CN115796453B - 一种市政下水管道人孔盖排气效果评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种市政下水管道人孔盖排气效果评估方法，其包括以下步骤：将雨水管网划分成若干不同的管道段，计算地面流入管道段的径流量Q_S(t)：将流入管道段的径流量Q_S(t)作为相应管道段的入流，计算整个管网的管道内水位H；利用水位H计算人孔盖受到的管道内部的空气压P₁；将空气压P₁与人孔盖设计时能承受的临界空气压P进行比较，判断人孔盖是否有向人孔上方飞散的风险。本发明利用一维非恒定流作为求解下水道内水位和流量的基础，并对下水道内有压管道水流和自由水流条件进行分类分析，确保人孔盖受压分析准确、合理。

Description

一种市政下水管道人孔盖排气效果评估方法

技术领域

本发明涉及市政下水管道排水安全技术领域，具体涉及市政下水管道人孔盖排气效果评估方法。

背景技术

在一些沿海城市或者填海造地所形成的海边城市地区，由于地势平坦，导致该地区的下水道坡度平缓。另一方面，由于大多数海边地区是重要旅游区之一，为了考虑景观，下水道或雨水管道的出口一般位于海水位以下。因此，在暴雨期间，雨水管道内的水位迅速上升，水流从自由流变为有压管道流，从而使得管道和人孔内的空气体积突然减少，空气压激剧增大。当人孔内的空气压超过人孔盖所能承受的临界压力时，会引起人孔盖飞散，威胁道路上行人和交通的安全。所以，亟需提供一种在降雨条件下对人孔盖的排气效果进行综合评估的方法。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种综合研究下水道管网中水流和空气压变化，并对市政下水管道人孔盖排气效果进行评估的方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种市政下水管道人孔盖排气效果评估方法，其包括以下步骤：

S1：将雨水管网划分成若干不同的管道段，计算从地面流入管道段的径流量Q_s(t)：

S2：将流入管道段的径流量Q_s(t)作为一维非恒定流的计算条件，计算整个管网的管道内水位H；

S3：利用水位H计算整个管网的管道内部的空气体积，从而得到人孔盖受到的管道内部的空气压P₁；

S4：将空气压P₁与人孔盖设计时能承受的临界空气压P进行比较：

若P₁＞P，则该管道段上的人孔盖具有向人孔上方飞散的风险，表明需要更换成具有更大排气口径的人孔盖，以确保道路上行人和交通的安全；

若P₁≤P，则该人孔盖没有向人孔上方飞散的风险。

进一步地，步骤S1包括：

S11：将雨水管网划分成若干不同的管道段，将设计暴雨的历时时长T划分成N个相等的时段Δt，N＝T/Δt；

S12：根据研究对象区域的暴雨强度公式，计算每个时段内的降雨强度I(n)，n∈[1，N]；

S13：根据研究对象区域的代表性雨型，确定降雨强度I(n)在雨型分布中出现的时间，按照出现时间的先后对N个降雨强度I(n)进行排序，得到排序后的新的降雨强度序列i(m)，i(m)为由N个降雨强度组成的序列中的任意一个；

S14：利用推理公式，计算降雨强度i(m)产生的洪峰流量Q_p(m)：

其中，f为径流系数，A为任意一个管道段对应的的流域面积；

S15：将降雨强度i(m)产生的径流过程线简化为等腰三角形，以洪峰流量Q_p(m)作为等腰三角形的高，等腰三角形的底边长为2Δt，等腰三角形的两个腰即为降雨强度i(m)产生的径流过程线；

S16：根据S15，第m个降雨强度i(m)产生的径流过程的数学表达式为：

S17：利用S16中的数学表达式计算每个降雨强度产生的径流量，并将所有径流量相加，得到流入管道段的地表径流Q_S(t)：

进一步地，步骤S2包括：

S21：建立自由水流和有压管道水流条件下的一维非恒定流方程：

自由水流条件下的连续方程为：

有压管道水流条件下的连续方程为：

运动方程为：

其中，A₀为过水断面面积，Q为过水断面的流量，a为压力波转播速度，q为管道段单位长度的入流量，q＝Q_S(t)/L，L为管道段的长度，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，f为局部水头损失系数，h_L为单位长度的局部水头损失，v₁为水的流速，g为重力加速度；

S22：每个管道段的管径大小相同，且坡度的变化是连续的；以每个管道段的中点为水位计算点，两端为流量计算点，对两个相邻管道段的水位及连接处的水位进行线性内插，利用一维非恒定流方程计算每一个管道段两端的流量Q₂和Q₁以及管道段中部的水位H，Q₂为管道段的入流流量，Q₁为管道段的出流流量。

进一步地，步骤S3包括：

S31：根据管道内的水位H计算管道内的水量V_水，并利用V_水计算管道内及人孔内的空气体积V：

V＝V_管-V_水

其中，V_管为管道及人孔的总体积；

S32：建立自由水流条件下人孔盖的排气连续方程，计算管道内的空气排除速度v₂：

其中，A₁为人孔盖排气孔的面积，A₂为空气流出管道的断面面积，C₀为人孔盖排气孔的空气流出系数，C₁为管道的空气流出系数，v₂为空气流出速度；；

S33：根据排气连续方程建立人孔盖排气的运动方程，计算人孔盖受到的管道内部的空气压P₁：

ρ(C₀∑A₁+C₁∑A₂)·v₂ ²＝(P₁-P₀)·(∑A₁+∑A₂)

其中，ρ为空气密度，P₀为大气压。

本发明的有益效果为：本发明利用一维非恒定流作为求解下水道内水位和流量的基础，可以针对研究区域内整个下水道管网的水流和空气压进行计算，在分析评估过程中，将整个下水道管网分成若干管道段，每个管道段可进行单独分析，极大的增加了计算出的对应人孔及人孔盖所承受压力的精度，并对下水道内有压管道水流和自由水流条件进行分类分析，进一步对有压环境下的人孔盖受压值进行精确计算，确保人孔盖受压分析准确、合理，避免因为暴雨量增加，雨水管道及人孔盖因气压增加而导致的人孔盖飞散，威胁道路上行人和交通安全。

附图说明

图1为径流过程线的示意图。

图2为水位和流量计算模型的示意图。

图3为整个管网中某一具有自由水面的管道区间的人孔盖所承受空气压力的计算模型示意图。图4为研究区下水道管道的模式图。

图5为研究区下水道管道的人孔位置图。

图6为中央集中型降雨分布图。

图7为研究区部分流量计算点的流量过程线图。

图8为研究区部分人孔的水位过程线和空气压变化过程线图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本方案的市政下水管道人孔盖排气效果评估方法包括以下步骤：

S1：将雨水管网划分成若干不同的管道段，计算从地表流入管道段的径流量Q_s(t)：步骤S1具体包括：

S11：将雨水管网划分成若干不同的管道段，将设计暴雨的历时时长T划分成N个相等的时段Δt，N＝T/Δt；

S12：根据研究对象区域的暴雨强度公式，计算每个时段内的降雨强度I(n)，n∈[1，N]；

S13：根据研究对象区域的代表性雨型，确定降雨强度I(n)在雨型分布中出现的时间，按照出现时间的先后对N个降雨强度I(n)进行排序，得到排序后的新的降雨强度序列i(m)，i(m)为由N个降雨强度组成的序列中的任意一个；

S14：利用推理公式计算降雨强度i(m)产生的洪峰流量Q_p(m)：

其中，f为径流系数，A为任意一个管道段对应的流域面积；

S15：将降雨强度i(m)产生的径流过程线简化为等腰三角形，以洪峰流量Q_p(m)作为等腰三角形的高，等腰三角形的底边长为2Δt，等腰三角形的两个腰即为降雨强度i(m)产生的径流过程线，如图1所示；

S16：根据S15，第m个降雨强度i(m)产生的径流过程的数学表达式为：

S17：利用S16中的数学表达式计算每个降雨强度产生的径流量，并将所有径流量相加，得到流入管道段的地表径流Q_S(t)：

S2：将流入管道段的径流量Q_s(t)作为一维非恒定流的计算条件，计算整个管网的管道内水位H；步骤S2具体包括：

S21：建立自由水流和有压管道水流条件下的一维非恒定流方程，使用一维非恒定流作为求解下水道内水位和流量的基础，当它被用来求解下水道管道水流问题时，需要解决两个基本问题：

1.与河道不一样，下水道管道的大小和底面标高的变化是不连续的，即两个相互连接的管道的大小和底面标高可能相差很大。

2.自由水流(无压水流)和有压管道水流会交替出现。

对于问题1，在一维非恒定流的运动方程式中，除了考虑摩擦损失水头以外，同时考虑局部水头损失，并使用两个相邻管道的水位对其连接处的水位进行线性内插。

对于问题2，将分别使用自由水流和有压管道水流的连续方程式。

在自由水流条件下：

在有压管道水流条件下：

运动方程为：

其中，A₀为过水断面面积，Q为过水断面的流量，a为压力波转播速度，q为管道段单位长度的入流量，q＝Q_S(t)/L，L为管道段的长度，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，f为局部水头损失系数，h_L为单位长度的局部水头损失，v₁为水的流速，g为重力加速度；

S22：每个管道段的管径大小相同，且坡度的变化是连续的；以每个管道段的中点为水位计算点，两端为流量计算点，如图2所示，对两个相邻管道段的水位及连接处的水位进行线性内插，利用一维非恒定流方程计算每一个管道段两端的流量Q₂和Q₁以及管道段中部的水位H，Q₂为管道段的入流流量，Q₁为管道段的出流流量。

S3：利用水位H计算整个管网的管道内部的空气体积，从而得到人孔盖受到的管道内部的空气压P₁；步骤S3具体包括：

S31：根据管道内的水位H计算管道内的水的体积V_水，并利用V_水计算管内及人孔内的空气体积V：

V＝V_管-V_水

其中，V_管为管道及人孔的总体积；

S32：建立自由水流条件下人孔盖的排气连续方程，计算管道内的空气排除速度v₂：

其中，A₁为人孔盖排气孔的面积，A₂为空气流出管道的断面面积，C₀为人孔盖排气孔的空气流出系数，C₁为管道的空气流出系数，v₂为空气流出速度；；

S33：如图3所示，根据排气连续方程建立人孔盖排气的运动方程，计算人孔盖受到的管道内部的空气压P₁：

ρ(C₀∑A₁+C₁∑A₂)·v₂ ²＝(P₁-P₀)·(∑A₁+∑A₂)

其中，ρ为空气密度，P₀为大气压。

S4：将空气压P₁与人孔盖设计时能承受的临界空气压P进行比较：

若P₁＞P，则该管道段上的人孔盖具有向人孔上方飞散的风险，表明需要更换成具有更大排气口径的人孔盖，以确保道路上行人和交通的安全；

若P₁≤P，则该管道段上的人孔盖没有向人孔上方飞散的风险。

本发明利用一维非恒定流作为求解下水道内水位和流量的基础，可以针对研究区域内整个下水道管网的水流和空气压进行计算，在分析评估过程中，将整个下水道管网分成若干管道段，每个管道段可进行单独分析，极大的增加了计算出的对应人孔及人孔盖所承受压力的精度，并对下水道内有压管道水流和自由水流条件进行分类分析，进一步对有压管道水流和自由水流的人孔盖受压值进行精确计算，确保人孔盖受压分析准确、合理。

以某区域为例，对研究区内的整个下水道管网的水流和空气压进行了计算。以下介绍研究区内的计算结果，如图4和图5所示为该地区的下水道管道模式图和人孔位置图。

如图6所示，计算出该地区△t＝5分钟的中央集中型降雨分布图。为了进行比较，使用两种人孔盖，如下表1所示，列出了其排气口面积。

表-1人孔盖的排气口面积

	人孔盖种类	排气口面积(m2)
			1	标准盖	4.92x103
2	陶瓷盖	1.53x103

当人孔内的空气压超过人孔盖临界空气压时，会引起人孔盖的飞散。下表2中h＝0(即人孔盖没有向上移动)所对应的空气压为临界空气压。h＝0.05m、0.5m表示人孔盖的飞散高度，其对应的空气压为达到这些飞散高度所需要的人孔内空气压。

表-2人孔盖临界空气压

计算结果：

部分流量计算点的流量过程线如图7所示。部分人孔的水位过程线和空气压变化过程线如图8所示。表3中列出了各人孔盖的空气压计算结果。由此可知，陶瓷盖的空气压超过了表2中的临界空气压，不宜采用。使用标准盖是安全的。

表-3各人孔盖的空气压计算结果

Claims (1)

1.一种市政下水管道人孔盖排气效果评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将雨水管网划分成若干不同的管道段，计算从地表流入管道段的径流量Q_s(t)，t为暴雨时长；

所述步骤S1包括：

S11：将雨水管网划分成若干个相同管径的管道段，将设计暴雨的历时时长T划分成N个相等的时段Δt，N＝T/Δt；

S12：根据研究对象区域的暴雨强度公式，计算每个时段内的降雨强度I(n)，n∈[1，N]；

S13：根据研究对象区域的代表性雨型，确定降雨强度I(n)在雨型分布中出现的时间，按照出现时间的先后对N个降雨强度I(n)进行排序，得到排序后的新的降雨强度序列i(m)，i(m)为由N个降雨强度组成的序列中的任意一个，m为N个降雨强度序列的序号，0≤m≤N；

S14：利用推理公式计算降雨强度i(m)产生的洪峰流量Q_p(m)：

其中，f为径流系数，A为任意一个管道段对应的流域面积；

S15：将降雨强度i(m)产生的径流过程线简化为等腰三角形，以洪峰流量Q_p(m)作为等腰三角形的高，等腰三角形的底边长为2Δt，等腰三角形的两个腰即为降雨强度i(m)产生的径流过程线；

S16：根据S15，第m个降雨强度i(m)产生的径流过程的数学表达式为：

S17：利用S16中的数学表达式计算每个降雨强度产生的径流量，并将所有径流量相加，得到流入管道段的地表径流Q_S(t)：

S2：将流入管道段的径流量Q_s(t)作为一维非恒定流的计算条件，计算整个管网的管道内水位H；

所述步骤S2包括：

S21：建立自由水流和有压管道水流条件下的一维非恒定流方程：

自由水流条件下的连续方程为：

有压管道水流条件下的连续方程为：

运动方程为：

其中，A₀为过水断面面积，Q为过水断面的流量，a为压力波转播速度，q为管道段单位长度的入流量，q＝Q_S(t)/L，L为管道段的长度，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，f为局部水头损失系数，h_L为单位长度的局部水头损失，v₁为水的流速，g为重力加速度；

S22：每个管道段的管径大小相同，且坡度的变化是连续的；以每个管道段的中点为水位计算点，两端为流量计算点，对两个相邻管道段的水位及连接处的水位进行线性内插，利用一维非恒定流方程计算每一个管道段两端的流量Q₂和Q₁以及管道段中部的水位H，Q₂为管道段的入流流量，Q₁为管道段的出流流量；

S3：利用水位H计算整个管网的管道内部的空气体积，从而得到人孔盖受到的管道内部的空气压P₁；

所述步骤S3包括：

S31：根据管道内的水位H计算管道内的水的体积V_水，并利用V_水计算管道内及人孔内的空气体积V：

V＝V_管-V_水

其中，V_管为管道及人孔的总体积；

S32：建立自由水流条件下人孔盖的排气连续方程，计算管道内的空气排除速度v₂：

其中，A₁为人孔盖排气孔的面积，A₂为空气流出管道的断面面积，C₀为人孔盖排气孔的空气流出系数，C₁为管道的空气流出系数，v₂为空气流出速度；

S33：根据排气连续方程建立人孔盖排气的运动方程，计算人孔盖受到的管道内部的空气压P₁：

ρ(C₀∑A₁+C₁∑A₂)·v₂ ²＝(P₁-P₀)·(∑A₁+∑A₂)

其中，ρ为空气密度，P₀为大气压；

S4：将空气压P₁与人孔盖设计时能承受的临界空气压P进行比较：

若P₁＞P，则该管道段上的人孔盖具有向人孔上方飞散的风险，表明需要更换成具有更大排气口径的人孔盖，以确保道路上行人和交通的安全；

若P₁≤P，则该人孔盖没有向人孔上方飞散的风险。

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