恒定非均勻流條件下雨水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及城市內(nèi)澇防治技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及恒定非均勻流條件下雨水設(shè)計(jì)流量 的計(jì)算方法。
[0002] 發(fā)明背景 近年來，隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的現(xiàn)象，輕則 交通堵塞，重則威脅市民財(cái)產(chǎn)、甚至生命的安全。究其原因，除了有城市排澇硬件設(shè)施不適 應(yīng)形勢發(fā)展需要的因素外，產(chǎn)、匯流理論不適應(yīng)形勢發(fā)展需要也是一個(gè)重要因素。例如，采 用恒定均勻流條件計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的方法，就不適用有下游水位頂托的情況。
[0003] 根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2014年版）介紹，采用推理公式法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量 的公式為Qs=qΦF，式中：〇3為雨水設(shè)計(jì)流量，單位L/s;Φ為徑流系數(shù)；F為集雨面積，單位 ha;q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，單位L/ (s.ha);它的計(jì)算式為q=A/(t+b)m，式中：A為公式的系數(shù)；b 為公式的常數(shù);m為公式的指數(shù)；t為降雨歷時(shí)，即匯流歷時(shí)，單位min;它的計(jì)算式為t= t2，式中山為地面集水時(shí)間，應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類通過計(jì)算確定，一般采 用5min~15min;t2為排水管渠內(nèi)雨水質(zhì)點(diǎn)流行的時(shí)間，單位min;它的計(jì)算式為12=dL/V, 式中：dL為管段長度，單位m;v為恒定流條件下的流速，單位m/s，按流量公式寫成的流速 公式為V^Q/W，式中：Q為流量，單位m3/s;W為過水?dāng)嗝娣e，單位m2;恒定流條件下的流速公 式為V2= (1/n)R2/3 (dz/dL)1/2,式中：η為糙率系數(shù)；R為水力半徑，單位m;dz/dL為水力坡度 i，也稱為總水頭線坡度；dz為上、下游端的總水頭差，也可寫為dz=Z± -Ζτ，單位m;式中：Z i：為上游端總水頭，單位m27為下游端總水頭，單位m。
[0004] 由于管段的上、下游端的總水頭差dz為未知數(shù)，不能直接按恒定流條件的流速公 式計(jì)算出V2，因此，現(xiàn)行用推理公式計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的方法，選擇了水力坡度i等于管底 坡度j的恒定均勻流條件，以利按恒定流條件的流速公式直接求出V2，在已知管底坡度j、 管段長度dL，即已知上、下游端的總水頭差dz的條件下，通過選擇不同的管徑D，按流量公 式就可以計(jì)算出相應(yīng)的流速I，當(dāng)l、V2基本相等時(shí)，就可以確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs和管徑D。 由于恒定均勻流為恒定非均勻流的一種特殊情況，排水管渠在暴雨期間很難產(chǎn)生恒定均勻 流的條件，而產(chǎn)生恒定非均勻流的條件則很普遍，因此，當(dāng)排水管渠為恒定非均勻流條件 時(shí)，仍采用恒定均勻流條件計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量和管段上游端總水頭，必然產(chǎn)生較大的計(jì)算 偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是根據(jù)水力學(xué)原理，為解決上述計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量和排水管上游端 水位存在的問題，提供符合實(shí)際的、精度高的計(jì)算方法。
[0006] 本發(fā)明方法是采用恒定非均勻流條件計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量，設(shè)定排水管集雨面積F、 管段長度dL、糙率系數(shù)n、綜合徑流系數(shù)Φ、設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q的參數(shù)A和b及m、地面集水 時(shí)間h、管底坡度j、管段下游端總水頭Ζτ、上游端允許的最高總水頭、允許的最小流 速、初步擬定的排水管直徑D、過水?dāng)嗝娣eW、水力半徑R均為已知值，該方法根據(jù)按恒定流 條件下流速公式計(jì)算的v2等于按流量公式計(jì)算的Vi來確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs、2±和排水管 直徑D，該方法包括以下步驟： (1) 假定流速^初值； (2) 排水管雨水質(zhì)點(diǎn)流行時(shí)間t2根據(jù)12=dL/V求出，匯流歷時(shí)tzti+t；；，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng) 度q=A/(t+b)m，雨水設(shè)計(jì)流量Qs=qi^F，根據(jù)恒定流條件下流速公式計(jì)算出流速V2=(l/n) R2/3(dz/dL)1/2,可得出dz，根據(jù)(1ζ=Ζ± _27可計(jì)算出Ζ±，根據(jù)恒定流條件下流量公式可計(jì)算 出流速νΜΛ; (3) 若Vi、V2值基本相等，管段上游端水位Z±，則確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs、叾±和 排水管直徑D，計(jì)算結(jié)束；若Vp^相差超過允許的誤差值，或者Z±高于，則需要重新 假定V2值或修正排水管直徑D后繼續(xù)計(jì)算，進(jìn)行步驟（4); (4) 將V2值替換為Vi值進(jìn)行迭代計(jì)算，重復(fù)所述步驟（2)和步驟（3)，直至V郴V2值 基本相等，且Z±彡，從而確定Qs、Z±和排水管直徑D，計(jì)算結(jié)束。
[0007] 有益效果：本發(fā)明的方法：⑴有著嚴(yán)謹(jǐn)正確的水力學(xué)理論依據(jù)，概念清晰；⑵可大 幅度地提高推理公式法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的適用性能；⑶該方法的推廣應(yīng)用，有利于精準(zhǔn) 防治城市內(nèi)澇，可產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 下面以具體實(shí)施例對本發(fā)明方法作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不局限于以下實(shí)施例。
[0009] 設(shè)計(jì)某區(qū)域排水管的已知條件：該排水管上游端入口的集雨面積F=22. 88ha， 管段長dL=300m，鋼筋混凝土排水管的糙率系數(shù)n=0. 014,集雨區(qū)域的綜合徑流系數(shù) Φ=0. 709,設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q的系數(shù)A=1327. 817、常數(shù)b=3. 105、指數(shù)m=0. 295,設(shè)計(jì)管底坡度 j根據(jù)管徑D按規(guī)范允許的最小值選用，排水管過水?dāng)嗝娣eW=0. 7854D2、水力半徑R=0. 25D， 管段下游端設(shè)計(jì)水位ZT =3. 40m，上游端允許的最高水位= 3. 45m，地面集水時(shí)間為 5min。需要確定雨水設(shè)計(jì)流量見和不計(jì)入管段出、入口局部水頭損失的上游端水位Z±，并 確定排水管直徑D。
[0010] 為反映本發(fā)明的算法，分別取管徑D為4m、3m、2m、1. 5m和lm共5種情況進(jìn)行試算， 根據(jù)迭代計(jì)算成果，可選用管直徑D=4m，相應(yīng)雨水設(shè)計(jì)流量Qs=9. 781m3/s，排水管上游端水 位Z± =3. 40m+0. 036m=3. 436m，低于Z上允許;而且設(shè)計(jì)流速V=0. 778m/s，也滿足大于規(guī)定的 最小流速〇. 75m/s的要求。測試結(jié)果如表一。
[0011] 如果按照現(xiàn)行用推理公式計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的方法，根據(jù)已知的設(shè)計(jì)管底坡度j， 則計(jì)算排水管上游端水位Z±=3. 40m+0. 5%。X300m=3. 55m，將高于上游端允許的最高水位Z，需要增加措施解決內(nèi)澇問題。
[0012] 表一：用恒定非均勻流條件計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的測試結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1.恒定非均勻流條件下雨水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法，設(shè)定排水管集雨面積F、管段長度dL、糙率系數(shù)n、綜合徑流系數(shù)Φ、設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q的參數(shù)A和b及m、地面集水時(shí)間h、管 底坡度j、管段下游端總水頭Ζτ、上游端允許的最高總水頭、允許的最小流速、初步擬 定的排水管直徑D、過水?dāng)嗝娣eW、水力半徑R均為已知值， 其特征在于：該方法根據(jù)恒定流條件下流速公式計(jì)算的^等于按流量公式計(jì)算的V1來 確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs、Z±和排水管直徑D，該方法包括以下步驟： (1) 假定流速^初值； (2) 排水管雨水質(zhì)點(diǎn)流行時(shí)間t2根據(jù)12=dL/V求出，匯流歷時(shí)tzti+t；；，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng) 度q=A/(t+b)m，雨水設(shè)計(jì)流量Qs=qi^F，根據(jù)恒定流條件的流速公式計(jì)算出流速V2=(l/n) R2/3 (dz/dL)1/2,可得出dz，根據(jù)(1ζ=Ζ± _ΖΤ可計(jì)算出Ζ±，根據(jù)恒定流條件的流量公式可計(jì)算 出流速νΜΛ; (3) 若Vi、V2值基本相等，管段上游端水位Z±，則確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs、叾±和 排水管直徑D，計(jì)算結(jié)束；若Vp^相差超過允許的誤差值，或者Z±高于，則需要重新 假定V2值或修正排水管直徑D后繼續(xù)計(jì)算，進(jìn)行步驟（4); (4) 將V2值替換為Vi值進(jìn)行迭代計(jì)算，重復(fù)所述步驟（2)和步驟（3)，直至V郴V2值 基本相等，且Z±彡，從而確定Qs、Z±和排水管直徑D，計(jì)算結(jié)束。
【專利摘要】本發(fā)明涉及城市內(nèi)澇防治技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及恒定非均勻流條件下用推理公式計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量的方法。根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件如排水管集雨面積F、管段長度dL、糙率系數(shù)n、綜合徑流系數(shù)ψ、設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q的有關(guān)參數(shù)、地面集水時(shí)間t1、管底坡度j、管段下游端總水頭Z下、上游端允許的最高總水頭Z上允許和初步擬定的排水管直徑D等，通過迭代流速V的方法，可快速地確定雨水設(shè)計(jì)流量Qs、管段上游端總水頭Z上和排水管直徑D。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105404760
【申請?zhí)枴緾N201511002602
【發(fā)明人】杜佐道, 杜曲, 皮凌華
【申請人】杜曲
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月29日