过后再排入下游管道，则可使下游沟道仍能使用，从而解决该技术矛盾。
能改善合流制管系暴雨时的溢流水水质——由于合流制沟管在遇到暴雨时，会有大量溢流水产生，而溢流的水中含有相当的生活污水和工业废水，水质较差，若能在截流式合流制的溢流井后面设置调节池，并对进入调节池的溢流污水进行处理后再将其排入水体，就能使最终排入水体的溢流水的水质得到改善。
调节池的最佳设计位置选择:
调节池的位置选择很重要，调节池若设置在排水系统的开始或末端，可想而知是意义不大的，故最佳位置的选择需要慎重考虑。
在有池塘、河床可以利用，或有洼池可以建池的情况下，往往可以调节径流量，以减小其下游的沟道口径。
应专门建设。 一般位置：汇流点。
调节池构造:

第三节　城镇雨水沟道的设计
一. 雨水沟道设计的原则：见教材。
(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。
(2) 利用地形，顺沟排水。就近排入地面水体，降低造价。
(3) 因明沟造价低，考虑采用明沟。在建筑物密度较高、交通繁忙的地区，可采用加盖明沟。
(4) 因雨水泵站投资、用电量都很大，尽量避免设置雨水泵站。
二. 雨水沟道系统的平面布置:
1. 布置原则：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. 沟系定线：
①受地形影响：a. 平坦地区:为避免干沟埋深过大，增加造价，干沟应设在流域的中部，以减少两侧支沟长度; b. 陡坡地区:为避免因沟道坡度太陡，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。
②受道路交通影响：a.雨水沟系常沿道路铺设，设在道路中线的一侧，与道路相平行，尽量在快车道以外。b.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
管道按满流设计，明沟应留超高，不小于0.2m。
最小设计流速为0.75m/s，明沟为0.4 m/s。
管道可不考虑最大流速，明沟的最大流速按表4-7采用。
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。当qv<53L/S,管径取最小，坡度≥‰。
雨水沟道流速公式。见教材
管段衔接一般用管顶平接，当条件不利时也可用管底平接。
最小覆土厚度，在车行道下时，一般不小于0.7m，基础应设在冰冻线以下。
在直线管段上窨井的最大间距见下表。

四.雨水沟道水力学设计步骤
步骤1：划分流域与沟道定线，确定雨水流向；
步骤2：划分设计沟段与沿线汇水面积 ；
步骤3：确定雨量参数的设计值 ；
步骤4：确定沟道的最小埋深；
步骤5：进行水力学计算；
五.水力学计算示例
基本公式和数据：
雨量重现期采用一年，相应降雨强度公式：见教材。地面集水时间t用10min。
径流系数及加权平均的计算：见教材。
列表计算及步骤：
步骤1：从沟道系统图中量得各沟段的长度L列入第2项
步骤2：根据排水面积的划分，将各沟段的沿线面积列入第3项
步骤3：各沟段的排水面积列入第4项
步骤4：从图中读出数据列入第14、15项
步骤5：根据各沟段的假定流速，算出集流时间t，比流量q0，设计流量qv，而后从水力学算图上选定管径D与坡度I，并确定相应的流速v，当所确定的流速v与假定流速有出入时，再调假定流速并进行重新计算，最终使假定流速与确定的流速两者一致
步骤6：计算各沟底高程，并填入表格
问题：
为什么下游沟段3-2的设计流量(qv=607.2L/s)反而比上游沟段4-3的设计流量(qv=627.2L/s)小?
窨井5处计算集水点t2的集水时间时有3个值,为什么选择最大的?
计算沟段5-4的上端的沟底高程时可得3个数值, 为什么要采用最小的?
六. 雨水沟道平面图的绘制
规划阶段：沟道系统平面布置图上，加注计算所得数据。
施工图设计阶段：①完整的沟道平面图；②比例尺1:500～1:2000；③反映初步设计的要求；标明窨井的具体位置；可能有施工有关的地面建筑物；其他地下管线及地下建筑物的位置；管线图例及施工说明。
第四节　雨水泵站的设计
雨水的地面径流量很大，雨水泵站的基建费用很高，使用率往往很低，只有当地势平坦、管路较长或出水河道水位很高时，才考虑设置雨水泵站。
第五节　城 镇 防 洪
河洪：见教材
山洪：位于山坡或山脚下的城镇和工业企业，为防止坡面上的径流冲刷城镇，应
在城镇山坡下修建防洪设施，拦截山洪，绕过城镇，把洪水泄入江河。山区溪河雨洪暴涨暴落，水势汹涌，破坏力极大。
防治的原则是因地制宜，宜顺不宜挡。
拦洪沟的设计应凭实地考察和历年洪灾的调查，推理公式一般不再适用。
第六节　合流沟道系统的设计
一.合流沟道系统的适用条件与布置特点
直排式合流制排水系统：全部污水不经处理直接排入水体，对水体污染大，在环境保护上已不容许采用。
截流式合流制排水系统：具有截流沟道，在截流沟道上设溢流井，当水量超过截流能力时，超过的水量通过溢流井泄入水体，被截流的水予以适当处理。
合流沟道系统适用条件：（1）接纳溢流污水的水体自净容量大；（2）现有街道只有敷设一条沟道的可能性；（3）地面有一定的坡度，坡向水体。
合流沟道系统布置特点：（1）河流沟道以最短距离坡向水体；（2）沿河岸建截流干沟；（3）合理地确定溢流井的位置和数量。①污水处理厂前面；②倒虹管前；③污染大户前必须设溢流井。（4）合流沟道上游沟段尽可能利用雨水满流，单设污水沟道。
截流式合流沟道与分流制系统相比的优缺点：（1）截流式合流沟道在沟系造价上投资较省，沟系养护较简单。（2）地下管线可减少，不存在雨水管与污水管的误接问题。（3）合流制污水处理厂的造价比分流制污水厂高，处理养护也较复杂。
（4）实践表明：截流式合流制在卫生上比分流制差，环境污染较大。故新建城市一般建议尽可能采用分流制。
截流式合流沟系的布置原则：（1）应使雨水及早溢入水体，以降低下游干沟的设计流量；（2）当溢流井离排放水体较近且溢流井不受高水位倒灌影响时，（为降低截流管的截流量，节省沟道投资，）原则上宜多设溢流井。（3）当溢流井受高水位倒灌影响时，宜减少溢流井数量，并在溢流管上设潮门，必要时设泵站排水。
二.合流污水水质与截流倍数
（一）污水水质
1.雨污混合水的BOD5与OC的平均浓度与晴天污水并无很大的差异（见表 4－10）；
2.雨污混合水的SS平均为晴天时的2倍；
3.雨污混合水水质的统计见表4－11。
（二）流出负荷量与溢流负荷量（表4－12，表4－13）
截流倍数：溢流井下游干沟所截得的雨水量与流经溢流井的旱流量之比。
1.晴天污水的浓度，最大值大多在平均值的2～3倍内，雨污混合水浓度变化很大，最大值可超过平均值的10倍以上，这是因沟道晴天时的淤积在雨天时被冲刷所致。
2.一般雨天时的加权平均BOD5值约为晴天时的70％，很少会超过晴天时的浓度；雨天时的加权平均OC值约为晴天时的80％，但因地区不同，也有可能会超过晴天浓度的；对于SS，雨天时的加权平均浓度约为晴天时的2倍，低于晴天浓度的现象极为少见。
3.当截流雨水量增大，溢流污染物将急剧减少，当截流雨水量到达2～3mm/h时，溢流污染物将显著减少；当截流雨水量超过2～3mm/h时，溢流污染物的减少就不明显。
4.研究认为采用截流雨水量2mm/h比较适当，按全国最大小时污水平均量1mm/h计，则截流雨水量为最大小时污水量的2倍，截流管按3倍最大小时污水量设计。
三.我国合流沟道系统的工作情况与改造问题
我国近年来有部分沟道系统改造成截流式合流沟道系统，但改造后的截流式合流沟道并不理想，污染仍极严重，只是污染程度有所减轻而已，原因如下：
1.规范规定截流雨水量倍数n0一般用1～5，实际上为节省投资，一般用0.5～1.0，截流倍数过小，致使大量污染物泄入水体，远远超过水体的自净能力。
2.城市污水厂处理能力不足。目前城市污水厂按晴天污水量设计，甚至在晴天污水量下也已经超负荷运行，因雨天处理能力依旧，迫使大量雨污混合水不经处理直接流出。
3.目前大量工业废水并没有达到进入城市排水沟道的水质要求，特别是一些水量大、浓度高或有毒的废水未经处理直接排入城市沟道。
4.我国北方河流的流量较小，流量的季节性变化很大。
将合流沟系改造成分流制一般需具备三个技术条件：（1）所有街坊与庭院都需具有雨水与污水两个沟道系统，严格分流。（2）工厂内部的雨水和冷却水等排水系统与工业、生活污水系统分开。（3）城市街道要有足够的地下空间，使有可能实现铺设雨水和污水两个沟系。
（1）、（2）两条件难以具备，并且要改建几乎所有的接户管,要破坏大量路面，改造工作量极大，需要很长时间才可能完成，因此合流制改造成分流制在实践中较难实现。从技术和经济两个角度看，污水不经处理直接排入水体的合流沟道，主
要的改造方向是向截流式合流沟道过渡。
直接排放型的合流沟道改造为截流式合流沟道，需规划设计的几个方面：
①截流倍数的选用要适当提高，我国《规范》建议的截流倍数1～5较低，所用n0值宜根据不同地区的水体稀释能力和自净能力作不同程度的提高。②合流沟系污水处理厂的设计，应对截流污水作适当处理，处理能力应与截流量相适应。③溢流井的位置、构造要得当，发挥其应有的作用。④溢流口附近可设置雨污混合水调节池，以截取初雨径流，改善溢流污水水质，晴天时把调节池中混合污水送至处理厂处理。⑤截流干沟的布置应与市内河道的整治和城市防洪排涝规划相结合。
四.截流式合流沟道的水力学计算
（一）合流沟道的设计标准
1.设计流量：①生活污水量——按设计流量计算；②工业废水量——按最大生产班内的设计流量计算；③雨水量:溢流井上游的沟段——按最大径流量计算; 溢流井下游的沟段——按被截流的雨水量计算。
2.设计充满度：按设计流量满流计算。
3.设计最小流速：0.75m/s，另需校核旱流时沟内流速。
4.设计重现期：应比同一情况下的雨水沟道设计适当提高。
（二）截流式合流沟道的设计流量
第一个溢流井上游沟道的设计流量qv：
qv＝ qvs＋ qvg＋ qvy＝ qvh＋qvy
式中:qvs——平均生活污水量，L / s;
qvg——工业废水的平均最大班流量，L / s;
qvy——设计雨水径流量，L / s;
qvh——qvh＝qvs +qvg，旱流污水量，L / s。
溢流井下游沟道的设计流量q’v：
q’v = ( n0 + 1) qvh + q’vh + q’vy
式中:q’vh——溢流井以后的污水设计流量，L / s；
q’vy——溢流井以后汇水面积的设计雨水径流量,L/s;
n0——截流倍数。
（三）溢流井水力学设计
溢流井构造：①二条入流管：上游合流干沟，上游截流干沟；②二条出流管：下游截流干沟，溢流管。
截留干沟按满流设计，满流时堰口开始溢流。
水力学设计上，溢流开始时，二条入流管和一条截流出水管的水位应在同一高程，即堰口高程（截流沟段采用沟顶平接）。
溢流过程：上游合流污水流量上升时，溢流井中水位随着上升，溢流量逐渐加大。这时，截流干沟从重力流转入压力流，流量随着变动。截流干沟终端应设窨井控制流量，以免污水厂出现来水过多而泛滥。
以堰口高程的确定和堰口长度的核算为目的的溢流井水力学设计
1.确定堰口高程：见教材
2.溢流井下游沟道的设计流量q’v：见教材
3.截流式合流沟道水力学计算实例
第七节　我国旧城传统排水措施（自学）
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