解析小区雨水管道管径计算方法

　　摘要：依据现行的《室外排水设计规范》，雨水管道采用极限强度法和均匀流公式来计算，本文根据雨水排水管道的一些特点，详细解析了居民小区雨水管道管径计算方法。
关键词：雨水排水；管道管径；管径设计


随着经济的发展，居民小区对雨水系统设计的性能要求越来越高。作为设计中的一个重要指标——雨水管管径，过大则无谓增加投资；过小则暴雨时易发生短涝。笔者在长期的工作中，常发现下述现象：小区雨水排水管道管径没有经过严格计算，仅凭设计人员经验判断确定。通过与设计人员沟通、交流，可将管径确定过程简单概括如下：初始几段管径按设计规范中最小管径要求确定，然后遇干管接入井或若干个管段后，综合考虑汇水面积增加和地形特征，根据经验判断将管径适当增大一级,，依次类推，直至系统各管段(含接入市政管的小区排出管)管径，据此方法确定完成。不难想象，据此确定的管径难免出现偏差，导致管径大小不当。
一、雨水设计流量
小区雨水管道管径选择，一般依据《建筑给水排水设计规范》，《居住小区给水排水设计规范》中等相关内容确定。在计算过程中要注意区分最大小时流量与设计秒流量的运用范围。雨水管道计算应满足管径、流速、埋深等方面的约束条件。
小区雨水设计流量Q按下式计算：Q=F×q×其中：
F——汇水面积，其划分应结合地形坡度、汇水面积的大小及雨水管道布置等情况划定。地形较平坦时，可按就近排入附近雨水管道的原则划分汇水面积；地形坡度交大时，可按地面雨水径流方向划分汇水面积。
——径流系数。按《室外排水设计规范》有关规定计取。
——设计暴雨强度。按下列公式计算：
式中：t——降雨历时（min）。为地面集水时间，一般取5～15min；m为折减系数，暗管取2，明渠取1.2，为为管渠内雨水流行时间。在排水管道水力计算时应注意如下问题：
⑴雨水管道的水力计算应符合规范规定的最大允许流速、最小设计流速和最小设计流速控制的最小设计坡度要求。
⑵雨水管道管段的设计流量如果小于最小管径在最小坡度时通过的流量，该管段为不计算管段。不计算管段应采用最小管径，按最小设计坡度进行设计。
⑶水力计算从上游管段向下游管道依次进行，随着管段中设计流量的增加，设计流速也应相应增加。只有当下游管段流速已经大于1.2m/s（混凝土管和钢筋混凝土管）的情况下，坡度大的管道接到坡度小的管道时，设计流速才允许减少。
⑷计算时设计流量逐段增加，设计管径也应相应增加，但在管道坡度突然变陡处，其管径可根据水力计算确定由大变小，但一般减少一级，不得超过两级，并不得小于最小管径。
⑸当地面坡度太大或陡坡突然变缓时，可设置跌水井。一般管道跌水高度超过1m，宜设跌水井；跌水高度超过2m，必须设跌水井。跌水井不宜布置在管道转角处。
⑹管道转弯或交接处，其水流转角不应小于90°。
⑺各种不同管径的管道在检查井中连接宜采用管顶平接。相同管径的管道，或在平坦地区不同管径的管道也可采用平接，但任何情况下进水管管底不得高于出水管管底。
⑻小区内接户管接入小区排水支管时，最好有10～20cm落差。
二、管径设计
小区雨水管道常规设计方法是根据设计流量和管道坡度，按照满流情况确定管径的。在很多小区由于没有自然地面坡度可以利用，即使采用规范规定的最小设计坡度进行计算，管道埋深仍然增加很快又因地下水位较高，埋深一般不超过，否则施工困难，一旦管道低于受纳水体水位，相应管道的铺设坡度也将失去实际意义。在此情况下，任意增设雨水提升泵站是不经济的，也是不可行的。探讨新的、有针对性的设计思想和计算方法是十分必要的。雨水管道按照满流进行设计，根据水力学观点，应该属于有压管道计算，而有压管道的水力计算与管道本身的安装坡度是没有关系的，设计时完全可以先根据计算管道的上、下游水位差和相应流量确定管径，尔后再单独考虑管道的坡度和埋深。假定在排除设计强度暴雨时,管道全线所有检查井均有大小于其中最大管径一定数值的涌水水深，取定某一高程系数，采用相对压强值，则计算管段两端的水头差和水力坡降可分别记为：
…………(1)
…………(2)
其中，分别表示计算管段上、下游检查井的涌水水位(m)；表示计算管段的长度(m)。
根据谢才公式和曼宁公式可导出计算管段的管径计算公式:
………(3)
或者……(4)
其中表示计算管段的计算管径(m)；，分别表示计算管段的设计流量和粗糙度。设计时，值依选用管材而定，例如采用混凝土管道,；值依设计暴雨强度和汇水面积而定,对于确定管径而言,均为已知数值,唯有计算管段的水力坡降值,理论上是根据式(3)和式(4)计算的。
三、雨水管道埋设
（一）管道基础
小区雨水管道基础应按设计要求铺设，基础采用砂石垫层，垫层厚度应不小于以下规定：管径300以下为100mm，管径600以下为150mm，大管径可采用200mm厚，管道基础的接口部位，应预留凹槽以便接口操作。凹槽深约为0.05～0.10m，槽长约为管道直径的1.1倍。凹槽在接口完成后，随即用砂填实。管道与检查井衔接采用防水翼环，防水翼环可与不同管径的HDPE短管连接好后，直接用水泥砂浆浇注成砌块，在砌块检查井时可根据流水底高，直接砌入，省时省力。施工时要求井底流槽与管内壁接合平顺，管口与井内壁齐平。
由于管径的确定与管道安装坡度无关,所以管道坡度、埋深以及连接方式等设计，只需考虑管材强度、地面荷载、河道水位、施工条件以及市政管线综合等因素即可。这里仅对下面几点提出强调说明。
(1)为了便于泥沙运动，管道的敷设坡度应采用顺坡，即，不宜采用平坡，避免采用反坡。顺坡的大小不必按照常规设计方法依管径的大小变化而变化，而是不论管径大小均采用统一的坡度不变。通常情况下,管道的敷设坡度i小于管道平均水力坡度J。(2)常规雨水管道设计提倡管顶平接,这里则提倡管底平接。因为管底平接不影响排洪设计能力，有利于检查井流槽制做，更能减缓管道埋深的增加。至于在不满流时检查井上游的涌水现象,笔者则认为无关紧要。
(3)管道的埋深可按起始管段管顶覆土深度等于最小覆土深度进行控制。需要注意的是,由于管底平接,管坡较小,很有可能在管线段下游段出现管顶覆土深度不够的情况,此时可考虑下列措施解决问题管顶覆盖加固管两侧回填土夯实处理选用高强度管材如有高程余量,可增大管坡如有水头余量，可减小管径，以及局部采用管顶平接或者管中对接等。
(4)雨量较小时，管道流速低于最小不淤流速,此时泥沙沉积再所难免,但只是暂时的,等到雨量较大时，已沉积的泥沙会再度被冲走。试验表明,流速大于0.15可以冲刷粒径为0.005mm的淤泥；流速大于0.55可以冲刷粒径为1.0mm的淤泥；流速大于0.65可以冲走粒径为2.50mm的砾石。所以出现一点沉积泥沙无需担忧,只要管底顺坡通畅,沉积和冲刷总会交替进行,以维持雨水管道的正常运行。然而,设计一定数量的清淤沉砂井仍然是必要的,且沉砂室深度不宜小于600mm,以便机械掏挖。
（二）沟槽回填
从管底基础至管顶以上0.7m范围内，必须用人工回填，严禁用机械推土回填。回填先从管底与基础结合部位开始，沿管腔两侧同时对称分层回填并夯实，每层回填高度宜为0.15～0.20m，管顶以下宜用粗砂回填，管顶以上0.5m范围内，宜回填砂土或接近最佳含水率的素土。管顶0.7m以上部分回填土，可采用机械回填，但必须从管线两侧同时回填并夯实，可使用机械碾压。
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