雨水管道水力设计的可靠性计算
雨水管道水力计算书
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6.88
给排水工程中的水力计算规范要求
给排水工程中的水力计算规范要求在给排水工程中，水力计算是一个重要而必要的环节。
通过水力计算，可以确定管道的尺寸、水流速度等参数，以确保给排水系统的正常运行。
为了保证水力计算的准确性和可靠性，相关部门制定了一系列的水力计算规范要求。
本文将从流量计算、管道尺寸选择和压力计算三个方面介绍给排水工程中的水力计算规范要求。
一、流量计算在给排水工程中，准确计算水流量是非常重要的，它关系到管道的尺寸选择和系统的运行效果。
水力计算规范要求在计算流量时，应根据水源供水量、用水量以及系统的压力损失等因素进行综合考虑。
当计算供水系统的流量时，首先需要确定最大和最小用水峰值。
最大用水峰值是指系统在最高峰时的用水量，一般是根据设计人口数和日工作制定制作。
最小用水峰值是指系统在夜间或低用水时段的用水量，一般是根据城市规模和人口密度等因素进行估算。
在给排水工程中，还需要考虑到系统的压力损失。
压力损失是指管道中水流通过时由于摩擦、弯头、阀门等元件造成的能量损失。
在进行流量计算时，需要对管道长度、直径、摩擦系数以及各种元件的阻力系数等进行合理选取和估算，以得出准确的流量数据。
二、管道尺寸选择根据流量计算的结果，合理选择管道尺寸是确保给排水系统正常运行的关键一步。
水力计算规范要求，在选择管道尺寸时，应综合考虑流量要求、施工条件和经济性等因素。
首先，在满足流量要求的前提下，应选择尽可能小的管道尺寸。
这有助于减少材料和施工成本。
同时，选择小尺寸的管道还可以降低压力损失，提高系统的运行效率。
其次，在确定管道尺寸时，还需要考虑到施工条件。
例如，如果给排水系统需要经过狭窄的通道或小型建筑物等特殊情况，可能需要选择特殊形状或小尺寸的管道。
这样可以更好地适应实际施工环境，提高施工的便利性。
最后，在制定管道尺寸时，还应根据经济性因素进行合理权衡。
一方面，应选择价格合理、性能可靠的管材；另一方面，还应避免过度的尺寸选择和设备冗余，以充分利用资源并降低成本。
雨水排水系统的水力计算
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6.3 雨水排水系统的水力计算
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5．径流系数
后退
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6.3 雨水排水系统的水力计算
6.3.2 系统计算原理与参数
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１．雨水斗泄流量
重力流状态下，雨水斗的排水状况是自由堰流，通过雨水斗
的泄流量与雨水斗进水口直径和斗前水深有关，可按环形溢
流堰公式计算：
6.3 雨水排水系统的水力计算
6.3.3 设计计算步骤
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２．天沟外排水 天沟布置 即确定天沟的分水线及每条天沟的汇水面积；按照屋面的
构造一般应在伸缩缝或沉降缝作为天沟分水线，单坡的排泄长 度不宜大于 50m。天沟较长时，坡度不能太大，但最小坡度不 得小于0.003。
确定天沟断面 天沟形状：矩形、梯形、半圆形、三角形等。 天沟尺寸：根据排水量、天沟汇水面积计算，根据每一条天沟
管径 I
0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
75mm
3.07 3.77 4.35 4.86 5.33 5.75
100mm 150mm 200mm 250mm
6.63 8.12 9.38 10.49 11.49 12.41
19.55 23.94 27.65 30.91 33.86 36.57
211(110.85lgP) q
(t8)0.70
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6.3 雨水排水系统的水力计算
6.3.1 屋面雨水设计流量计算
屋面雨水排水管道的设计降雨历时可按5min计算， 居住小区的雨水管道设计降雨历时应按下式计算：
t t1M2t
水利工程中的水力计算方法
水利工程中的水力计算方法水力计算是水利工程设计与建设中非常重要的环节之一。
水力计算方法的准确性和合理性对于工程的安全和效益具有直接的影响。
本文将介绍水利工程中常用的水力计算方法，包括流量计算、水头计算和水力特性计算。
一、流量计算流量是水力计算的基本参数，常用的流量计算方法有以下几种。
1. 雨量-径流关系法雨量-径流关系法是通过分析雨量和径流之间的关系，来估计流量的一种方法。
通过历史雨量与径流数据的统计分析，可以建立不同降雨强度和流量之间的经验关系，从而预测未来的流量。
2. 集水面积法集水面积法是通过测量水流汇合的面积，来计算流量的方法。
流域面积的大小和形状对流量有很大的影响，通过测量流域面积并结合流域特征参数，可以计算出流域的平均流量。
3. 水位-流量关系法水位-流量关系法是通过观测水位和流量之间的关系，来计算流量的方法。
通过在水利工程中设置水位计和流量计，可以实时监测水位和流量，并建立水位-流量曲线，从而可以根据水位来推算流量。
二、水头计算水头是水利工程中常用的参数，常用的水头计算方法有以下几种。
1. 均匀流速公式均匀流速公式是计算水头损失的常用方法之一。
根据流体力学原理，通过流速、管径和摩阻系数可以计算出单位长度上的水头损失。
2. 白肋公式白肋公式是计算水头损失的另一种常用方法。
该方法是根据流体在曲线管道中的流动特点，通过曲率半径和流速来计算水头损失。
3. 安培公式安培公式是计算水头转换效率的一种方法。
该方法通过计算水轮机的出力和输入水头之间的比值，来评估水轮机的性能。
三、水力特性计算水力特性是指水流在水利工程中的特殊性质，常用的水力特性计算方法有以下几种。
1. 流量流速关系法流量流速关系法是通过观测流量和流速之间的关系，来计算水流的特性。
通过不同位置的流速测量，可以揭示出水流的速度分布和变化规律，从而分析水流的特性。
2. 水马力计算法水马力计算法是计算水轮机水力特性的一种方法。
通过测量水轮机的进口流量、进口水头和出口水头，可以计算出水轮机的水马力，从而评估水轮机的性能。
排水管道水力计算
4.4 排水管道水力计算
4.4.9建筑物内生活排水铸铁管道的最小坡度和最小设计充满度，宜按表4.4.9确定。
按表4.4.10调整。
径不得小于所连接的横支管管径。
4.4.11-1确定。
距离计算。
2如排水立管工作高度在表中是列出的两个高度值之间时，可用内插法求得排水立管的最大排水能力数值。
3排水立管管径为100mm的塑料管外径为110mm，排水管管径为150mm的塑料管外径为160mm。
4.4.12 大便器排水管最小管径不得小于100mm。
4.4.13 建筑物内排出管最小管径不得小于50mm。
4.4.14多层住宅厨房间的立管管径不宜小于75mm。
4.4.15 下列场所设置排水横管时，管径的确定应符合下列要求：
1 建筑底层排水管道与其楼层管道分开单独排出时，其排水横支管管径可按表
4.4.11-4中立管工作高度≤2m的数值确定。
2 公共食堂厨房内的污水采用管道排除时，其管径比计算管径大一级，但干管管径不得小于100mm，支管管径不得小于75mm。
3 医院污物洗涤盆（池）和污水盆（池）的排水管管径，不得小于75mm。
4 小便槽或连接3个及3个以上的小便器，其污水支管管径，不宜小于75mm。
5 浴池的泄水管管径宜采用100mm。
雨水水力计算公式
雨水水力计算公式雨水水力计算在水利工程和城市排水系统设计中可是相当重要的一部分呢。
它就像是一个神秘的密码，解开了就能让雨水乖乖听话，流到该去的地方，不造成麻烦。
先来说说雨水流量的计算吧。
雨水流量的计算公式通常是：Q =ψ×q×F 。
这里的 Q 表示雨水设计流量，ψ 是径流系数，q 是设计暴雨强度，F 则是汇水面积。
径流系数ψ 呢，它反映了降雨形成径流的比例。
比如说，一块完全不透水的地面，径流系数就接近 1 ；而一块长满花草树木、能很好吸收雨水的绿地，径流系数就会小很多。
想象一下，学校里的水泥操场和旁边的小花园，在一场大雨过后，操场可能很快就有积水，而小花园里的雨水大多都被土壤和植物吸收了，这就是径流系数不同导致的。
设计暴雨强度 q ，它和降雨的时间、地点都有关系。
不同地区、不同降雨历时，暴雨强度都不一样。
这就好像不同城市的天气脾气不一样，有的城市雨来得急、下得猛，有的城市则是细雨绵绵。
汇水面积 F 相对好理解，就是雨水汇集的区域面积。
比如说一个小区，所有雨水最终流到一个排水口，这个小区的占地面积就是汇水面积。
在实际计算中，可不能简单地套公式就完事。
得考虑很多因素。
就像我之前参与过一个老旧小区排水系统改造的项目。
那小区一下大雨就积水，居民们苦不堪言。
我们去实地勘察，发现原来的排水管道管径太小，而且汇水面积计算不准确，导致雨水排放不畅。
我们重新测量了小区的地形，仔细分析了地面的材质，确定了更准确的径流系数。
还根据当地的气象资料，计算出适合的设计暴雨强度。
经过一番努力，重新设计了排水系统。
当改造完成后，再遇到大雨，小区里再也没有出现积水的情况，居民们脸上都露出了开心的笑容。
再说说雨水管道的水力计算。
这涉及到流速、管径、坡度等参数的确定。
流速不能太快也不能太慢，太快了可能会冲刷管道，太慢了又容易造成淤积。
管径要根据流量来选择，合适的管径才能保证雨水顺利通过。
坡度则要保证雨水能够自流排放，又不能太大导致水流过于湍急。
雨水管道水力设计的可靠性计算
筑龙网 w w w .z h u l o n g .c o m 雨水管道水力设计的可靠性计算提 要: 雨水管道水力设计中,由于各水力因子的不确定性,管道的过水能力是一随机变量。
文中分析了各水力因子的不确定性,并通过一次二阶矩法求过水能力的统计参数,给出了过水能力的均值、变差系数的计算式以及管道水力设计可靠度的计算式和计算方法。
算例表明,现行的水力计算方法,水力设计的可靠度较低。
0 引言城市雨水管道设计中,一般只考虑水文因素造成的不确定性,即考虑雨水流量的不确定性,首先通过拟定雨水排除设计标准,确定雨水设计流量,然后按此进行雨水管道的水力计算,认为雨水管道一经确定,其排水能力是确定的。
事实上,由于各种不确定性因素的影响,管道的过水能力不是与设计流量一致的确定量,而是随机变量,这就是水力不确定性。
由于这种不确定性的存在,管道能通过设计流量的可靠程度应能在工程设计中给予足够的重视,以便使工程设计可靠合理。
本文运用概率统计方法对此问题进行研究,给出了计算公式和计算方法。
1 雨水管道水力设计可靠性的度量所谓可靠性是指产品在规定的时间内,在规定的条件下,完成规定功能的能力[1]。
当使用概率来度量这一能力时,就是可靠度,即可靠度是可靠性的概率度量。
在可靠性定义中,论述的对象泛指产品,本文中可靠性问题的对象是指雨水管道。
设计条件下雨水管道的水力计算,常按满管无压均匀流计算,计算公式为： V=(1/n)R2/3I1/2 (1) Q=ω•(1/n)R2/3I1/2 (2) 式中V--管道流速,m/s ；Q--管道的过水流量,雨水管道水力计算时即是管道的过水能力,m3/s ； ω--过水断面面积,m2；n--管壁粗糙率；R--水力半径(过水断面面积与湿周之比),m ；筑龙网 w w w .z h u l o n g .c o m I--水力坡度。
雨水管道中常用的断面形式大多为圆形,以此种情况为例进行讨论,式(2)中ω、R 均可由管径反映,此时式(2)变为Q=0.311685D8/3(1/n)I1/2=Q(D,n,I) (3)式中D--圆管直径,m 。
雨水排水系统的水力计算
雨水排水系统的水力计算雨水排水系统是指为了排除雨水而设计的管道系统。
在城市建设中，雨水排水系统是必不可少的基础设施之一。
水力计算是设计雨水排水系统时必需的一项重要工作，它能够帮助工程师确定各种参数，从而确保系统能够高效地排水。
本文将详细介绍雨水排水系统的水力计算方法和相关的计算公式。
在进行水力计算之前，我们首先需要了解几个重要的概念。
首先是雨水流量的计算。
通常，我们使用多个气象站的降雨数据来确定一个城市或地区的降雨强度。
根据历史数据和统计分析，可以得出一定时间内的设计雨量。
设计雨量越大，说明系统需要具备更高的排水能力。
其次是雨水径流系数的确定。
雨水径流系数是指降雨过程中径流的量与总降雨量的比值。
该系数取决于地表情况、土壤类型和降雨强度等因素。
通过现场勘测和实验研究，可以确定不同场地和不同条件下的雨水径流系数。
接下来是管道的水力特性。
雨水排水系统中使用的管道通常为圆管或方管。
在进行水力计算时，我们需要知道管道的内径或边长，并考虑流体的流速和压力损失等因素。
根据伯努利方程和一些基本的流体动力学原理，我们可以计算出管道中的水流速度和压力变化。
最后是雨水排放的规划和设计。
在城市建设中，我们需要根据雨洪情况和市政要求来规划雨水排放的方式和位置。
适当的排放方式可以减少洪水和滞水的发生，保护城市的基础设施和居民的生活环境。
具体的水力计算方法包括：汇水面积的计算、雨水流量的确定、雨水径流系数的选择、管道的水力计算、排放流量的确定等。
在实际工程中，我们可以根据具体情况选择适用的计算方法，并利用计算软件或手算等方式完成水力计算的工作。
综上所述，雨水排水系统的水力计算是设计合理的系统的关键步骤之一。
通过准确计算各项参数，我们能够确保雨水排水系统的性能和安全性。
在未来的城市建设中，我们应该不断提升水力计算的技术水平，为城市的可持续发展做出贡献。
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雨水管道水力设计的可靠性计算
张子贤王瑞恩
提要:雨水管道水力设计中,由于各水力因子的不确定性,管道的过水能力是一随机变量。
文中分析了各水力因子的不确定性,并通过一次二阶矩法求过水能力的统计参数,给出了过水能力的均值、变差系数的计算式以及管道水力设计可靠度的计算式和计算方法。
算例说明,现行的水力计算方法,水力设计的可靠度较低。
0引言
城市雨水管道设计中,一般只考虑水文因素造成的不确定性,即考虑雨水流量的不确定性,首先通过拟定雨水排除设计标准,确定雨水设计流量,然后按此进展雨水管道的水力计算,认为雨水管道一经确定,其排水能力是确定的。
事实上,由于各种不确定性因素的影响,管道的过水能力不是与设计流量一致确实定量,而是随机变量,这就是水力不确定性。
由于这种不确定性的存在,管道能通过设计流量的可靠程度应能在工程设计中给予足够的重视,以便使工程设计可靠合理。
本文运用概率统计方法对此问题进展研究,给出了计算公式和计算方法。
1雨水管道水力设计可靠性的度量
所谓可靠性是指产品在规定的时间内,在规定的条件下,完成规定功能的能力[1]。
当使用概率来度量这一能力时,就是可靠度,即可靠度是可靠性的概率度量。
在可靠性定义中,论述的对象泛指产品,本文中可靠性问题的对象是指雨水管道。
设计条件下雨水管道的水力计算,常按满管无压均匀流计算,计算公式为：
V=(1/n)R2/3I1/2(1)
Q=ω·(1/n)R2/3I1/2(2)
式中V--管道流速,m/s；
Q--管道的过水流量,雨水管道水力计算时即是管道的过水能力,m3/s；
ω--过水断面面积,m2；
n--管壁粗糙率；
R--水力半径(过水断面面积与湿周之比),m；
I--水力坡度。
雨水管道中常用的断面形式大多为圆形,以此种情况为例进展讨论,式(2)中ω、R均可由管径反映,此时式(2)变为
Q=0.311685D8/3(1/n)I1/2=Q(D,n,I)(3)
式中D--圆管直径,m。
水力计算时,设计流量为,设为Q0,通常在选定管材之后,粗糙率为数值,设为n0,利用式(1)、式(3)可计算出既符合水力计算根本技术规定,又满足Q0要求的流速V0、管径D0和水力坡度I0。
然而事实上,由于管材制造方面的误差,施工、测量误差以及运行过程中的不确定性等,都会使式(3)流量函数中各水力因子D、n、I具有一定的不确定性,均为随机变量,因而过水能力Q为多元随机变量的函数,也是随机变量,当Q≥Q0时,管道能够排泄设计流量,否那么将发生漫溢。
因此,根据可靠度定义,管道水力设计的可靠度PS为：
P s=P(Q≥Q0)
=P(0.311685D8/3(1/n)I1/2≥Q0)(4)
由此可见,要计算管道水力设计的可靠度PS,必须确定过水能力Q的概率分布。
以下从影响Q的各水力因子的不确定性入手,进展研究。
2水力因子的概率分布和统计参数确定
从理论上导出各水力因子的概率分布是十分困难的。
研究说明,当可靠度PS≤0.999时,概率分布类型(当然是合理的假定)对PS的影响不敏感[2]。
目前水力因子不确定性分析中,各水力因子的概率分布常采用三角形分布[3,5]。
为表达方便,设x=(D,n,I),即由x代表任一水力因子,假设服从三角形分布,其图形如图1所示,密度函数为：
对于特殊情况,均值和变差系数[5]分别为：
当上三角形分布(图2)时：
由此可见,只要确定了各水力因子可能取值的变化范围a～c及最可能值b,即可由式(6)～(11)计算各水力因子的统计参数、CVx。
2.1管径D
对于雨水管道管径D的不确定性,一方面是管材制造误差引起的,文献[6]中规定了混疑
土和钢筋混疑土排水管道不同质量、各种尺寸管子内径的允许公差；另一方面,虽然水力设计时,为防止管道淤积,规定了设计流速的最小值,但运行过程中管径D仍存在一定的不确定性。
可根据这些影响,确定D的可能取值下限a和上限c,可把水力设计中选定的管径D0作为最可能值b。
2.2粗糙率n
粗糙率n的不确定性主要产生于管材质量、运行中的冲淤影响等。
对于具体管材,可确定粗糙率的可能取值范围和最可能值。
2.3水力坡度I
水力坡度的不确定性主要来源于施工质量验收允许误差、测量允许误差等方面。
也可将设计值作为最可能值,根据施工验收质量要求的允许误差和测量允许误差确定I的可能的最小值a 和最大值c。
3过水能力的概率分布和统计参数确定
由于式(3)所表达的流量函数是非线性的,所以由各水力因子的分布导出函数Q的分布的解析解是困难的。
文献[3]采用Monte-Carlo模拟方法研究过水能力Q的概率分布类型,结果说明,正态分布是Q的最正确概率模型。
为确定Q的均值和方差,本文采用构造可靠性研究中的方法,一次二阶矩法[2],方法如下。
将式(3)流量函数Q(D,n,I)在各水力因子均值附近展开成泰勒级数,并取一阶近似值：
式中D(Q)--过水能力Q的方差；
D(xi)--xi的方差；
CoV(xi,xj)--xi与xj的协方差,i≠j。
设流量函数中各水力因子D、n、I均为相互独立的随机变量,那么CoV(xi,xj)=0, (i≠j),式(14)变为：
4雨水管道水力设计可靠度计算方法
根据上述研究成果及式(4),雨水管道现行水力设计的可靠度可由式(21)计算
由式(22)计算P S的步骤为：
(1)确定各水力因子D、n、I的可能取值范围,并把目前水力计算方法确定的管径D0、粗糙率n0、水力比降I0分别作为各自的最可能值。
(2)根据各水力因子的分布情况,选用式(6)～(11)中计算公式计算各水力因子的均值和变差系数,并将它们代入式(13)和式(20)可求得过水能力的均值、变差系数CVQ,从而可计算均方差σQ。
(3)根据式(22)及标准正态分布函数表,即可计算管道水力设计可靠度P S。
5算例
某雨水管道设计流量Q0=200L/s,选用钢筋混凝土圆管,粗糙率取n0=0.013,按满流计算,水力计算结果为管径D0=500mm,水力坡度I0=0.0028。
试分析其水力设计的可靠度。
(1)确定各水力因子最可能值及可能的变化范围。
将各水力因子水力计算结果的设计值分别作为各自的最可能值；假设仅考虑管径制造的允许误差,文献[6]规定,管径500mm时,合格品允许偏差为-5mm、+6mm,由此确定管径可能变化范围为495mm～506mm；假设仅考虑管材粗糙率范围,钢筋混凝土圆管粗糙率变化范围为0.013～0.014；均匀流水力坡度I等于管底坡度,假设仅考虑施工验收允许误差,文献[７]中,管径≤1000mm时,两检查井之间管内底高程允许最大偏差为±10mm,管径500mm时,雨水管道检查井在直线段最大间距为60m,因此底坡I的变化范围取I0±10/60000。
(2)计算各水力因子均值和变差系数,其结果见表1。
表1各水力因子均值和变差系数
(3)计算过水能力Q的均值和变差系数C VQ、均方差σQ: =0.1956m3/s,C VQ=0.0402,σQ =0.0079m3/s。
(4)计算水力设计可靠度P s=0.2888。
6结语
(1)文中讨论了现行雨水管道圆管水力设计的可靠度计算公式和计算方法,方法容易操作。
本文根本思想和方法也适用于其它断面形式的雨水管道和雨水渠道等水力设计的可靠性研究。
(2)算例说明,即使仅考虑管材制造、工程验收时一些允许偏差的情况,而不考虑其它不利因素的影响,现行计算方法水力设计的可靠度仍较低。
这一客观事实的存在,那么意味着当发生设计重现期的暴雨时,管道不能及时排泄设计流量的概率是较大的,也就是说,从水力设计的环节,设计时所希望的雨水排除标准并没有付诸实现。
(3)通过本文研究说明,过水能力的均值近似等于流量函数中各水力因子均值相应的函数值。
可以作一分析：假设各水力因子随机波动均为对称三角形分布或正态分布,各水力因子的均值也是最可能值,因此设计时所取的各水力因子的值即为各水力因子的均值,那么设计流量等于过水能力的均值。
因而过水能力大于等于设计流量的概率,即是过水能力大于等于其均值的概率,不难得出仅为50%。
在目前水力设计方法情况下,这种现象是很常见的。
这充分说明水力设计时,应考虑各水力因子的随机变化,以提高水力设计成果的可靠性,是非常必要的,也是合理的。
参考文献
1汪光焘,等.城市供水行业2000年技术进步开展规划.北京：中国建筑工业出版社,1993
2赵国藩,等.工程构造可靠度.北京：水利电力出版社,1984
3储祥元.水力不确定模型研究.水利学报,1992(5)
4郭仲伟.风险分析与决策.北京：机械工业出版社,1986
5[美]AH-S.ANG(洪华生),等著,孙芳垂,等译.工程规划与设计中的概率概念(第二卷).北京：冶金工业出版社,1991
6国家技术监视局批准并发布.混凝土和钢筋混凝土排水管(GB11836-89),1989
7工程建立标准标准分类汇编,室外排水工程标准.北京：中国建筑工业出版社,1996
★作者通讯处：061001沧州市西环中街70号河北工程技术高等专科学校
：(0317)2021 311(H)
收稿日期：1999-1-14
给水排水1999年25卷第6期。