祝奇超

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司　廣東　深圳　518000）

雨水管道的計(jì)算與校核方法

祝奇超

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司廣東深圳518000）

本文對雨水管道的設(shè)計(jì)和校核進(jìn)行了討論，提出了在校核雨水積水深度時必須考慮局部阻力損失的觀點(diǎn)，并給出了雨水管線局部水頭損失的算法。

暴雨強(qiáng)度；水頭損失；積水

引言

近年隨著環(huán)境的變化，世界各地暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢，北京、成都、武漢等城市由于發(fā)生特大暴雨造成嚴(yán)重內(nèi)澇，造成了較大的損失。電站工程占地面積大，投資大，設(shè)備貴重，如果發(fā)生內(nèi)澇，造成的損失將遠(yuǎn)大于城市內(nèi)澇。因此，必須對電站的雨水管道進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算和校核，保證在校核暴雨強(qiáng)度下不發(fā)生廠區(qū)積水。雨水管道設(shè)計(jì)的水力計(jì)算公式較為成熟，筆者主要對廠區(qū)積水深度的校核方法進(jìn)行了討論。

本文以某南方濱海電站為例，對其雨水管道設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。該電站位于南方某市，靠山面海。靠山一側(cè)設(shè)計(jì)有排洪溝，按最大可能降雨（PMP）滿流設(shè)計(jì)。廠區(qū)雨水靠山一側(cè)排往上述排洪溝，約占總面積1/3；面海一側(cè)排往大海，約占總面積2/3。

設(shè)計(jì)選用的參數(shù)和計(jì)算公式如下：

（1）廠坪標(biāo)高：+8.50m（絕對標(biāo)高，珠基高程）。

（2）設(shè)計(jì)工況：千年一遇降雨。

（3）校核工況：千年一遇降雨+外海設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位（6.87m，10％超越概率天文潮高潮位+可能最大風(fēng)暴潮增水+海平面異常變化），校核工況下廠區(qū)積水深度不能超過0.2m。

式中：q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/（s·hm2）]；

t——降雨歷時（min）（0

t1——地面積水時間，本工程取10min；

t2——管內(nèi)流行時間（min），根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算；

m——折減系數(shù)，本工程取1。

（5）徑流系數(shù)Ψ：

道路，屋面：0.9；

碎石地帶：0.4。

（6）流速公式：

式中：v——管道流速，m/s；

R——水力半徑（m）；

I——水力坡降；

n——粗糙系數(shù)，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——管道的斷面面積，本工程按滿流設(shè)計(jì)；

v——管道流速，m/s。

采用《排水工程》（第四版，中國建筑工業(yè)出版社）中的“極限強(qiáng)度”理論進(jìn)行雨水管道的計(jì)算。該理論認(rèn)為：“當(dāng)匯水面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流到集流點(diǎn)時，全面積產(chǎn)生匯流，雨水管道的設(shè)計(jì)流量最大；當(dāng)降雨歷時等于匯水面積上最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流達(dá)集流點(diǎn)時間時，雨水管道需要排出的雨水量最大?！?/p>

圖1　總平面示意圖

圖1為該電站總平面和管道布置示意圖，根據(jù)上述的極限強(qiáng)度理論，可知：

式中：q1——管段a1～a2的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，此時的降雨歷時為A1最遠(yuǎn)端自雨水井a(chǎn)1的匯流時間t1；

q2——管段a2～a3的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，此時的降雨歷時t=t1+t2；

t2——管段a1～a2的管內(nèi)雨水流行時間（min）。

以下選取一條雨水管道作為算例進(jìn)行說明，管段a1～a3計(jì)算如表1。

分別對表1各列數(shù)據(jù)說明如下：

第一列：管段名稱；

第二、三列：管段編號；

第四列：計(jì)算管段匯流面積的長度；

表1　a1～a3管段計(jì)算結(jié)論

第五列：計(jì)算管道的實(shí)際長度，即兩個檢查井之間的管道實(shí)際長度；

第六列：計(jì)算管段匯流面積的寬度；

第七列：計(jì)算管段的面積，等于第四列和第六列之乘積，注意單位是hm2；

第八列：計(jì)算管段的綜合徑流系數(shù)，綜合徑流系數(shù)根據(jù)該計(jì)算管段的實(shí)際情況加權(quán)平均求的；

第九列：等于第七列和第八列之乘積；

第十列：為本段匯流面積加上上段管道的轉(zhuǎn)輸面積；

第十一列：匯流時間。起始段為10min，后續(xù)管段的匯流時間等于上段管道的匯流時間加上上段管道的管內(nèi)流行時間；

第十二列：管內(nèi)流行時間，等于第五列管道長度除以第十七列流速；

第十四列：計(jì)算管段的流量。等于第十列和第十三列之和；

第十五列：計(jì)算管段的管徑，由手動輸入；

第十六列：計(jì)算管段的坡度，由手動輸入；

第十八列：設(shè)計(jì)管道的設(shè)計(jì)流量。采用公式Q2=A2×v（L/s）進(jìn)行計(jì)算，其中A2由第十五列的管徑算得；V引用第十七列；第十五列和第十六列手動輸入的管徑和坡度必須保證本列的流量大于第十四列的流量。即管道的設(shè)計(jì)流量應(yīng)大于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期該管段可能通過的最大流量。

第十九列：坡降。等級第五列和第十六列的乘積，表示管道或井底標(biāo)高的變化；

利用EXCEL工具完成上述計(jì)算后，再將第二十一列數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，即可算的該條管線的總水頭損失。本算例的總水頭損失為0.246m，實(shí)際管道長度為100m，則考慮局部水頭損失后的水力坡度為0.00246。該數(shù)據(jù)與第二十二列未考慮局部水頭損失的水力坡降0.002進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，考慮局部水頭損失后的水力坡降較大，這也是符合客觀實(shí)際情況的。

最后，我們對積水深度進(jìn)行校核。上述算例管道排入排洪溝，排洪溝在外海發(fā)生DBF水位，并疊加千年一遇降雨時的接入點(diǎn)水面線標(biāo)高約為8.10m（絕對標(biāo)高），該管路水頭損失為0.246m，因此可推求計(jì)算管路起始檢查井的水面標(biāo)高8.346m（8.10+ 0.246），低于廠坪標(biāo)高，不發(fā)生積水。同理，若計(jì)算管路排往外海，則直接用外海DBF水位加上水頭損失，則可求得積水深度。

小結(jié)

在雨水管道的設(shè)計(jì)中，為防止地面積水，除選取合適的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、管徑、坡度外，更為重要的是選取管道的路徑，應(yīng)使得管道盡可能短，順直，并采用合適的計(jì)算方法進(jìn)行校核。筆者在實(shí)際工程中，利用上述計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)某些管路水頭損失過大，造成上游積水，不滿足設(shè)計(jì)要求。主要原因是管道路線過長，一般考慮局部水頭損失后，管系實(shí)際水力坡度將達(dá)到0.0035左右（管道設(shè)計(jì)坡度為0.002～0.003時）。重新規(guī)劃管路，縮短管道長度后積水問題得到解決。這個時候如果放大管徑，效果并不理想，因?yàn)榉糯蠊軓綄ρ爻虛p失減小的貢獻(xiàn)較大，而對局部水頭損失的貢獻(xiàn)較小，并且會引起投資的大幅增加。筆者認(rèn)為在城鎮(zhèn)的雨水管道設(shè)計(jì)中仍然需要遵循上述原則，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作是使得主管線盡可能的短，對解決城鎮(zhèn)內(nèi)澇有事半功倍的效果。

[1]孫慧修，等.排水工程.中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]李煒，等.水力計(jì)算手冊.中國水利水電出版社，2006.

TQ050.2

A

1673-0038（2015）29-0003-02

2015-7-3

祝奇超（1983-），男，工程師，本科，主要從事核電站水工工藝和消防設(shè)計(jì)工作。