雨水管道的計(jì)算與校核方法

祝奇超

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司　廣東　深圳　518000）

雨水管道的計(jì)算與校核方法

祝奇超

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司廣東深圳518000）

本文對(duì)雨水管道的設(shè)計(jì)和校核進(jìn)行了討論，提出了在校核雨水積水深度時(shí)必須考慮局部阻力損失的觀點(diǎn)，并給出了雨水管線局部水頭損失的算法。

暴雨強(qiáng)度；水頭損失；積水

引言

近年隨著環(huán)境的變化，世界各地暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，北京、成都、武漢等城市由于發(fā)生特大暴雨造成嚴(yán)重內(nèi)澇，造成了較大的損失。電站工程占地面積大，投資大，設(shè)備貴重，如果發(fā)生內(nèi)澇，造成的損失將遠(yuǎn)大于城市內(nèi)澇。因此，必須對(duì)電站的雨水管道進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算和校核，保證在校核暴雨強(qiáng)度下不發(fā)生廠區(qū)積水。雨水管道設(shè)計(jì)的水力計(jì)算公式較為成熟，筆者主要對(duì)廠區(qū)積水深度的校核方法進(jìn)行了討論。

本文以某南方濱海電站為例，對(duì)其雨水管道設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。該電站位于南方某市，靠山面海。靠山一側(cè)設(shè)計(jì)有排洪溝，按最大可能降雨（PMP）滿流設(shè)計(jì)。廠區(qū)雨水靠山一側(cè)排往上述排洪溝，約占總面積1/3；面海一側(cè)排往大海，約占總面積2/3。

設(shè)計(jì)選用的參數(shù)和計(jì)算公式如下：

（1）廠坪標(biāo)高：+8.50m（絕對(duì)標(biāo)高，珠基高程）。

（2）設(shè)計(jì)工況：千年一遇降雨。

（3）校核工況：千年一遇降雨+外海設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位（6.87m，10％超越概率天文潮高潮位+可能最大風(fēng)暴潮增水+海平面異常變化），校核工況下廠區(qū)積水深度不能超過0.2m。

式中：q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/（s·hm2）]；

t——降雨歷時(shí)（min）（0

t1——地面積水時(shí)間，本工程取10min；

t2——管內(nèi)流行時(shí)間（min），根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算；

m——折減系數(shù)，本工程取1。

（5）徑流系數(shù)Ψ：

道路，屋面：0.9；

碎石地帶：0.4。

（6）流速公式：

式中：v——管道流速，m/s；

R——水力半徑（m）；

I——水力坡降；

n——粗糙系數(shù)，本工程采用HDPE管，取0.01。

（7）管道流量公式：

式中：Q2——管道流量，L/s；

A2——管道的斷面面積，本工程按滿流設(shè)計(jì)；

v——管道流速，m/s。

采用《排水工程》（第四版，中國建筑工業(yè)出版社）中的“極限強(qiáng)度”理論進(jìn)行雨水管道的計(jì)算。該理論認(rèn)為：“當(dāng)匯水面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流到集流點(diǎn)時(shí)，全面積產(chǎn)生匯流，雨水管道的設(shè)計(jì)流量最大；當(dāng)降雨歷時(shí)等于匯水面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流達(dá)集流點(diǎn)時(shí)間時(shí)，雨水管道需要排出的雨水量最大。”

圖1　總平面示意圖

圖1為該電站總平面和管道布置示意圖，根據(jù)上述的極限強(qiáng)度理論，可知：

式中：q1——管段a1～a2的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，此時(shí)的降雨歷時(shí)為A1最遠(yuǎn)端自雨水井a(chǎn)1的匯流時(shí)間t1；

q2——管段a2～a3的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，此時(shí)的降雨歷時(shí)t=t1+t2；

t2——管段a1～a2的管內(nèi)雨水流行時(shí)間（min）。

以下選取一條雨水管道作為算例進(jìn)行說明，管段a1～a3計(jì)算如表1。

分別對(duì)表1各列數(shù)據(jù)說明如下：

第一列：管段名稱；

第二、三列：管段編號(hào)；

第四列：計(jì)算管段匯流面積的長(zhǎng)度；

表1　a1～a3管段計(jì)算結(jié)論

第五列：計(jì)算管道的實(shí)際長(zhǎng)度，即兩個(gè)檢查井之間的管道實(shí)際長(zhǎng)度；

第六列：計(jì)算管段匯流面積的寬度；

第七列：計(jì)算管段的面積，等于第四列和第六列之乘積，注意單位是hm2；

第八列：計(jì)算管段的綜合徑流系數(shù)，綜合徑流系數(shù)根據(jù)該計(jì)算管段的實(shí)際情況加權(quán)平均求的；

第九列：等于第七列和第八列之乘積；

第十列：為本段匯流面積加上上段管道的轉(zhuǎn)輸面積；

第十一列：匯流時(shí)間。起始段為10min，后續(xù)管段的匯流時(shí)間等于上段管道的匯流時(shí)間加上上段管道的管內(nèi)流行時(shí)間；

第十二列：管內(nèi)流行時(shí)間，等于第五列管道長(zhǎng)度除以第十七列流速；

第十四列：計(jì)算管段的流量。等于第十列和第十三列之和；

第十五列：計(jì)算管段的管徑，由手動(dòng)輸入；

第十六列：計(jì)算管段的坡度，由手動(dòng)輸入；

第十八列：設(shè)計(jì)管道的設(shè)計(jì)流量。采用公式Q2=A2×v（L/s）進(jìn)行計(jì)算，其中A2由第十五列的管徑算得；V引用第十七列；第十五列和第十六列手動(dòng)輸入的管徑和坡度必須保證本列的流量大于第十四列的流量。即管道的設(shè)計(jì)流量應(yīng)大于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期該管段可能通過的最大流量。

第十九列：坡降。等級(jí)第五列和第十六列的乘積，表示管道或井底標(biāo)高的變化；

利用EXCEL工具完成上述計(jì)算后，再將第二十一列數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，即可算的該條管線的總水頭損失。本算例的總水頭損失為0.246m，實(shí)際管道長(zhǎng)度為100m，則考慮局部水頭損失后的水力坡度為0.00246。該數(shù)據(jù)與第二十二列未考慮局部水頭損失的水力坡降0.002進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，考慮局部水頭損失后的水力坡降較大，這也是符合客觀實(shí)際情況的。

最后，我們對(duì)積水深度進(jìn)行校核。上述算例管道排入排洪溝，排洪溝在外海發(fā)生DBF水位，并疊加千年一遇降雨時(shí)的接入點(diǎn)水面線標(biāo)高約為8.10m（絕對(duì)標(biāo)高），該管路水頭損失為0.246m，因此可推求計(jì)算管路起始檢查井的水面標(biāo)高8.346m（8.10+ 0.246），低于廠坪標(biāo)高，不發(fā)生積水。同理，若計(jì)算管路排往外海，則直接用外海DBF水位加上水頭損失，則可求得積水深度。

小結(jié)

在雨水管道的設(shè)計(jì)中，為防止地面積水，除選取合適的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、管徑、坡度外，更為重要的是選取管道的路徑，應(yīng)使得管道盡可能短，順直，并采用合適的計(jì)算方法進(jìn)行校核。筆者在實(shí)際工程中，利用上述計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)某些管路水頭損失過大，造成上游積水，不滿足設(shè)計(jì)要求。主要原因是管道路線過長(zhǎng)，一般考慮局部水頭損失后，管系實(shí)際水力坡度將達(dá)到0.0035左右（管道設(shè)計(jì)坡度為0.002～0.003時(shí)）。重新規(guī)劃管路，縮短管道長(zhǎng)度后積水問題得到解決。這個(gè)時(shí)候如果放大管徑，效果并不理想，因?yàn)榉糯蠊軓綄?duì)沿程損失減小的貢獻(xiàn)較大，而對(duì)局部水頭損失的貢獻(xiàn)較小，并且會(huì)引起投資的大幅增加。筆者認(rèn)為在城鎮(zhèn)的雨水管道設(shè)計(jì)中仍然需要遵循上述原則，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作是使得主管線盡可能的短，對(duì)解決城鎮(zhèn)內(nèi)澇有事半功倍的效果。

[1]孫慧修，等.排水工程.中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]李煒，等.水力計(jì)算手冊(cè).中國水利水電出版社，2006.

TQ050.2

A

1673-0038（2015）29-0003-02

2015-7-3

祝奇超（1983-），男，工程師，本科，主要從事核電站水工工藝和消防設(shè)計(jì)工作。