雨水管道的计算与校核方法

祝奇超

（深圳中广核工程设计有限公司　广东　深圳　518000）

雨水管道的计算与校核方法

祝奇超

（深圳中广核工程设计有限公司广东深圳518000）

本文对雨水管道的设计和校核进行了讨论，提出了在校核雨水积水深度时必须考虑局部阻力损失的观点，并给出了雨水管线局部水头损失的算法。

暴雨强度；水头损失；积水

引言

近年随着环境的变化，世界各地暴雨强度呈现上升趋势，北京、成都、武汉等城市由于发生特大暴雨造成严重内涝，造成了较大的损失。电站工程占地面积大，投资大，设备贵重，如果发生内涝，造成的损失将远大于城市内涝。因此，必须对电站的雨水管道进行科学的计算和校核，保证在校核暴雨强度下不发生厂区积水。雨水管道设计的水力计算公式较为成熟，笔者主要对厂区积水深度的校核方法进行了讨论。

本文以某南方滨海电站为例，对其雨水管道设计进行说明。该电站位于南方某市，靠山面海。靠山一侧设计有排洪沟，按最大可能降雨（PMP）满流设计。厂区雨水靠山一侧排往上述排洪沟，约占总面积1/3；面海一侧排往大海，约占总面积2/3。

设计选用的参数和计算公式如下：

（1）厂坪标高：+8.50m（绝对标高，珠基高程）。

（2）设计工况：千年一遇降雨。

（3）校核工况：千年一遇降雨+外海设计基准洪水位（6.87m，10％超越概率天文潮高潮位+可能最大风暴潮增水+海平面异常变化），校核工况下厂区积水深度不能超过0.2m。

式中：q——设计暴雨强度[L/（s·hm2）]；

t——降雨历时（min）（0

t1——地面积水时间，本工程取10min；

t2——管内流行时间（min），根据实际情况计算；

m——折减系数，本工程取1。

（5）径流系数Ψ：

道路，屋面：0.9；

碎石地带：0.4。

（6）流速公式：

式中：v——管道流速，m/s；

R——水力半径（m）；

I——水力坡降；

n——粗糙系数，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——管道的断面面积，本工程按满流设计；

v——管道流速，m/s。

采用《排水工程》（第四版，中国建筑工业出版社）中的“极限强度”理论进行雨水管道的计算。该理论认为：“当汇水面积上最远点的雨水流到集流点时，全面积产生汇流，雨水管道的设计流量最大；当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水流达集流点时间时，雨水管道需要排出的雨水量最大。”

图1　总平面示意图

图1为该电站总平面和管道布置示意图，根据上述的极限强度理论，可知：

式中：q1——管段a1～a2的设计暴雨强度，此时的降雨历时为A1最远端自雨水井a1的汇流时间t1；

q2——管段a2～a3的设计暴雨强度，此时的降雨历时t=t1+t2；

t2——管段a1～a2的管内雨水流行时间（min）。

以下选取一条雨水管道作为算例进行说明，管段a1～a3计算如表1。

分别对表1各列数据说明如下：

第一列：管段名称；

第二、三列：管段编号；

第四列：计算管段汇流面积的长度；

表1　a1～a3管段计算结论

第五列：计算管道的实际长度，即两个检查井之间的管道实际长度；

第六列：计算管段汇流面积的宽度；

第七列：计算管段的面积，等于第四列和第六列之乘积，注意单位是hm2；

第八列：计算管段的综合径流系数，综合径流系数根据该计算管段的实际情况加权平均求的；

第九列：等于第七列和第八列之乘积；

第十列：为本段汇流面积加上上段管道的转输面积；

第十一列：汇流时间。起始段为10min，后续管段的汇流时间等于上段管道的汇流时间加上上段管道的管内流行时间；

第十二列：管内流行时间，等于第五列管道长度除以第十七列流速；

第十四列：计算管段的流量。等于第十列和第十三列之和；

第十五列：计算管段的管径，由手动输入；

第十六列：计算管段的坡度，由手动输入；

第十八列：设计管道的设计流量。采用公式Q2=A2×v（L/s）进行计算，其中A2由第十五列的管径算得；V引用第十七列；第十五列和第十六列手动输入的管径和坡度必须保证本列的流量大于第十四列的流量。即管道的设计流量应大于设计重现期该管段可能通过的最大流量。

第十九列：坡降。等级第五列和第十六列的乘积，表示管道或井底标高的变化；

利用EXCEL工具完成上述计算后，再将第二十一列数据进行累加，即可算的该条管线的总水头损失。本算例的总水头损失为0.246m，实际管道长度为100m，则考虑局部水头损失后的水力坡度为0.00246。该数据与第二十二列未考虑局部水头损失的水力坡降0.002进行比较，可以发现，考虑局部水头损失后的水力坡降较大，这也是符合客观实际情况的。

最后，我们对积水深度进行校核。上述算例管道排入排洪沟，排洪沟在外海发生DBF水位，并叠加千年一遇降雨时的接入点水面线标高约为8.10m（绝对标高），该管路水头损失为0.246m，因此可推求计算管路起始检查井的水面标高8.346m（8.10+ 0.246），低于厂坪标高，不发生积水。同理，若计算管路排往外海，则直接用外海DBF水位加上水头损失，则可求得积水深度。

小结

在雨水管道的设计中，为防止地面积水，除选取合适的设计重现期、管径、坡度外，更为重要的是选取管道的路径，应使得管道尽可能短，顺直，并采用合适的计算方法进行校核。笔者在实际工程中，利用上述计算方法发现某些管路水头损失过大，造成上游积水，不满足设计要求。主要原因是管道路线过长，一般考虑局部水头损失后，管系实际水力坡度将达到0.0035左右（管道设计坡度为0.002～0.003时）。重新规划管路，缩短管道长度后积水问题得到解决。这个时候如果放大管径，效果并不理想，因为放大管径对沿程损失减小的贡献较大，而对局部水头损失的贡献较小，并且会引起投资的大幅增加。笔者认为在城镇的雨水管道设计中仍然需要遵循上述原则，设计的关键工作是使得主管线尽可能的短，对解决城镇内涝有事半功倍的效果。

[1]孙慧修，等.排水工程.中国建筑工业出版社，2004.

[2]李炜，等.水力计算手册.中国水利水电出版社，2006.

TQ050.2

A

1673-0038（2015）29-0003-02

2015-7-3

祝奇超（1983-），男，工程师，本科，主要从事核电站水工工艺和消防设计工作。