3.2　雨水管渠的設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.2.1　雨水管渠系統(tǒng)平面布置特點(diǎn)

（1）利用地形排水

雨水管渠應(yīng)盡量利用自然地形坡度以最短的距離靠重力流排入附近的池塘、河流、湖泊等水體中（見圖3-5）。

一般情況下，當(dāng)?shù)匦纹露容^大時(shí)，雨水干管宜布置在地形洼處或溪谷線上。當(dāng)?shù)匦纹教箷r(shí)，雨水干管宜布置在排水流域的中間，以便盡可能擴(kuò)大重力流排除雨水的范圍。

當(dāng)管道排入池塘或小河時(shí)，由于出水口的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，造價(jià)不高，因此雨水干管的平面布置宜采用分散出水口式的管道布置形式，且就近排放，管線較短，管徑也較小，這在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都是合理的。但當(dāng)河流的水位變化很大、管道出口離常水位較遠(yuǎn)時(shí)，出水口的構(gòu)造比較復(fù)雜，造價(jià)較高，不宜采用過(guò)多的出水口，這時(shí)宜采用集中出水口式的管道布置形式（見圖3-6）。當(dāng)?shù)匦纹教梗业孛嫫骄鶚?biāo)高低于河流的洪水位標(biāo)高時(shí)，需要將管道適當(dāng)集中，在出水口前設(shè)雨水泵站，暴雨期間雨水經(jīng)抽升后排入水體。這時(shí)，應(yīng)盡可能使通過(guò)雨水泵站的流量減少到最小，以節(jié)省泵站的工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。宜在雨水進(jìn)泵站前的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置調(diào)節(jié)池。

（2）雨水管渠布置與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào)

應(yīng)根據(jù)建筑物的分布、道路布置及街坊內(nèi)部的地形等布置雨水管道，使街區(qū)內(nèi)絕大部分雨水以最短距離排入街道較低側(cè)的雨水口管道。

雨水管道應(yīng)平行道路鋪設(shè)，且宜布置在人行道或綠化帶下，不宜布置在快車道下，以免在維修管道時(shí)影響交通或管道被壓壞。對(duì)于道路紅線寬度超過(guò)40m的城鎮(zhèn)干道，宜在道路兩側(cè)布置雨水管道。

雨水干管的平面和豎向布置應(yīng)考慮與其他地下構(gòu)筑物（包括各種管線及地下建筑物等）在相交處相互協(xié)調(diào)，雨水管道與其他各種管線（構(gòu)筑物）在豎向布置上要求的最小凈距見《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定。在有池塘、洼地的地方，可考慮雨水的調(diào)蓄。在有連接條件的地方，應(yīng)考慮兩個(gè)管道系統(tǒng)之間的連接，以便提高系統(tǒng)的可靠性。

（3）雨水口的布置原則

為便于行人越過(guò)街道或機(jī)動(dòng)車輛識(shí)別運(yùn)行路線，雨水不能漫過(guò)路口。因此一般在街道交叉路口的匯水點(diǎn)、低洼處應(yīng)設(shè)置雨水口。此外，在道路上一定距離處也應(yīng)設(shè)置雨水口，其間距一般為25～50m，容易產(chǎn)生積水的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)增加雨水口的數(shù)量（見圖3-7），雨水口的設(shè)計(jì)計(jì)算見第4章4.4節(jié)。

（4）有條件時(shí)應(yīng)盡量采用明渠排水

在城郊或新建工業(yè)區(qū)、建筑密度較低的地區(qū)和交通量較小的地方，可考慮采用明渠，以節(jié)省工程費(fèi)用，降低造價(jià)。

在城市市區(qū)或工廠內(nèi)，由于建筑密度較高，交通量較大，采用明渠雖降低工程造價(jià)，但會(huì)給生產(chǎn)和生活帶來(lái)許多不便，使道路的立面和橫斷面設(shè)計(jì)受到限制，橋涵費(fèi)用也要增加。若管理養(yǎng)護(hù)不善，明渠容易淤積，滋生蚊蠅影響環(huán)境衛(wèi)生，所以一般應(yīng)采用暗管和道路邊溝排水。在每條雨水干管的起端，通常可以利用道路邊溝排水，能減少暗管長(zhǎng)度100～200m。這對(duì)降低整個(gè)管渠工程造價(jià)很有意義。

雨水暗管和明渠銜接處須采取一定的工程措施，以保證連接處良好的水力條件。通常做法是：

當(dāng)管道接入明渠時(shí)，管道應(yīng)設(shè)置擋土的端墻，連接處的土明渠應(yīng)加鋪砌；鋪砌高度不低于設(shè)計(jì)超高，鋪砌長(zhǎng)度自管道末端算起為3～10m。宜適當(dāng)?shù)?dāng)落差為0.3～2m時(shí)，須作45°斜坡，斜坡應(yīng)加鋪砌，其構(gòu)造尺寸如圖3-8所示。當(dāng)落差大于2m時(shí)，應(yīng)按水工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)。

明渠接入暗管時(shí)，除應(yīng)采取上述措施防止沖刷外，還應(yīng)設(shè)計(jì)格柵，防止進(jìn)入雜物堵塞管道，柵條間距采用100～150mm。也宜適當(dāng)?shù)诘?～5m處即須進(jìn)行鋪砌，其構(gòu)筑尺寸見圖3-9。

（5）排洪溝設(shè)計(jì)

在進(jìn)行城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮不允許規(guī)劃范圍以外的雨水、洪水進(jìn)入市區(qū)。許多工廠或居住區(qū)傍山建設(shè)，雨季時(shí)若有大量洪水流入市區(qū)，會(huì)威脅工廠和居住區(qū)的安全。因此，對(duì)于靠近山麓建設(shè)的工廠和居住區(qū)，除在廠區(qū)和居住區(qū)設(shè)雨水管道外，尚應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)地區(qū)周圍或超過(guò)設(shè)計(jì)區(qū)設(shè)置排洪溝，以攔截從分水嶺以內(nèi)排泄下來(lái)的洪水并引入附近水體，保證工廠和居住區(qū)的安全（如圖3-10所示）。

3.2.2　雨水管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定

（1）設(shè)計(jì)充滿度

雨水中主要含有泥砂等無(wú)機(jī)物質(zhì)，不同于污水的性質(zhì)，加以暴雨徑流量大，而相應(yīng)較高設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度的降雨歷時(shí)一般不會(huì)很長(zhǎng)。故雨水管道按滿流設(shè)計(jì)，即h/D=1。明渠應(yīng)有等于或大于0.20m的超高。街道邊溝應(yīng)有等于或大于0.03m的超高。

（2）設(shè)計(jì)流速

雨水經(jīng)常會(huì)把地面的泥沙夾帶到雨水管渠中，為了防止泥沙在管渠中沉淀而造成管渠堵塞，雨水管渠系統(tǒng)最小設(shè)計(jì)流速為0.75m/s，明渠最小設(shè)計(jì)流速為0.4m/s。為了防止雨水管渠管壁被沖刷而損耗，對(duì)雨水管渠最大設(shè)計(jì)流速規(guī)定為：金屬管道最大設(shè)計(jì)流速10.0m/s；非金屬管道最大設(shè)計(jì)流速5.0m/s，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可適當(dāng)提高；明渠的最大設(shè)計(jì)流速，應(yīng)符合下列規(guī)定，見表3-1。

注：1.上表適用于明渠水深h=0.4～1.0m的情況。

2.如h在0.4～1.0m以外，表列數(shù)據(jù)應(yīng)乘以下系數(shù)：

h<0.4m　　　系數(shù)0.85；

1.0<h<2.0m　　系數(shù)1.25；

h≥2.0m　　系數(shù)1.40。

（3）最小管徑和最小設(shè)計(jì)坡度

雨水管道的最小管徑與相應(yīng)的最小設(shè)計(jì)坡度，按表3-2的規(guī)定取值。

（4）管頂最小覆土深度

管頂最小覆土深度，應(yīng)根據(jù)管材強(qiáng)度、外部荷載、土壤冰凍深度和土壤性質(zhì)等條件，結(jié)合當(dāng)?shù)芈窆芙?jīng)驗(yàn)確定。管頂最小覆土深度宜為：人行道下0.6m，車行道下0.7m。

3.2.3　雨水管渠水力計(jì)算方法

雨水管渠水力計(jì)算的目的，在于合理、經(jīng)濟(jì)地選擇管道斷面尺寸、坡度和埋深。由于這種計(jì)算是根據(jù)水力學(xué)規(guī)律的，所以稱作管道的水力計(jì)算。雨水管渠水力計(jì)算按均勻流考慮，用到的基本公式有謝才公式、連續(xù)性方程和曼寧公式等，可計(jì)算出流量，見式（3-34）。非恒定流計(jì)算條件下的雨水管渠水力計(jì)算應(yīng)根據(jù)具體數(shù)學(xué)模型確定。

　　（3-34）

式中　Q——流量，m3/s；

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R——水力半徑，m；

I——水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度）；

n——管壁粗糙系數(shù)，該值根據(jù)管渠材料而定，見表3-3。混凝土和鋼筋混凝土管道的管壁粗糙系數(shù)一般采用0.014。

與污水水力計(jì)算不同的是，雨水管渠水力計(jì)算按滿流計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，通常采用水力計(jì)算圖或水力計(jì)算表（見城鎮(zhèn)排水設(shè)計(jì)手冊(cè)等）。

在工程設(shè)計(jì)中，通常在選定管材之后，n即為已知數(shù)值。設(shè)計(jì)流量Q也是經(jīng)計(jì)算后求得的已知數(shù)。所以剩下的只有3個(gè)未知數(shù)D、v及I。

這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，就可以參照地面坡度i，假定管底坡度I，從水力計(jì)算圖或表中求得D及v值，并使求得的D、v、I各值符合水力計(jì)算基本數(shù)據(jù)的技術(shù)規(guī)定。

下面舉例說(shuō)明其運(yùn)用。

【例3.1】 已知：n=0.013，設(shè)計(jì)流量經(jīng)計(jì)算為Q=200L/s，該管段地面坡度為i=0.004，試計(jì)算該管段的管徑D、管底坡度I及流速v。

【解】 設(shè)計(jì)采用n=0.013的水力計(jì)算圖，見圖3-11。

先在橫坐標(biāo)軸上找到Q=200L/s值，作豎線；在縱坐標(biāo)軸上找到I=0.004值，作橫線。此兩線相交于A點(diǎn)，找出該點(diǎn)所在的v及D值。得到v=1.17m/s，符合水力計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的規(guī)定；D值則界于D=400～500mm兩斜線之間，顯然不符合管材統(tǒng)一規(guī)格的規(guī)定，因此管徑D必須進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)采用D=400mm時(shí)，將Q=200L/s的豎線與D=400mm的斜線相交于B點(diǎn)，從圖中得出交點(diǎn)處的I=0.0092及v=1.60m/s。此結(jié)果I與原地面坡度相差很大，勢(shì)必增大管道的埋深，不宜采用。

若采用D=500mm時(shí)，將Q=200L/s的豎線與D=500mm的斜線相交于C點(diǎn)，從圖中得出交點(diǎn)處的I=0.0028及v=1.02m/s。此結(jié)果既符合水力計(jì)算要求，又不會(huì)增大管道埋深，故決定采用。

3.2.4　雨水管渠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與計(jì)算實(shí)例

（1）推理公式法計(jì)算和設(shè)計(jì)雨水管渠系統(tǒng)

①設(shè)計(jì)流量的確定　在圖3-12中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為相毗鄰的四個(gè)街區(qū)。設(shè)匯水面積FⅠ=FⅡ=FⅢ=FⅣ，雨水從各塊面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)分別流入雨水口所需的集水時(shí)間均為τ（min）。1～2、2～3、3～4、4～5分別為設(shè)計(jì)管段，試確定各設(shè)計(jì)管段的雨水流量。

從圖3-12可知，四個(gè)街區(qū)的地形均為北高南低，道路是西高東低，雨水管道沿道路中心線敷設(shè)，道路斷面呈拱形，中間高，兩側(cè)低。降雨時(shí)，降落在地面上的雨水順著地形坡度流到道路兩側(cè)的邊溝中，道路邊溝的坡度和地形坡度相一致。雨水沿著道路的邊溝流到雨水口，經(jīng)檢查井流入雨水管道。Ⅰ街區(qū)的雨水（包括路面上雨水），在1號(hào)檢查井集中，流入管段1～2。Ⅱ街區(qū)的雨水在2號(hào)檢查井集中，并同Ⅰ街區(qū)管段1～2流來(lái)的雨水匯合后流入管段2～3。Ⅲ街區(qū)的雨水在3號(hào)檢查井集中，同Ⅰ街區(qū)和Ⅱ街區(qū)流來(lái)的雨水匯合流入管段3～4。其他以此類推。

已知管段1～2的匯水面積為FⅠ，檢查井1為管段1～2的集水點(diǎn)。由于匯水面積上各點(diǎn)離集水點(diǎn)1的距離不同，所以在同一時(shí)間內(nèi)降落到FⅠ面積上各點(diǎn)的雨水，不可能同時(shí)到達(dá)集水點(diǎn)1，同時(shí)到達(dá)集水點(diǎn)1的雨水則是不同時(shí)間降落到地面上的雨水。

集水點(diǎn)同時(shí)能匯集多大面積上的雨水量，和降雨歷時(shí)的長(zhǎng)短有關(guān)。如雨水從降雨面積最遠(yuǎn)點(diǎn)到集水點(diǎn)1所需的集水時(shí)間為20min，而這場(chǎng)降雨只下10min就停了，待匯水面積上的雨水流到集水點(diǎn)時(shí)，降落在集水點(diǎn)1附近面積上的雨水早已流過(guò)去了。也就是說(shuō)，同時(shí)到達(dá)集水點(diǎn)1的雨水只能來(lái)自FⅠ中的一部分面積，隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，就有愈來(lái)愈大面積上的雨水到達(dá)集水點(diǎn)1，當(dāng)恰好降雨歷時(shí)t=20（min）時(shí)，則第1min降落在最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水與第20min降落在積水點(diǎn)1附近的雨水同時(shí)到達(dá)，這時(shí)，集水點(diǎn)1處的徑流量達(dá)到最大。

通過(guò)上述分析可知，匯水面積隨著降雨歷時(shí)t的增長(zhǎng)而增加，當(dāng)降雨歷時(shí)等于集水時(shí)間時(shí)，匯水面積上的雨水全部流到集水點(diǎn)，則集水點(diǎn)產(chǎn)生最大雨水量。

為便于求得各設(shè)計(jì)管段相應(yīng)雨水設(shè)計(jì)流量，做幾點(diǎn)假設(shè)：①匯水面積隨降雨歷時(shí)的增加而均勻增加；②降雨歷時(shí)大于或等于匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流到設(shè)計(jì)斷面的集水時(shí)間t≥τ0；③地面坡度的變化是均勻的，徑流系數(shù)ψ為定值，且ψ=1.0。

a.管段1～2的雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算　管段1～2收集匯水面積FⅠ（hm2）上的雨水，設(shè)最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流到1斷面的時(shí)間為τ（min），只有當(dāng)降雨歷時(shí)t=τ時(shí)，FⅠ全部面積的雨水才能流到1斷面，此時(shí)管段1～2內(nèi)流量達(dá)到最大值。因此，管段1～2的設(shè)計(jì)流量為：

　　（3-35）

式中　q1——管段1～2的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，即相應(yīng)于降雨歷時(shí)t=τ時(shí)的暴雨強(qiáng)度。

b.管段2～3的雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算　當(dāng)t=τ時(shí)，全部FⅡ和部分FⅠ面積上的雨水流到2斷面，此時(shí)管段2～3的雨水流量不是最大。只有當(dāng)t=τ+t1-2時(shí)，FⅠ和FⅡ全部面積上的雨水均流到2斷面，此時(shí)管段2～3雨水流量達(dá)到最大值。設(shè)計(jì)管段2～3的雨水設(shè)計(jì)流量為：

　　（3-36）

式中　q2——管段2～3的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，是用（FⅠ+FⅡ）面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)雨水流行時(shí)間求得的降雨強(qiáng)度，即相應(yīng)于t=τ+t1-2的暴雨強(qiáng)度；

t1-2——管段1～2的管內(nèi)雨水流行時(shí)間，min。

同理可求得管段3～4及4～5的雨水設(shè)計(jì)流量分別為：

　　（3-37）

　　（3-38）

式中　q3、q4——分別為管段3～4、4～5的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，即相應(yīng)于t=τ+t1-2+t2-3和t=τ+t1-2+t2-3+t3-4的暴雨強(qiáng)度；

t2-3、t3-4——分別為管道2～3、3～4的管內(nèi)雨水流行時(shí)間，min。

由上可知，各設(shè)計(jì)管段的雨水設(shè)計(jì)流量等于該管段承擔(dān)的全部匯水面積和設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度的乘積。各設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度是相應(yīng)于該管段設(shè)計(jì)斷面的集水時(shí)間的暴雨強(qiáng)度，因?yàn)楦髟O(shè)計(jì)管段的集水時(shí)間不同，所以各管段的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度亦不同。在使用計(jì)算公式Q=ψqF時(shí)，應(yīng)注意到隨著排水管道計(jì)算斷面位置不同，管道的計(jì)算匯水面積也不同，從匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)到不同計(jì)算斷面處的集水時(shí)間（其中包括管道內(nèi)流行時(shí)間）也是不同的。因此，在計(jì)算平均暴雨強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)采用不同的降雨歷時(shí)ti。

根據(jù)上述分析，雨水管道的管段設(shè)計(jì)流量，是該管道上游節(jié)點(diǎn)斷面的最大流量。在雨水管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)各集水?dāng)嗝婀?jié)點(diǎn)上的集水時(shí)間ti正確計(jì)算各管段的設(shè)計(jì)流量。

②設(shè)計(jì)計(jì)算步驟　首先收集和整理設(shè)計(jì)地區(qū)的各種原始資料作為基本的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括地形圖、城市或工業(yè)區(qū)的總體規(guī)劃、水文、地質(zhì)、暴雨等資料。然后根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

a.劃分排水流域及管道定線　根據(jù)城市總體規(guī)劃圖或工廠總平面布置圖，按地形的實(shí)際分水線劃分成幾個(gè)排水流域。當(dāng)?shù)匦纹教梗瑹o(wú)明顯分水線時(shí)，排水流域的劃分可以按城市主要街道的匯水面積擬定。

設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合建筑物分布及雨水口分布，充分利用各排水流域內(nèi)的自然地形布置管道，使雨水以最短距離按重力流就近排入水體。在總平面圖上繪出各流域的干管和支管的具體平面位置。

b.劃分設(shè)計(jì)管段　根據(jù)管道的具體位置，在管道轉(zhuǎn)彎處、管徑或坡度改變處、有支管接入處或兩條以上管道交匯處，以及超過(guò)一定距離的直線管段上都應(yīng)設(shè)置檢查井。把兩個(gè)檢查井之間流量沒有變化且預(yù)計(jì)管徑和坡度也沒有變化的管段定為設(shè)計(jì)管段，并從管段上游往下游按順序進(jìn)行檢查井的編號(hào)。

c.劃分并計(jì)算各設(shè)計(jì)管段的匯水面積　各設(shè)計(jì)管段匯水面積的劃分應(yīng)結(jié)合地形坡度、匯水面積的大小以及雨水管道布置等情況而劃定。地形較平坦時(shí)，可按就近排入附近雨水管道的原則劃分匯水面積；地形坡度較大時(shí)，應(yīng)按地面雨水徑流的水流方向劃分匯水面積。并將每塊面積進(jìn)行編號(hào)，將其面積的數(shù)值注明在圖中。注意：匯水面積除街區(qū)外，還包括街道、綠地等。

d.確定各排水流域的平均徑流系數(shù)ψ　通常根據(jù)排水流域內(nèi)各類地面的面積數(shù)或所占比例，計(jì)算出該排水流域的平均徑流系數(shù)值。也可根據(jù)規(guī)劃的地區(qū)類別采用區(qū)域綜合徑流系數(shù)。

e.確定設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P、地面集水時(shí)間t1及管道起點(diǎn)的埋深　2.3節(jié)已經(jīng)敘述過(guò)確定雨水管道設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的有關(guān)原則。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合該地區(qū)的地形特點(diǎn)、匯水面積的地區(qū)建設(shè)性質(zhì)和氣象特點(diǎn)選擇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。各個(gè)排水流域雨水管道的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可選用同一值，也可選用不同的值。

根據(jù)該地建筑密度情況、地形坡度和地面覆蓋種類、街區(qū)內(nèi)設(shè)置雨水暗管與否等，確定雨水管道的地面集水時(shí)間。

管道起點(diǎn)埋深應(yīng)考慮當(dāng)?shù)乇鶅錾疃燃爸Ч艿慕尤霕?biāo)高等條件。

f.求單位面積徑流量q0　q0是暴雨強(qiáng)度q與徑流系數(shù)ψ的乘積，稱單位面積徑流量。即

　　（3-39）

顯然，對(duì)于具體的雨水管道工程來(lái)說(shuō)，式中P、t1、ψ、A1、b、c、n均為已知數(shù)，因此q0只是t2的函數(shù)。故只要求得各管段的管內(nèi)雨水流行時(shí)間t2，就可求出相應(yīng)于該管段的q0值。

g.列表進(jìn)行雨水干管及支管的水力計(jì)算，以求得各管段的設(shè)計(jì)流量。并確定各管段所需的管長(zhǎng)、坡度、流速、管底標(biāo)高及管道埋深等值。

h.繪制雨水管道平面圖及縱剖面圖。

③設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

【例3.2】 某市居住區(qū)部分雨水管道布置如圖3-13所示。地形西高東低，一條自西向東流的天然河流分布在城市的南面。

已知城市暴雨強(qiáng)度公式為：

　　（3-40）

該街區(qū)采用暗管排除雨水，管材采用圓形鋼筋混凝土管，管道起點(diǎn)埋深0.70m。河流常水位為81.00m，最高洪水位為83.50m。各類地面面積見表3-4，試進(jìn)行雨水管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

【解】 a.該地區(qū)的排水系統(tǒng)采用分流制。該地區(qū)地形較平坦，無(wú)顯著分水線，則可依據(jù)面積的大小劃分，使各相鄰流域的管道系統(tǒng)能合理分擔(dān)排水面積，使干管在最合理埋深的情況下，流域內(nèi)絕大部分雨水能以最短距離按重力流就近排入水體。該地區(qū)地形雖較平坦，但是地形上還是北部稍微偏高南部偏低，而且在該居住區(qū)的南部有條由西向東流的河流，該雨水出水口應(yīng)設(shè)在河岸邊，因此雨水干管的走向?yàn)閺奈飨驏|南。

b.根據(jù)地形及管道布置情況，劃分設(shè)計(jì)管段，將設(shè)計(jì)管段的檢查井依次編號(hào)，并量出每一設(shè)計(jì)管段的長(zhǎng)度，匯總到表3-5。確定各檢查井的地面標(biāo)高填入表3-6。

c.每一設(shè)計(jì)管段承擔(dān)的匯水面積可按就近排入雨水管道的原則劃分，然后將每塊匯水面積編號(hào)，計(jì)算數(shù)值，匯總到表3-7。

d.流量和水力計(jì)算。采用列表方法進(jìn)行雨水管道設(shè)計(jì)流量及水力計(jì)算，見表3-8。先從管段起端開始，然后依次向下游進(jìn)行。方法如下。

（a）表3-8中第1項(xiàng)為需要計(jì)算的設(shè)計(jì)管段，應(yīng)從上游向下游依次寫出管段編號(hào)。第2、3、13、14項(xiàng)，可分別從表3-5、表3-6、表3-7中取得。

（b）在計(jì)算中，假定管段中雨水流量均從管段的起點(diǎn)進(jìn)入，即將各管段的起點(diǎn)作為設(shè)計(jì)斷面。因此，各設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量按該管段的起點(diǎn)，即上游管段終點(diǎn)的實(shí)際降雨歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算，也就是說(shuō)，在計(jì)算各設(shè)計(jì)管段的暴雨強(qiáng)度時(shí)，采用的t2值是上游各管段的管內(nèi)雨水流行時(shí)間之和∑t2。例如，設(shè)計(jì)管段1～2是起始管段，故t2=0；設(shè)計(jì)管段3～4上游各管段內(nèi)雨水流行時(shí)間之和為，將此值列入表中第4項(xiàng)。

（c）求該居住區(qū)的平均徑流系數(shù)Ψav，根據(jù)表3-7中數(shù)值，按公式（2-18）計(jì)算

（d）求單位面積徑流量q0[L/（s·hm2）]

q0=Ψavq

因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)區(qū)域街面面積較小，采用地面集水時(shí)間t1=5min，匯水面積設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=2a。將確定的設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式中，則

由于q0為設(shè)計(jì)管段上游管段雨水流行時(shí)間之和的函數(shù)，因此只要知道各設(shè)計(jì)管段內(nèi)雨水流行時(shí)間t2，即可求出該設(shè)計(jì)管段的單位面積徑流量q0。例如，管段1～2的∑t2=0，代入上式計(jì)算出q0，并將計(jì)算結(jié)果代入表3-8中第6項(xiàng)。

（e）用各設(shè)計(jì)管段的單位面積徑流量乘以該管段的總匯水面積得該管段的設(shè)計(jì)流量。例如，管段1～2的設(shè)計(jì)流量為Q=q0F1～2=170.44×0.450L/s=76.70L/s，依次將計(jì)算值列入表3-8中第7項(xiàng)。

（f）根據(jù)求得的各設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量，參考地面坡度，查給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)滿流水力計(jì)算表或水力計(jì)算圖，確定管段的設(shè)計(jì)管徑、坡度和流速。在查水力計(jì)算表或水力計(jì)算圖時(shí)，Q、v、I和D這四個(gè)水力因素可以相互適當(dāng)調(diào)整，使計(jì)算結(jié)果既符合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的規(guī)定，又經(jīng)濟(jì)合理。也可以通過(guò)調(diào)整D和I，依據(jù)公式（3-34）計(jì)算Q和v，再看v是否符合規(guī)定要求，Q'是否≥Q來(lái)決定是否需要調(diào)整D和I。

由于該街區(qū)地面坡度較小，為不使管道埋深過(guò)大，管道坡度宜取小值，但所取的最小坡度應(yīng)能使管內(nèi)水流速度不小于設(shè)計(jì)流速。例如，管段1～2的流量為76.80L/s，查水力計(jì)算圖，在滿足最小設(shè)計(jì)流速0.75 m/s的前提下，盡量選擇較小的坡度，最后確定該管道的管徑D取400mm、流速v取0.75 m/s、坡度I取0.0021。將其列入表3-8中第8、9、10項(xiàng)中。表3-8中第11項(xiàng)是管道的輸水能力Q'，它是指經(jīng)過(guò)調(diào)整后的流量值，也就是指在給定的D、I和v的條件下，雨水管道的實(shí)際輸水能力，要求Q'>Q，管段1～2的輸水能力為95L/s。

（g）根據(jù)設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流速求該管段的管內(nèi)雨水流行時(shí)間t2。例如管段1～2的管內(nèi)雨水流行時(shí)間，將其計(jì)算值列入表3-8中第5項(xiàng)。

（h）求降落量。由設(shè)計(jì)管段的長(zhǎng)度及坡度，求出設(shè)計(jì)管段上下端的設(shè)計(jì)高差（降落量）。例如管段1～2的降落量IL=0.0021×150m=0.315m，將此值列入表3-8中第12項(xiàng)。

（i）確定管道埋深及銜接。在滿足最小覆土厚度的條件下，考慮冰凍情況、承受荷載及管道銜接，并考慮與其他地下管線交叉的可能，確定管道起點(diǎn)的埋深或標(biāo)高。本例起點(diǎn)埋深為0.70m，將此值列入表3-8中第17項(xiàng)。各設(shè)計(jì)管段的銜接采用管頂平接。

（j）求各設(shè)計(jì)管段上、下端的管內(nèi)底標(biāo)高。用1點(diǎn)地面標(biāo)高減去該點(diǎn)管道的埋深，得到該點(diǎn)的管內(nèi)底標(biāo)高，即（86.700-0.70）m=86.00m，列入表3-8中第15項(xiàng)，再用該值減去該管段的坡降，即得到節(jié)點(diǎn)2的管內(nèi)底標(biāo)高，即（86.000-0.315）m=85.685m，列入表3-8中第16項(xiàng)。

用節(jié)點(diǎn)2處的地面標(biāo)高減去該點(diǎn)的管內(nèi)底標(biāo)高，得到節(jié)點(diǎn)2處的管道埋深，即（86.630-85.685）m=0.945m，將此值列入表3-8中第18項(xiàng)。

由于管段1～2與管段2～3的管徑不同，采用管頂平接。即管段1～2的末端與管段2～3的起端的管頂標(biāo)高應(yīng)相同。計(jì)算得管段2～3的起端管內(nèi)底標(biāo)高應(yīng)為（85.685+0.400-0.600）m=85.485m，按前面的方法再求得節(jié)點(diǎn)3的管內(nèi)底標(biāo)高。其余各管段的計(jì)算方法與此相同，直到完成表3-8中所有項(xiàng)目，則水力計(jì)算結(jié)束。

（k）根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，管道系統(tǒng)終點(diǎn)管內(nèi)底標(biāo)高為83.873m，在最高洪水位以上，可以保證城市在暴雨期間排水的可靠性。

（l）水力計(jì)算后，要進(jìn)行校核，使設(shè)計(jì)管段的流速、標(biāo)高及埋深符合設(shè)計(jì)規(guī)定。雨水管道在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：ⅰ.在劃分匯水面積時(shí)，應(yīng)盡可能使各設(shè)計(jì)管段的匯水面積均勻增加，否則會(huì)出現(xiàn)下游管段的設(shè)計(jì)流量小于上游管段的設(shè)計(jì)流量，這是因?yàn)橄掠喂芏蔚募畷r(shí)間大于上游管段的集水時(shí)間，故下游管段的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度小于上游管段的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，總匯水面積只是很少增加。若出現(xiàn)這種情況，應(yīng)取上游管段的設(shè)計(jì)流量作為下游管段的設(shè)計(jì)流量。ⅱ.水力計(jì)算自上游管段依次向下游進(jìn)行，一般情況下，隨著流量的增加，設(shè)計(jì)流速也相應(yīng)增加，如果流量不變，流速不應(yīng)減小。ⅲ.雨水管道各設(shè)計(jì)管段的銜接方式一般采用管頂平接。ⅳ.本例只進(jìn)行了雨水干管水力計(jì)算，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，支管也是需要進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果見表3-9。在支管和干管相接的檢查井處，會(huì)出現(xiàn)該斷面處有兩個(gè)不同的集水時(shí)間∑t2和管內(nèi)底標(biāo)高值的情況，在繼續(xù)計(jì)算下一個(gè)管段時(shí)，應(yīng)采用其中較大的集水時(shí)間值和較小的管內(nèi)底標(biāo)高。

（m）繪制雨水管道縱剖面圖。如圖3-14所示為該居住區(qū)雨水干管縱剖面圖。

（2）數(shù)學(xué)模型法（SWMM）計(jì)算與設(shè)計(jì)雨水管渠系統(tǒng)

我國(guó)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2006）規(guī)定：當(dāng)匯水面積超過(guò)2km2時(shí)，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過(guò)程，宜采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量。

【例3.3】 請(qǐng)利用SWMM模型模擬例3.2采用推理公式法設(shè)計(jì)與計(jì)算出的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，試校核該居住區(qū)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)是否合理。

①資料匯總　將例3.2的該居住區(qū)雨水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行匯總（檢查井的井底標(biāo)高比其內(nèi)最低管道管內(nèi)底標(biāo)高低300mm），匯總結(jié)果見表3-10～表3-12。

②新建項(xiàng)目　啟動(dòng)SWMM，從文件菜單里選擇新建命令，創(chuàng)建新的工程。

③設(shè)置缺省值　從工程菜單里選擇缺省命令，啟動(dòng)工程缺省對(duì)話框，如圖3-15所示。利用這些缺省，可以簡(jiǎn)化后續(xù)的數(shù)據(jù)輸入任務(wù)。首先就是ID標(biāo)簽，對(duì)各個(gè)對(duì)象設(shè)置其相對(duì)應(yīng)的ID，雨量計(jì)的ID為YLJ，子匯水面積的ID為ZMJ，鉸點(diǎn)的ID為J，管渠的ID為GQ，排水口的ID為PFK，并且設(shè)置ID增量為1。

在模擬地表產(chǎn)流過(guò)程中，本研究選取Horton下滲模型，該模型所需主要參數(shù)有最大滲入速率、最小滲入速率和衰減常數(shù)等，它們的值取默認(rèn)值，如圖3-16所示。

如前面3.1.2節(jié)介紹的SWMM原理部分，SWMM模擬地表匯流過(guò)程采用非線性水庫(kù)法。在模擬地表匯流過(guò)程之前，首先，要將子匯水面積分為滲透面積、有洼蓄能力的不滲透面積、無(wú)洼蓄能力的不滲透面積三部分。不滲透面積、無(wú)洼蓄能力的不滲透面積、滲透面積洼地蓄水量和不滲透面積洼地蓄水量都是需要確定的參數(shù)。由于該研究區(qū)域是居民區(qū)，不透水面積較大，其中不透水面積中大部分是屋面，屋面是有一定的蓄水能力的，因此本研究中不滲透面積所占子匯水面積的比例取60%，無(wú)洼蓄不滲透面積占子匯水面積的比例取為15%。滲透面積和不滲透面積的洼地蓄水均與地表情況有關(guān)，根據(jù)前面3.1.1節(jié)中的初損部分的介紹，在此不滲透面積和滲透面積的洼地蓄水深度分別取為1mm和5mm。其次，該模擬過(guò)程還需要設(shè)定其他的參數(shù)，如地表面積、特征寬度、地表平均坡度、滲透面積和不滲透面積的粗糙系數(shù)n值等。其中子匯水面積特征寬度及地表面積在子匯水面積屬性設(shè)置中進(jìn)行相應(yīng)的輸入。地表平均坡度取0.05（居住區(qū)地勢(shì)平緩），滲透面積的曼寧粗糙系數(shù)n值取0.1，不滲透面積的曼寧粗糙系數(shù)n值取0.01。具體數(shù)值見圖3-17。

在管網(wǎng)匯流模擬過(guò)程中，選擇動(dòng)態(tài)波進(jìn)行該過(guò)程模擬，這樣使得模擬更加接近事實(shí)，而且也可以處理多種復(fù)雜的水流情況。在該模擬過(guò)程中除了需要確定演算方法，還需要確定管渠的長(zhǎng)度、形狀、管徑、粗糙系數(shù)、流量單位、管段偏移等。對(duì)于管渠的長(zhǎng)度、形狀和管徑，每個(gè)管段具體情況不一樣，會(huì)在每個(gè)管渠的屬性設(shè)置中進(jìn)行相應(yīng)的確定。管渠粗糙系數(shù)取默認(rèn)值0.01，流量單位設(shè)置成LPS（L/s），管段偏移設(shè)置成標(biāo)高偏移。具體設(shè)置值見圖3-18。

④加載背景圖　將例3.2中的居住區(qū)雨水管道系統(tǒng)平面的CAD圖以輸出的方式保存為圖元文件（.wmf）格式的圖。然后從視圖菜單里選擇背景命令下的調(diào)用命令，啟動(dòng)背景圖像選擇器對(duì)話框，選擇該圖作為研究背景圖。如圖3-19所示。

⑤繪制圖元　在背景圖中進(jìn)行管渠、節(jié)點(diǎn)、子匯水面積等圖元的勾描。繪制結(jié)果見圖3-20。

⑥降雨數(shù)據(jù)　 SWMM動(dòng)態(tài)模擬中降雨量的輸入可以使用實(shí)測(cè)的降雨量，也可以根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算得到降雨量。本研究在確定降雨強(qiáng)度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化時(shí)，采用芝加哥降雨合成線法模擬降雨過(guò)程。

已知該居住區(qū)所在城市的暴雨強(qiáng)度公式為：

　　（3-40）

式中　q——平均暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；

P——設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；

t——暴雨歷時(shí)，min。

該居住區(qū)的重現(xiàn)期取2a，降雨歷時(shí)為2h，即120min，雨峰系數(shù)r取0.4，從而繪制出降雨過(guò)程線，如圖3-21所示。

為雨量計(jì)YLJ1輸入降雨數(shù)據(jù)，如圖3-22所示。

⑦編輯圖元屬性

根據(jù)表3-12設(shè)置子匯水面積屬性：面積、地表滿流的特征寬度和出水口。除了這些屬性外，還需要對(duì)每個(gè)子匯水面積使用的雨量計(jì)進(jìn)行設(shè)置，在本研究中所有的子匯水面積使用相同的雨量計(jì)YLJ1。具體屬性設(shè)置如圖3-23所示。

根據(jù)表3-10設(shè)置鉸點(diǎn)屬性：內(nèi)底標(biāo)高和最大深度。具體屬性設(shè)置如圖3-23所示。

根據(jù)表3-11設(shè)置管渠屬性：管長(zhǎng)、斷面形狀、管徑、進(jìn)水端渠道內(nèi)底標(biāo)高（進(jìn)水偏移）和出水端渠道內(nèi)底標(biāo)高（出水偏移）。具體屬性設(shè)置如圖3-23所示。

⑧執(zhí)行模擬　當(dāng)各圖元的屬性設(shè)置完成以后，調(diào)出模擬選項(xiàng)對(duì)話框進(jìn)行一些選項(xiàng)的設(shè)置，在對(duì)話框的日期頁(yè)設(shè)置分析結(jié)束時(shí)間為3∶00∶00，在時(shí)間步長(zhǎng)頁(yè)設(shè)置演算時(shí)間步長(zhǎng)為30s。然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕就可以執(zhí)行模擬，運(yùn)行結(jié)果見圖3-24。運(yùn)行狀態(tài)圖顯示運(yùn)行成功，模擬結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。

⑨查看模擬結(jié)果　模擬完畢后可以通過(guò)多種形式展示其結(jié)果，如模擬狀態(tài)報(bào)告、各種地圖、圖表、表格以及統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等。由于篇幅有限，本例子只列舉了三種結(jié)果展示形式。

a.狀態(tài)報(bào)告

從狀態(tài)報(bào)告中連續(xù)性誤差部分可以看出：降落到該區(qū)域的雨水為38.383mm，0.867mm滲入地下，剩余成為徑流（見圖3-25）；

從節(jié)點(diǎn)超載洪流總結(jié)圖中可以看出沒有節(jié)點(diǎn)發(fā)生超載（當(dāng)水位超過(guò)最高渠道頂部時(shí)，發(fā)生超載）和洪流（洪流是指節(jié)點(diǎn)溢流的所有水量，無(wú)論積水與否）（見圖3-26）；

從管渠超載總結(jié)圖中，可以看出管渠GQ3、GQ4和GQ5出現(xiàn)超載，但是從圖3-27可以看出持續(xù)時(shí)間均不長(zhǎng)，不會(huì)引起節(jié)點(diǎn)超載和節(jié)點(diǎn)洪流。

b.時(shí)距圖　圖3-28為GQ1、GQ2、GQ3、GQ4和GQ5這五條管段中的流量隨時(shí)間的變化情況。從圖3-28的降雨過(guò)程線可以看出該居住區(qū)在50min左右發(fā)生最大降雨，隨后在短暫的延遲之后五條管道在1h左右的時(shí)候均出現(xiàn)流量最大值，接著隨著降雨量的減小，管道流量也相應(yīng)減小。

c.剖面圖　圖3-29為節(jié)點(diǎn)J1-PFK1的GQ1、GQ2、GQ3、GQ4和GQ5五條管道在01∶00∶00時(shí)刻的水位剖面圖。由上述分析知五條管道均在1h左右的時(shí)候出現(xiàn)流量最大值，相對(duì)應(yīng)此時(shí)管道的水位達(dá)到最高，隨后管道的水位隨著流量的減小而降低。

從上述模擬結(jié)果可以看出該居住區(qū)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的。