陜北溝壑區(qū)雨水管道最小設(shè)計流速與坡度的確定.docx

1、映北洵壑區(qū)雨水管道最小沒計流速與竣度的確定熊家晴易亮亮王曉昌(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院.西安710055)摘要為了控制城市雨水管道淤積，室外排水設(shè)計規(guī)范(GB500142006)給出了雨水管道的最小設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度，而規(guī)范中的最小設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度是根據(jù)典型雨水管道中泥沙特性而確定的經(jīng)驗值。通過對陜北溝壑區(qū)雨水管道泥沙特征及溝壑區(qū)的地形特點的分析，利用排水管道泥沙運動方程.給出了陜北溝壑區(qū)雨水管道的最小設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度的參考值。關(guān)鍵詞溝壑區(qū)雨水管道設(shè)計流速設(shè)計坡度1雨水管道泥沙淤積問題概述城市徑流雨水中挾有大最泥沙與其他雜質(zhì)，雨水排水系統(tǒng)要求這些顆粒能隨水流出，并且自

2、清暢通,所以對水流流速有一定要求。在考慮泥沙淤積問題上,現(xiàn)行的排水管道設(shè)計標(biāo)準一般是以白清流速作為管道設(shè)計最小流速來控制，最小流速往往是僅根據(jù)典型的污水管、雨水管或合流管中的泥沙特性提出的經(jīng)驗值.如在室外排水設(shè)計規(guī)范MGB50014-2006)(以下簡稱“規(guī)范”)中，污水管道的最小設(shè)計流速為0.6m/s,雨水和合流制管道的最小設(shè)計流速為0.75m/s。這種設(shè)計標(biāo)準在日常運用中存在一定的問題，因為管道淤積受泥沙特性(泥沙濃度、粒徑、重度及粘性等)的影響，而排水管道的泥沙特性隨排水管道的類型、不同城市和匯水區(qū)域特征、雨水收集方式等的不同有極大的差異。近年來，越來越多的城市排水系統(tǒng)應(yīng)用了PVC管、P

3、E管等新型材料，新型材料的糙率值(0.0080.01)遠小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管(0.0130.014),輸水能力較混凝土管強，同時管道的輸沙能力也增加了。因此.設(shè)計時必須考慮當(dāng)?shù)氐哪嗌程匦院退捎玫墓懿?對排水管道中泥沙的運動規(guī)律進行研究，選擇符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的最小設(shè)計流速和設(shè)計坡度，盡可能防止排水管道的淤積。2陜北溝壑區(qū)泥沙特性分析陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，地貌屬于梁第為主體的黃土梁第丘陵溝壑區(qū)，其特國家重大水專項課題(2008ZX07317-004)。點是地表支離破碎，梁策密布，溝壑縱橫。年降雨量較少而蒸發(fā)量大，植被稀少，區(qū)域內(nèi)2/3地面遍覆黃土，土質(zhì)松軟，水土流失嚴重,泥沙

4、含量大。為了說明陜北溝壑區(qū)雨水管道泥沙特性與一般雨水管道泥沙的差異，這里根據(jù)相關(guān)資料分析整理得出了一般雨水管道泥沙的基本特性。分，見表10根據(jù)對陜北溝壑區(qū)雨水管道中泥沙含量及泥沙特性取樣分析，該地區(qū)泥沙的質(zhì)垃濃度、顆粒密度和中值粒徑都較大，特別是質(zhì)量濃度非常高。結(jié)果見表2。表1典型的雨水管道中泥沙性質(zhì)泥沙類型雨水顆粒低0.35成，濃度/g/L中0.50高1低0.02中值檢徑dso/mm中0.06高0.10低1.1密度r/g/cm3中2.0高2.5表2陜北溝費區(qū)徑流雨水中泥沙特性取電降雨量/mm質(zhì)量濃度/g/L密度r/g/cm3中值粒徑Jso/mm1207.91.781.880.0682177.

5、21.501.720.0593262.12.082.020.083平均1215.7L791.870.0703陜北溝壑區(qū)管道不淤臨界流速的確定3.1無泥沙底床管道不淤臨界流速的確定劉成等人對管道泥沙運動方程的比較分析，推薦使用AbGhani（1993）在其博士論文中提出的無泥沙底床臨界不淤流速方程確定管道的臨界不淤流速,其方程為：,功=a.0RD次cyi（g）°上/”<1）/gc/（s=1）R，式中Dv無量綱粒徑,%="可'v-運動粘滯系數(shù)，m2/s；d泥沙中值粒徑,mm;g一當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2；5泥沙相對密度:s=r,/r=p,/p;rg）,r（p）分別

6、為泥沙和水的密度,kg/n?;v,臨界不淤流速,m/s;Cv泥沙體積濃度；入'總沿程阻力系數(shù)，兀=i.i3A°-98a°2A沿程阻力系數(shù)。根據(jù)陜北溝壑區(qū)泥沙特性，選取具有代表性的鋼筋混凝土管和PE管對陜北溝壑區(qū)管道的臨界不淤流速進行分析,利用式（1）可計算出各管道的臨界不淤流速（見圖1）。其中，鋼筋混凝土管粗糙率取0.013.PE管粗糙率取0.01。根據(jù)流速與水力坡度（管底坡度）之間的關(guān)系，可以得出各管道臨界不淤流速所對應(yīng)的水力坡度（管底坡度），見圖2。從圖1可見，陜北溝壑區(qū)雨水管道臨界不淤流速較大，無論是采用鋼筋混凝土管還是PE管，都大于“規(guī)范"規(guī)定的最

7、小值0.75m/s,管徑越大，臨界不淤流速越大,3200管道最小不淤臨界流速約1.2m/s,d2000管道的最小不淤臨界流速達到5m/s,若按此臨界不淤流速作為最小流速的設(shè)計依據(jù)，雨水勢必會對管道及其附屬構(gòu)筑物產(chǎn)生沖刷。從圖2可知，隨著管徑的增大,管道相應(yīng)的最小設(shè)計坡度逐漸減少，但總體來說管道坡度較大，基本在6%c14%°。對于鋼筋混凝土管而言,4200管道埋設(shè)坡度需要達到13%。,d2000的管道坡度也達到近9%o°PE管的設(shè)計坡度略小于鋼筋混凝土管.但仍然很大.兩者均大于4%°。這對于城市豎向設(shè)計的要求太高，難以完全達到。陜北溝壑區(qū)屬于山地城市，由于道路坡度起

8、伏較大，部分區(qū)域可充分利用較大縱坡帶來的坡降來圖1各管道臨界不淤流速圖2各管道臨界不淤水力坡度滿足排水管道的敷設(shè)坡度要求，但流速過大會對管道及其附屬構(gòu)筑物造成損壞。此外，對于那些位于河谷地帶特別是道路坡降較小的平坦區(qū)域,要實現(xiàn)這么大的坡降是很困難的。3.2有泥沙底床管道臨界不淤流速的確定利用無泥沙底床管道不淤臨界公式計算管道的臨界流速和坡度是一種理想情形，因為城市徑流雨水中挾有的泥沙與其他雜質(zhì)顆粒大小不一、密度不同、流量波動校大，實際工程中要設(shè)計流速能使溝道無任何沉積物顯然是不可能也不必要的。利用無泥沙底床管道不淤臨界流速公式計算出的管道最小設(shè)計流速和坡度太大，顯然在工程實踐中難以實現(xiàn)，特別是

9、對于道路坡降較小及較平坦的區(qū)域.考慮到工程造價等方面的原因，不可能埋設(shè)得太深。因此采用無泥沙底床臨界不淤流速進行管道設(shè)計不符合實際要求，根據(jù)Ackers提出的具有一定濃度泥沙底床管道臨界不淤流速公式，對陜北溝壑區(qū)管道進行分析，各管道所需的臨界不淤流速顯然要比無泥沙底床管道臨界不淤流速小（見圖3）.各管道流速所對應(yīng)的水力坡度（管底坡度）如圖4所示。由圖3可知,采用PE管時，有泥沙底床的雨水管道的不淤臨界流速基本在1.22.3m/s。采用鋼筋混凝土管時，有泥沙底床的雨水管道的不淤臨圖4有泥沙底床各管道臨界不淤水力坡度界流速基本在1.01.8m/s,也都大于“規(guī)范”中規(guī)定的最小流速要求。從圖2圖4可

10、以看出，管徑較小的管道臨界不淤設(shè)計坡度仍然很大，如4200管道設(shè)計最小坡度達到9%°,而“規(guī)范”規(guī)定最小設(shè)計坡度為4%。,其他管徑也存在同樣的問題，也高于“規(guī)范”的最小坡度要求。當(dāng)然除幾個小管徑的管底坡度較大外,其余管底坡度均相對較小。3.3結(jié)果與討論(1) 陜北溝壑區(qū)雨水中含沙鈦大，管道在運行過程中容易淤積，而按照“規(guī)范”確定的最小設(shè)計流速和最小坡度進行雨水管道設(shè)計，難以滿足管道不淤的要求。(2) 該地區(qū)城市雨水管道完全不淤是不可能的，采用無泥沙底床管道不淤臨界流速公式計算得出臨界流速和臨界坡度作為最小流速和最小設(shè)計坡度依據(jù)不現(xiàn)實。(3) 該地區(qū)的雨水管道最小設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度

11、可以參照有泥沙底床管道臨界流速公式計算的結(jié)果，條件允許時適當(dāng)提高管道設(shè)計坡度。(4) 塑料管的臨界不淤流速大于鋼筋混凝土管,但其設(shè)計坡度小于鋼筋混凝土管。采用PE管可以提高管道的輸水能力，但并不能很明顯地降低管道設(shè)計坡度，因此，設(shè)計人員在設(shè)計時一定要對此有清醒的認識，不要認為塑料管的摩阻小就可以大大降低管道設(shè)計坡度。(5) 小管徑最小設(shè)計坡度較大,大管徑最小設(shè)計坡度較小，而陜北溝壑區(qū)城市地形特點往往是流域上游地形坡度大,下游地勢平坦，因此，應(yīng)充分利用地勢特點設(shè)計雨水管道。(6) 最小設(shè)計流速與坡度的合理值為:當(dāng)采用塑料管時，42002000管道最小設(shè)計流速1.22.3m/s。當(dāng)采用鋼筋混凝土管

12、時，為1.01.8m/s。Q2002000管道的最小設(shè)計坡度在1%。9%。,管徑越小,最小設(shè)計坡度越大,反之亦然。4結(jié)語陜北溝壑區(qū)管道泥沙具有含量高等特點，最小設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度應(yīng)高于現(xiàn)行的排水管道設(shè)計流速和最小設(shè)計坡度值，考慮到工程施工、運行管理與造價等因素，在坡度敷設(shè)有困難時，在設(shè)計時需要考慮有效的防止管道中泥沙淤積的措施，如設(shè)置沉泥井、改善出水口設(shè)計、設(shè)置合理的雨水算、適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置鋼絲網(wǎng)、設(shè)置水力沖刷裝置等，因此，需要加強防淤和清淤方面的研究工作。參考文獻1鄧培德.城市排水溝道中泥沙運動流速分析.給水排水,2000,26(6)：1922VerbanckMA.AshleyRM.Bac

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