CN105404760A - 恒定非均匀流条件下雨水设计流量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市内涝防治技术领域，尤其涉及恒定非均匀流条件下用推理公式计算雨水设计流量的方法。根据已知的设计条件如排水管集雨面积F、管段长度dL、糙率系数n、综合径流系数ψ、设计暴雨强度q的有关参数、地面集水时间t₁、管底坡度j、管段下游端总水头Z_下、上游端允许的最高总水头Z_上允许和初步拟定的排水管直径D等，通过迭代流速V的方法，可快速地确定雨水设计流量Q_s、管段上游端总水头Z_上和排水管直径D。

Description

恒定非均匀流条件下雨水设计流量的计算方法

技术领域

本发明涉及城市内涝防治技术领域，尤其涉及恒定非均匀流条件下雨水设计流量的计算方法。

发明背景

近年来，随着我国城市化建设的快速发展，出现了城市内涝灾害频繁发生的现象，轻则交通堵塞，重则威胁市民财产、甚至生命的安全。究其原因，除了有城市排涝硬件设施不适应形势发展需要的因素外，产、汇流理论不适应形势发展需要也是一个重要因素。例如，采用恒定均匀流条件计算雨水设计流量的方法，就不适用有下游水位顶托的情况。

根据《室外排水设计规范》（2014年版）介绍，采用推理公式法计算雨水设计流量的公式为Q_s=qψF，式中：Q_s为雨水设计流量，单位L/s；ψ为径流系数；F为集雨面积，单位ha；q为设计暴雨强度，单位L/（s.ha）；它的计算式为q=A/(t+b)^m，式中：A为公式的系数；b为公式的常数；m为公式的指数；t为降雨历时，即汇流历时，单位min；它的计算式为t=t₁+t₂，式中：t₁为地面集水时间，应根据汇水距离、地形坡度和地面种类通过计算确定，一般采用5min～15min；t₂为排水管渠内雨水质点流行的时间，单位min；它的计算式为t₂=dL/V,式中：dL为管段长度，单位m；v为恒定流条件下的流速，单位m/s，按流量公式写成的流速公式为V₁=Q/W，式中：Q为流量，单位m³/s；W为过水断面积，单位m²；恒定流条件下的流速公式为V₂=(1/n)R^2/3(dz/dL)^1/2，式中：n为糙率系数；R为水力半径，单位m；dz/dL为水力坡度i，也称为总水头线坡度；dz为上、下游端的总水头差，也可写为dz=Z_上-Z_下，单位m；式中：Z_上为上游端总水头，单位m；Z_下为下游端总水头，单位m。

由于管段的上、下游端的总水头差dz为未知数，不能直接按恒定流条件的流速公式计算出V₂，因此，现行用推理公式计算雨水设计流量的方法，选择了水力坡度i等于管底坡度j的恒定均匀流条件,以利按恒定流条件的流速公式直接求出V₂，在已知管底坡度j、管段长度dL，即已知上、下游端的总水头差dz的条件下，通过选择不同的管径D，按流量公式就可以计算出相应的流速V₁，当V₁、V₂基本相等时，就可以确定雨水设计流量Q_s和管径D。由于恒定均匀流为恒定非均匀流的一种特殊情况，排水管渠在暴雨期间很难产生恒定均匀流的条件，而产生恒定非均匀流的条件则很普遍,因此，当排水管渠为恒定非均匀流条件时，仍采用恒定均匀流条件计算雨水设计流量和管段上游端总水头，必然产生较大的计算偏差。

发明内容

本发明的目的是根据水力学原理，为解决上述计算雨水设计流量和排水管上游端水位存在的问题，提供符合实际的、精度高的计算方法。

本发明方法是采用恒定非均匀流条件计算雨水设计流量，设定排水管集雨面积F、管段长度dL、糙率系数n、综合径流系数ψ、设计暴雨强度q的参数A和b及m、地面集水时间t₁、管底坡度j、管段下游端总水头Z_下、上游端允许的最高总水头Z_上允许、允许的最小流速、初步拟定的排水管直径D、过水断面积W、水力半径R均为已知值，该方法根据按恒定流条件下流速公式计算的V₂等于按流量公式计算的V₁来确定雨水设计流量Q_s、Z_上和排水管直径D，该方法包括以下步骤：

（1）假定流速V₂初值；

（2）排水管雨水质点流行时间t₂根据t₂=dL/V求出，汇流历时t=t₁+t₂，设计暴雨强度q=A/(t+b)^m，雨水设计流量Q_s=qψF，根据恒定流条件下流速公式计算出流速V₂=(1/n)R^2/3(dz/dL)^1/2，可得出dz，根据dz=Z_上-Z_下可计算出Z_上，根据恒定流条件下流量公式可计算出流速V₁=Q_s/w；

（3）若V₁、V₂值基本相等，管段上游端水位Z_上≤Z_上允许，则确定雨水设计流量Q_s、Z_上和排水管直径D，计算结束；若V₁、V₂相差超过允许的误差值，或者Z_上高于Z_上允许，则需要重新假定V₂值或修正排水管直径D后继续计算，进行步骤（4）；

（4）将V₂值替换为V₁值进行迭代计算，重复所述步骤（2）和步骤（3），直至V₁和V₂值基本相等，且Z_上≤Z_上允许，从而确定Q_s、Z_上和排水管直径D，计算结束。

有益效果：本发明的方法：⑴有着严谨正确的水力学理论依据，概念清晰；⑵可大幅度地提高推理公式法计算雨水设计流量的适用性能；⑶该方法的推广应用，有利于精准防治城市内涝，可产生较大的社会效益和经济效益。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明方法作进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。

设计某区域排水管的已知条件：该排水管上游端入口的集雨面积F=22.88ha，管段长dL=300m，钢筋混凝土排水管的糙率系数n=0.014，集雨区域的综合径流系数ψ=0.709，设计暴雨强度q的系数A=1327.817、常数b=3.105、指数m=0.295，设计管底坡度j根据管径D按规范允许的最小值选用，排水管过水断面积W=0.7854D²、水力半径R=0.25D，管段下游端设计水位Z_下=3.40m，上游端允许的最高水位Z_上允许=3.45m，地面集水时间为5min。需要确定雨水设计流量Q_s和不计入管段出、入口局部水头损失的上游端水位Z_上，并确定排水管直径D。

为反映本发明的算法，分别取管径D为4m、3m、2m、1.5m和1m共5种情况进行试算，根据迭代计算成果，可选用管直径D=4m，相应雨水设计流量Q_s=9.781m³/s，排水管上游端水位Z_上=3.40m+0.036m=3.436m，低于Z_上允许；而且设计流速V=0.778m/s，也满足大于规定的最小流速0.75m/s的要求。测试结果如表一。

如果按照现行用推理公式计算雨水设计流量的方法，根据已知的设计管底坡度j,则计算排水管上游端水位Z_上=3.40m+0.5‰×300m=3.55m，将高于上游端允许的最高水位Z_上允许，需要增加措施解决内涝问题。

表一：用恒定非均匀流条件计算雨水设计流量的测试结果

Claims (1)

1.恒定非均匀流条件下雨水设计流量的计算方法，设定排水管集雨面积F、管段长度dL、糙率系数n、综合径流系数ψ、设计暴雨强度q的参数A和b及m、地面集水时间t₁、管底坡度j、管段下游端总水头Z_下、上游端允许的最高总水头Z_上允许、允许的最小流速、初步拟定的排水管直径D、过水断面积W、水力半径R均为已知值，

其特征在于：该方法根据恒定流条件下流速公式计算的V₂等于按流量公式计算的V₁来确定雨水设计流量Q_s、Z_上和排水管直径D，该方法包括以下步骤：

（1）假定流速V₂初值；

（2）排水管雨水质点流行时间t₂根据t₂=dL/V求出，汇流历时t=t₁+t₂，设计暴雨强度q=A/(t+b)^m，雨水设计流量Q_s=qψF，根据恒定流条件的流速公式计算出流速V₂=(1/n)R^2/3(dz/dL)^1/2，可得出dz，根据dz=Z_上-Z_下可计算出Z_上，根据恒定流条件的流量公式可计算出流速V₁=Q_s/w；

（3）若V₁、V₂值基本相等，管段上游端水位Z_上≤Z_上允许，则确定雨水设计流量Q_s、Z_上和排水管直径D，计算结束；若V₁、V₂相差超过允许的误差值，或者Z_上高于Z_上允许，则需要重新假定V₂值或修正排水管直径D后继续计算，进行步骤（4）；

（4）将V₂值替换为V₁值进行迭代计算，重复所述步骤（2）和步骤（3），直至V₁和V₂值基本相等，且Z_上≤Z_上允许，从而确定Q_s、Z_上和排水管直径D，计算结束。