某港區雨水管道淹沒出流計算方法探討

和　蕊，孫俊偉，張　明（安徽工程大學建筑工程學院，安徽蕪湖，241000）

某港區雨水管道淹沒出流計算方法探討

和蕊，孫俊偉，張明
（安徽工程大學建筑工程學院，安徽蕪湖，241000）

摘要：依據水力學基本理論，介紹了雨水管道系統淹沒出流狀態下水位雍高值的計算公式，結合某港區雨水管道設計方案，提出在淹沒出流狀態下，應采取加大雨水管管徑的措施，以達到減少水位雍高對雨水排放的不利影響［1］。

關鍵詞：淹沒出流；自由出流；水位雍高值

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.021

前言

雨水管道系統的設計，應保證雨水順利排放，防止雨水倒灌，盡量采取自由出流方式排放雨水，但在實際工程中，存在諸多地面標高較低、水體水位較高的情況，為了確保管道內設計流速、坡度達到規范要求，雨水管道出水口通常會設置在水體設計高水位之下，即采取淹沒出流方式排放雨水。淹沒出流狀態下，水體水位對雨水管道系統的出水能力造成較大影響，受水體頂托作用，雨水管道的過流能力減小，并且在管道上游會產生水位雍高現象，如果水位雍高值過大，陸域可能會發生雨水倒灌，因此雨水管道系統在淹沒出流情況下，水位雍高值的計算就顯得尤為重要。

本文結合長江下游某港口工程，依據水力學基本理論，對雨水管道淹沒出流進行分析。

1工程概況

某港口工程位于長江中下游，占用長江岸線約444m，陸域縱深約570m，總面積約0.2km2。港區陸域高程5.3m，雨季平均高水位4.2m，年均降雨量約為1027mm。

2水位雍高值計算方法

在淹沒出流狀態下，取雨水管道末端檢查井與出水口為研究對象，如圖1所示。對于1-1斷面和2-2斷面，根據恒定總流能量方程可知：

圖1　淹沒出流狀態下雍高計算簡圖

壓強水頭值和流速水頭值相對較小，此處忽略不計。

hw為沿程水頭損失hf與局部水頭損失hj之和，局部水頭損失hj在總的水頭損失中所占比例較小，可以忽略不計。

z1-z2=h。其中h表示末端檢查井水位雍高值。

綜上所述，公式（1）可以簡化為：

即水位雍高值消耗于沿程水頭損失中。

根據《室外排水設計規范》關于恒定流條件下排水管渠計算公式，且Q=vA，，結合公式（2），可推導出：

其中h為水位雍高值，m；n為粗糙系數；Q為設計流量，m3/s；l為管道長度，m；d為管道直徑，m。

可知，在雨水管道淹沒出流情況下，水力坡降為水頭與管道長度的比值，與管道坡度無關。公式（3）的物理意義為：水位雍高值與管道長度、管徑、管道粗糙系數和設計流量有關，而與管道坡度無關。

以此類推，向雨水管道上游方向，分別以兩個檢查井為研究對象，可以逐個求出上游檢查井的水位雍高值。

3工程計算實例

本港區陸域面積共約0.2km2，共設置兩個雨水口，第一個雨水管道系統總匯水面積為0.0976km2，管道總長度660m，綜合徑流系數0.8，為方便計算，建立雨水管道系統簡化模型，如圖2所示：

圖2　港區雨水管道系統計算簡圖

《河港工程總體設計規范》第6.3.6條規定：排水管、渠出水口處的管頂高程不宜低于雨季平均高水位。故簡化模型取雨季平均高水位為自由出流和淹沒出流的臨界水位。在淹沒出流情況下，為了防止港區陸域被雨水倒灌，要嚴格控制水位雍高值，但在設計雨水管道管徑、坡度時，同時應該保證雨水自由出流情況下流速達到規范要求。本文首先按照雨水自由出流選取兩個設計方案，然后按照淹沒出流對兩個方案進行對比。第一方案選擇較小管徑、較大坡度的管道，自由出流計算結果如表1；第二方案選擇較大管徑、較小坡度的管道，自由出流計算結果如表2。

根據公式（3），在淹沒出流狀態下，對兩個方案的水位雍高進行計算，忽略自由出流狀態與淹沒出流狀態下管段設計秒流量的變化，結果如表3、表4：

表1　方案一：自由出流計算結果

表2　方案二：自由出流計算結果

表3　方案一：淹沒出流計算結果

表4　方案二：淹沒出流計算結果

本工程港區陸域高程比雨季平均高水位高出1.1m。根據表3與表4的計算結果可知，在淹沒出流狀態下：方案一起端檢查井的水位雍高值為1.49m，此時港區發生雨水倒灌；方案二起端檢查井的水位雍高值為0.61m，如雨水管道最小覆土深度取0.8m，則此時整個管道系統充滿雨水，但是起端檢查井水位距地面仍有0.49m的高度，不會發生雨水倒灌現象。由以上兩個方案的對比可知：雨水管道系統在淹沒出流情況下，應采取盡量擴大管徑的措施。

4結論

根據水力學基本理論，闡述了雨水管道系統淹沒出流狀態下水位雍高值的計算方法，提出水位雍高值與管道長度、管徑、管道粗糙系數和設計流量有關，而與管道坡度無關。依據工程實例的雨水管道系統簡化計算模型，提出雨水管道系統發生淹沒出流時，應采取加大雨水管管徑的設計方案。

參考文獻：

［1］張雨飛，何亦森，鄺敏毅.低地坪高潮位地區的雨水管道淹沒出流計算［J］.給水排水，2011，37（4）：107-109.

［2］李家星，趙振興.水力學［M］.南京：河海大學出版社，2001.

［3］周玉文，趙洪賓.排水管網理論與計算［M］.北京：中國建

筑工業出版社，2000.

［4］室外排水設計規范：GB50014-2006［S］.

［5］孫慧修.排水工程（上冊）［M］.北京：中國建筑工業出版社，1999.

（責任編輯：郝安林）

中圖分類號：TU992

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0076-03

收稿日期：2015-10-22

基金項目:安徽省高等學校省級質量工程項目（2014jyxm180）；安徽工程大學本科教學質量提升計劃項目（2014jyxm09）。

作者簡介：和蕊（1982-），女，河南周口人，安徽工程大學建筑工程學院教師，碩士，主要從事水資源系統工程研究。

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