本帖最后由 jack286 于 2014-5-23 12:23 编辑 Jacky 摘要：本文阐述了室外雨排水设计中管道设计的流量匹配问题的重要性，对每个管段坡度是否需要变化的问题进行了探讨，分析了室外雨水排水管网设计中流量不匹配所造成的不利影响，并提出了优化建议。 关键词：室外雨排水 流量匹配 负压流 一.引言 随着城市化进程的推进，市政雨排水设计在人民生产生活中的重要性日渐突出，城市雨排水系统溢水问题成为频率越来越高的媒体关键词，亟须引起有关设计人员的注意，笔者试着从能量分析入手，对雨排水设计中的流量匹配的重要性进行分析探讨，以期使雨排水的设计更趋优化。
Jacky
摘要：本文阐述了室外雨排水设计中管道设计的流量匹配问题的重要性，对每个管段坡度是否需要变化的问题进行了探讨，分析了室外雨水排水管网设计中流量不匹配所造成的不利影响，并提出了优化建议。
关键词：室外雨排水 流量匹配 负压流
一.引言
随着城市化进程的推进，市政雨排水设计在人民生产生活中的重要性日渐突出，城市雨排水系统溢水问题成为频率越来越高的媒体关键词，亟须引起有关设计人员的注意，笔者试着从能量分析入手，对雨排水设计中的流量匹配的重要性进行分析探讨，以期使雨排水的设计更趋优化。
二.存在问题
目前的雨排水设计中有一个很重要的原则被许多设计人员所忽略(包括一些教材)，那就是重力流上下游管道的流量匹配，经常报道的各城市溢水问题应该与此直接相关，在市政排水设计中具体表现为雨水口接入的检查井所分割的各管段之间，管坡不作变化，同一坡度同一管径的排水管线可以一直延伸100~200m。
分析这种不变坡做法背后的原因，应该是许多设计人员认为按下游的计算的管径坡度组合延伸到上游，应该是一种偏于的安全的做法，但过犹不及，合适的才是最好的，笔者认为这种假设并不合理。如果不引起足够重视，可能会引发平原地区的许多雨排水管网不能满足设计的重现期而泛水成灾。
三、原因分析
《室外排水设计规范》（GB50014-2006），排水管道的设计流量公式可转化为：
Q = A R^(2/3) I^(1/2)/n （公式1）
式中Q——设计流量（m3/s）；
A——水流有效断面面积（m2）；
R——水力半径（m）；
I——水力坡度；
n——粗糙系数。
由于雨排水设计常以满管流计，对于具体的管网，以典型的圆管管网来讨论，则可变因素通常就是管径与坡度两个，如果设计管径长距离不变坡，那么实际的排水流量也将不发生变化，从而引发溢水问题。
不变坡的设计通常是以整段不变坡汇水面积计算的，因此设计流量偏大，管坡的取值也偏大，设计似乎是富裕的，这也是许多具体设计人员的想法，但在实际的管网中发生的过程却不容乐观。
图1.不匹配管网的流态
如图1所示，由于上下游的流量不匹配，下游的水力坡度对应的流速引发的流量会大大超出上游汇集流量，定性地分析，因为没有足够的水流满足下游的流量，在变径的检查井后就会出现负压，从而负压导致紊流、夹气、逆流等流态的产生，出现正常计算外的水力损失，消耗额外的能量。
这个额外的能量消耗有多大？形成紊流是水力学消能的主要方法，如果参照给水工程中局部水力损失的计算方法，可以大致估算出紊流能耗的数值，查给水设计手册[1]（1）雨水检查井的局部水损相当于等径丁字管+突放，其中直流汇合ξ≈0.1~1.5；（2）流入水箱、水池的局部损失ξ=1。按局部损失h=ξυ2/（2g），流速1m/s，估算其水头损失:
h=(0.1~1)*1/(2*9.8)
=0.005~0.05 m
紊流的局部水头损失数值用压力流计算方法估算，肯定有欠缺之处，例如重力流与压力流的差异性，夹气、逆流等产生的水损数值都应该予以考虑才更完整，这些差异或水损的准确定量可能是另外一些需要研究课题，但对于大致的估算仍然满足精度的。
从能量守恒定理可以知道，重力流满流雨水排水管道中，雨水形成径流到出水口排出是一个势能转化为动能和损失能耗的过程，雨水径流的势能为雨水汇入处地面标高与排出口水面高差的重力势能；动能为雨水在管道中的流速水头；损失能耗包括了沿程损失、局部损失和额外损失几个部分。沿程损失和局部损失可以按通行的算法计算得出，这些计算之外的水力损失，姑且称为“额外损失”，则常常被忽略，但在平原等水头有限的条件下，以0.005~0.05 m为区间的各额外损失就成为不可小视的一个因素。
江浙沪的平原地区，常水位与地面的高差通常小于2m,可以计算得到每处局部水损的总水头的比值约为0.25~2.5%，如果有10处变径，也就是管径约DN1500的管网，额外损失的占比就可能达到25%左右，这个相对值是不可忽略的因素，这说明，管网的流量不匹配所形成的消能效应在水头不富裕的平原地区就足以导致暴雨时的溢水泛滥成灾。
四.雨水口接入需要匹配的管坡
从公式（1）可以看到，雨水管网设计中的流量匹配是通过管径和坡度共同实现的，在管径确定后，坡度起着至关重要的作用。以2个雨水口的最大泄流量40L/s计，分别计算不同塑料圆管（粗糙系数n=0.01）满流时对应的坡度差，可以得出如表1所示的结果。
各管径的平均坡度差 表1
|
管径（mm）
|
DN400
|
DN500
|
DN600
|
DN700
|
DN800
|
|
平均坡度差
|
0.8‰
|
0.4‰
|
0.3‰
|
0.26‰
|
0.2‰
|
表中数据意味着，DN400塑料管在新接入两个雨水口时，坡度约改变0.8‰，其上下游的重力流流量才是匹配连续的，否则就会因为上下游流量的不连续就会产生负压，引发额外水损的产生。
由此可以看出，坡度的取值应该按照流量连续的原则计算，雨水口接入时，应根据管径、流量的配合，改变相应的坡度，而不能简单化，在雨水接入后，坡度仍同上游不予变化。这个问题在实际的设计中很普遍，笔者认为至少在平原地区是不妥的。
五.结论
综上所述，注意排水管网上下游的流量匹配，注意管网设计时每段坡度的变化，对于优化平原地区室外雨排水管网的设计有着重要的作用，应引起足够的重视。
[1]中国市政工程西南设计研究院主编，给水排水设计手册，第1册，常用资料，2000年10月第二版，P.671
