某港区雨水管道淹没出流计算方法探讨

和　蕊，孙俊伟，张　明（安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖，241000）

某港区雨水管道淹没出流计算方法探讨

和蕊，孙俊伟，张明
（安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖，241000）

摘要：依据水力学基本理论，介绍了雨水管道系统淹没出流状态下水位雍高值的计算公式，结合某港区雨水管道设计方案，提出在淹没出流状态下，应采取加大雨水管管径的措施，以达到减少水位雍高对雨水排放的不利影响［1］。

关键词：淹没出流；自由出流；水位雍高值

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.021

前言

雨水管道系统的设计，应保证雨水顺利排放，防止雨水倒灌，尽量采取自由出流方式排放雨水，但在实际工程中，存在诸多地面标高较低、水体水位较高的情况，为了确保管道内设计流速、坡度达到规范要求，雨水管道出水口通常会设置在水体设计高水位之下，即采取淹没出流方式排放雨水。淹没出流状态下，水体水位对雨水管道系统的出水能力造成较大影响，受水体顶托作用，雨水管道的过流能力减小，并且在管道上游会产生水位雍高现象，如果水位雍高值过大，陆域可能会发生雨水倒灌，因此雨水管道系统在淹没出流情况下，水位雍高值的计算就显得尤为重要。

本文结合长江下游某港口工程，依据水力学基本理论，对雨水管道淹没出流进行分析。

1工程概况

某港口工程位于长江中下游，占用长江岸线约444m，陆域纵深约570m，总面积约0.2km2。港区陆域高程5.3m，雨季平均高水位4.2m，年均降雨量约为1027mm。

2水位雍高值计算方法

在淹没出流状态下，取雨水管道末端检查井与出水口为研究对象，如图1所示。对于1-1断面和2-2断面，根据恒定总流能量方程可知：

图1　淹没出流状态下雍高计算简图

压强水头值和流速水头值相对较小，此处忽略不计。

hw为沿程水头损失hf与局部水头损失hj之和，局部水头损失hj在总的水头损失中所占比例较小，可以忽略不计。

z1-z2=h。其中h表示末端检查井水位雍高值。

综上所述，公式（1）可以简化为：

即水位雍高值消耗于沿程水头损失中。

根据《室外排水设计规范》关于恒定流条件下排水管渠计算公式，且Q=vA，，结合公式（2），可推导出：

其中h为水位雍高值，m；n为粗糙系数；Q为设计流量，m3/s；l为管道长度，m；d为管道直径，m。

可知，在雨水管道淹没出流情况下，水力坡降为水头与管道长度的比值，与管道坡度无关。公式（3）的物理意义为：水位雍高值与管道长度、管径、管道粗糙系数和设计流量有关，而与管道坡度无关。

以此类推，向雨水管道上游方向，分别以两个检查井为研究对象，可以逐个求出上游检查井的水位雍高值。

3工程计算实例

本港区陆域面积共约0.2km2，共设置两个雨水口，第一个雨水管道系统总汇水面积为0.0976km2，管道总长度660m，综合径流系数0.8，为方便计算，建立雨水管道系统简化模型，如图2所示：

图2　港区雨水管道系统计算简图

《河港工程总体设计规范》第6.3.6条规定：排水管、渠出水口处的管顶高程不宜低于雨季平均高水位。故简化模型取雨季平均高水位为自由出流和淹没出流的临界水位。在淹没出流情况下，为了防止港区陆域被雨水倒灌，要严格控制水位雍高值，但在设计雨水管道管径、坡度时，同时应该保证雨水自由出流情况下流速达到规范要求。本文首先按照雨水自由出流选取两个设计方案，然后按照淹没出流对两个方案进行对比。第一方案选择较小管径、较大坡度的管道，自由出流计算结果如表1；第二方案选择较大管径、较小坡度的管道，自由出流计算结果如表2。

根据公式（3），在淹没出流状态下，对两个方案的水位雍高进行计算，忽略自由出流状态与淹没出流状态下管段设计秒流量的变化，结果如表3、表4：

表1　方案一：自由出流计算结果

表2　方案二：自由出流计算结果

表3　方案一：淹没出流计算结果

表4　方案二：淹没出流计算结果

本工程港区陆域高程比雨季平均高水位高出1.1m。根据表3与表4的计算结果可知，在淹没出流状态下：方案一起端检查井的水位雍高值为1.49m，此时港区发生雨水倒灌；方案二起端检查井的水位雍高值为0.61m，如雨水管道最小覆土深度取0.8m，则此时整个管道系统充满雨水，但是起端检查井水位距地面仍有0.49m的高度，不会发生雨水倒灌现象。由以上两个方案的对比可知：雨水管道系统在淹没出流情况下，应采取尽量扩大管径的措施。

4结论

根据水力学基本理论，阐述了雨水管道系统淹没出流状态下水位雍高值的计算方法，提出水位雍高值与管道长度、管径、管道粗糙系数和设计流量有关，而与管道坡度无关。依据工程实例的雨水管道系统简化计算模型，提出雨水管道系统发生淹没出流时，应采取加大雨水管管径的设计方案。

参考文献：

［1］张雨飞，何亦森，邝敏毅.低地坪高潮位地区的雨水管道淹没出流计算［J］.给水排水，2011，37（4）：107-109.

［2］李家星，赵振兴.水力学［M］.南京：河海大学出版社，2001.

［3］周玉文，赵洪宾.排水管网理论与计算［M］.北京：中国建

筑工业出版社，2000.

［4］室外排水设计规范：GB50014-2006［S］.

［5］孙慧修.排水工程（上册）［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.

（责任编辑：郝安林）

中图分类号：TU992

文献标志码：A

文章编号：1673-2928（2016）04-0076-03

收稿日期：2015-10-22

基金项目:安徽省高等学校省级质量工程项目（2014jyxm180）；安徽工程大学本科教学质量提升计划项目（2014jyxm09）。

作者简介：和蕊（1982-），女，河南周口人，安徽工程大学建筑工程学院教师，硕士，主要从事水资源系统工程研究。

A port of Rainwater Pipe Submerged Flow Calculation Method

HE Rui，SUN Junwei，ZHANG Ming
（Anhui Polytechnic University College of Civil Engineering and Architecture，Wuhu 241000，China）

Abstract:In accordance with the basic Hydraulic theories，this paper introduces a formula for calculat-ing the rising water level of the rainwater piping system with submerged discharge.Combined with the piping design of some harbour district，It also proposes measures like enlarging the pipes should be taken in the circum-stances of submerged discharge，In order to reduce the banked-up water level adverse effects on damage.

Key words:submerged discharge；free discharge；value of rising water level