論雨水推理公式在管渠設(shè)計中的應(yīng)用

和迎富

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

國內(nèi)雨水管渠的設(shè)計以恒定均勻流推理公式為基本依據(jù)，該公式簡潔實用，沿用至今已有一百多年的歷史。但是，公式中的匯水面積F和降雨歷時t受管段劃分長度的影響較大，導(dǎo)致雨水管渠的設(shè)計精度不高。針對這一情況，業(yè)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究，就設(shè)計管段的劃分長度，規(guī)范尚沒有給出統(tǒng)一的標(biāo)準，筆者按照推理公式的方法，就設(shè)計管段對推理公式計算結(jié)果的影響進行研究分析，提出一些設(shè)計理念，供業(yè)內(nèi)同行參考。

1 推理分析

目前，雨水管渠系統(tǒng)的設(shè)計多采用推理公式法計算雨水設(shè)計流量，即：

Q=q·ψ·F

(1)

式中，Q—設(shè)計流量，L/s；q—暴雨強度，L/(hm2·s)；ψ—徑流系數(shù)；F—匯水面積，hm2。

暴雨強度公式為：

(2)

式中，A1、C、b、n均可據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料查詢，為固定參數(shù)；P—重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時，t=t1+t2，min，根據(jù)B50016—2021《室外排水設(shè)計規(guī)范》3.2.4，地面積水時間t1根據(jù)距離、地形和地面種類一般取5～15min，管渠內(nèi)雨水流行時間t2受管段長度、流速的影響，需計算確定。

綜合徑流系數(shù)ψ受地面種類、地形、流域特性因子、平均坡度、地表植被覆蓋情況及土壤特性等影響，按地面種類加權(quán)平均計算可得。

匯水面積F的劃分結(jié)合地形坡度、匯水面積大小及雨水管布置等情況進行劃定。而設(shè)計管段劃分的長短直接影響管段匯水面積的大小，根據(jù)極限強度理論，進而影響管段設(shè)計流量的大小。

綜上可知，設(shè)計管段對恒定均勻流推理公式中的t2及F具有一定的影響，目前規(guī)范也未給出設(shè)計管段的指導(dǎo)長度，僅大學(xué)教材《排水工程》上冊3.3.5節(jié)“雨水管渠計算舉例”中提到每一設(shè)計管段的長度在200m以內(nèi)為宜。工程實踐中多以設(shè)計人員的經(jīng)驗進行劃分，計算結(jié)果受人為因素的影響較大。

為了摸清劃分不同長度的設(shè)計管段對恒定均勻流推理公式的影響，下面對同一流域的雨水干管劃分2種不同長度進行理論剖析，方式二是在方式一的基礎(chǔ)上，增設(shè)檢查井，等分方式一的劃分長度。具體如圖1所示。

圖1 劃分不同長度的管段示意圖

假定各區(qū)域地面積水時間t1及地面凈流系數(shù)ψ均相同，管段的設(shè)計流量均從管段起點進入。則：

方式一管段1-2的雨水設(shè)計流量為：

(3)

對應(yīng)管內(nèi)流速V2，則管段內(nèi)雨水流行時間為：

(4)

方式二管段1-1′和1′-2的雨水設(shè)計流量分別為：

(5)

(6)

(7)

(8)

對2種不同方式下管段1-2的設(shè)計流量Q、流速V以及管內(nèi)雨水流行時間t進行對比分析如下：

方式一1-2段的匯水面積與方式二1-1′段相同，但小于1′～2段的匯水面積，根據(jù)雨水極限強度理論可知：

對于設(shè)計管段2-3：

方式一中：

(9)

方式二中管段2-2′設(shè)計流量為：

(10)

同種推理方法，可知：

綜上分析可知，對于同一流域的同一設(shè)計管段，設(shè)計管段劃分的越詳細，對推理公式中的匯水面積和降雨歷時(即管內(nèi)流行時間或流速)的影響越明顯，即設(shè)計管段劃分的越短，系統(tǒng)設(shè)計流量越大；設(shè)計管段劃分越長，設(shè)計流量相對較小。

2 工程案例

為了驗證上述結(jié)論的可靠性，結(jié)合杭州市某道路改建工程雨水管渠的設(shè)計，對影響恒定均勻流推理公式的參數(shù)因素進行分析說明。

2.1 工程概況

本工程是服務(wù)保障2022年杭州亞運會的重要交通配套工程，西起星河路，終于新紡路口，全長6.5km，高架長約6.4km，標(biāo)準斷面路基寬43m，高架橋?qū)?5.5m。為保障附近區(qū)域的雨水能夠及時收集、排除，在主道路兩側(cè)設(shè)置雨水主干管。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本工程總匯水面積約1.5km2，共分為7個排水流域，雨水系統(tǒng)的設(shè)計采用恒定均勻流推理公式法計算雨水設(shè)計流量，即：

Q=q·F·ψ

(11)

杭州市暴雨強度公式采用：

(12)

式中，i—暴雨強度，mm/min；T—設(shè)計重現(xiàn)期，取5a；t—降雨歷時，t=t1+t2，地面集水時間t1取5min，管渠內(nèi)雨水流行時間t2根據(jù)計算確定。ψ—綜合徑流系數(shù),取0.65。

2.2.1劃分較長的設(shè)計管段

將雨水干管劃分較長的設(shè)計管段，起端按100～150m的長度劃分，后續(xù)按150～250m的長度劃分。具體布置如圖2所示。

圖2 長設(shè)計管段的主管布置圖

對應(yīng)雨水干管的水力計算過程見表1。

表1 長管段的水力計算表

2.2.2劃分較短的設(shè)計管段

在圖2的基礎(chǔ)上將雨水干管劃分較短的設(shè)計管段，起端按50～100m的長度劃分，后續(xù)按100～200m的長度劃分。具體布置如圖3所示。

圖3 短設(shè)計管段的主管布置圖

對應(yīng)雨水干管的水力計算過程見表2。

表2 短管段的水力計算表

對比2種不同劃分長度下恒定均勻流推理公式的計算結(jié)果，可以看出較短設(shè)計管段的設(shè)計流量比較長設(shè)計管段普遍要大一些，從而導(dǎo)致起端2′～3、3′～4及4′～5段的干管管徑比2～3、3～4及4～5段要大。后半段干管管徑相對較大，細分設(shè)計管段增加的設(shè)計流量雖未影響設(shè)計管徑，但需增大敷設(shè)坡度來滿足排水要求。

3 結(jié)語

恒定均勻流推理公式是基于一定的假設(shè)條件，由雨水徑流成因推導(dǎo)得出的，是半經(jīng)驗半理論公式。在設(shè)計雨水管渠系統(tǒng)的過程中，應(yīng)注意：

(1)對于主干管的前半段，匯水面積較小，若管段過長，會導(dǎo)致設(shè)計管徑偏小，不滿足排水要求；但也不宜過短，可結(jié)合工程實際情況，按50～100m的間距均布起端干管的設(shè)計管段。

(2)對于主干管的后半段，匯集了較大面積的雨水，可適當(dāng)增大設(shè)計管段的長度，按150～250m長度劃分設(shè)計管段。

(3)設(shè)計計算時宜有一定的超前意識，應(yīng)充分考慮城市發(fā)展及實際運行中可能存在的各種不確定性。