CN105404760B - 恒定非均匀流条件下雨水设计流量的计算方法 - Google Patents
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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、管段下游端设计水位Z下、上游端允许的最高水位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Qs、管段上游端水位Z上和排水管直径D。
Description
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Qs=qψF,式中:Qs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,按恒定流条件下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)R2/3(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上为上游端水位,单位m;Z下为管段下游端设计水位,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,按恒定流条件下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Qs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、管段下游端设计水位Z下、上游端允许的最高水位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等于按恒定流条件下流量公式计算的V1来确定雨水设计流量Qs、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/V2求出,其中,V2为恒定流条件下的流速,单位m/s,降雨历时t=t1+t2,设计暴雨强度q=A/(t+b)m,雨水设计流量Qs=qψF,根据恒定流条件下流速公式计算出流速V2=(1/n)R2/3(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=Qs/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Qs、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Qs、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Qs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Qs=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=0.778 m/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、管段下游端设计水位Z下、上游端允许的最高水位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,其中,设计暴雨强度q的单位为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,
其特征在于:该方法根据恒定流条件下流速公式计算的V2等于按恒定流条件的流量公式计算的V1来确定雨水设计流量Qs、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/V2求出,其中,V2为恒定流条件下的流速,单位m/s,降雨历时t=t1+t2,设计暴雨强度q=A/(t+b)m,雨水设计流量Qs=qψF,根据恒定流条件的流速公式计算出流速V2=(1/n)R2/3(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=Qs/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Qs、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Qs、Z上和排水管直径D,计算结束。
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