第五节 小城镇雨水工程系统规划
我国地域辽阔，气候差异大，年降水量分布很不均匀，从东南向西北呈递减趋势。雨水管渠系统的任务是及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流，防止城镇居住区和工业企业受淹，以保证城镇、工厂和人民生命财产的安全和正常的生活秩序。雨水管渠系统是由雨水口、雨水管渠、检查井、出水口等构筑物所组成的一整套工程设施。
一、小城镇雨水工程系统的布置（一）雨水工程系统规划原则
为防止暴雨径流的危害，设计人员应深入现场进行调查研究，踏勘地形，了解排水走向，搜集当地的设计基础资料，作为选择设计方案及设计计算的可靠依据。雨水管渠系统布置时应遵循以下原则。
（1）充分利用地形，就近排入水体。规划雨水管线时，首先按地形划分排水区域，再进行管线布置。雨水管渠应尽量利用自然地形坡度，以最短的距离靠重力流排入附近的水体中去。根据分散和便捷的原则，雨水管渠布置一般都采用正交式布置。一般情况下，当地面坡度较大时，雨水干管宜布置在地形较低处或溪谷线上；当地形平坦时，雨水干管宜布置在排水流域的中间，以便尽可能扩大重力流排除雨水的范围。
（2）尽量避免设置雨水泵站。由于暴雨形成的径流量大，雨水泵站的投资也很大，而且雨水泵站一年中运行时间短，利用率低。因此，应尽可能利用地形，使雨水靠重力流排入水体，不设置泵站。但在某些地形平坦、区域较大或受潮汐影响的城镇，不得不设置雨水泵站的情况下，要把经过泵站排泄的雨水径流量减少到最小限度。
（3）结合街区及道路规划布置。道路通常是街区内地面径流的集中地，所以道路边沟最好低于相邻街区地面标高，尽量利用道路两侧边沟排除地面径流，在每一集水流域的起端100～500m可以不设雨水管渠。雨水管渠应沿道路敷设，但是干管不宜设在交通量大的干道下，以免积水时影响交通。雨水干管应设在排水区的低处道路下。干管在道路横断面上的位置最好位于人行道下或慢车道下，以便检修。
从排水地面径流的要求而言，道路纵坡应控制在0.3%～6%范围内。
（4）结合城镇竖向规划。进行城镇竖向规划时，应充分考虑排水的要求，以便能合理利用自然地形就近排出雨水，还要满足管道埋设最不利点和最小覆土要求。另外，对竖向规划中确定填方或挖方地区，雨水管渠布置必须考虑今后地形变化，进行相应处理。
（5）雨水管渠采用明渠或暗管应结合具体条件确定。一般在城镇市区，建筑密度较大，交通频繁地区，均采用暗管排雨水，尽量造价高，但卫生情况较好，养护方便；在城镇郊区或建筑密度低、交通量小的地方，可采用明渠，以节省工程费用，降低造价。在受到埋深和出口深度限制的地区，可采用盖板明渠排除雨水。
（6）合理开辟水体。规划中应利用小城镇中的洼地、池塘和水体，或有计划的开挖一些池塘，以便储存因暴雨量大时雨水管一时排除不了的径流量，避免地面积水。调蓄水体的布置应与城镇总体规划时相协调，把调蓄水体与景观规划、消防规划结合起来，起到游览、休闲、娱乐、消防贮备用水的作用，在缺水地区，可以把贮存的水量用于市政绿化和农田灌溉。若调蓄水体的汇水面积较大或呈狭长形时，应尽量纵向延伸，与城镇内河结合，接纳城镇雨水。没有调蓄水体时，城镇雨水应尽量高水高排，以减少雨洪量的蓄集。也可以在公园、校园、运动场、广场、停车场、花坛下修建雨水人工贮留系统，使所降雨水尽量多地分散贮留。
（7）城镇靠近山麓建设的主城区、居住区、工业区等，除了应设雨水管道外，尚应考虑在规划地区周围或超过规划区设置排洪沟，以拦截从分水岭以内排泄下来的洪水，使之排入水体，保证避免洪水的损害。
（二）雨水工程系统规划内容
降落至地面上的雨水，部分被植物截流、渗入土壤和填充洼地，其余部分沿地面流入雨水管渠和水体，这部分雨水称为地面径流。雨水径流的总量并不大，但全年雨水绝大部分常在极短时间内倾泻而下，形成强度猛烈的暴雨，若不能及时排除，便会造成巨大的危害。雨水管渠系统的任务就是及时排除暴雨形成的地面径流。
城镇雨水管渠系统的主要内容有：确定或选用当地暴雨强度公式；确定排水流域与排水方式，进行雨水管渠的定线；确定雨水泵房、雨水调节池、雨水排放口的位置；决定设计流量计算方法与有关参数；进行雨水管渠的水力计算，确定管渠尺寸、坡度、标高及埋深等。
二、雨水管渠水力计算
（一）雨水管渠设计流量的确定1.暴雨强度公式
雨水落到地面，由于地表覆盖情况的不同，一部分渗透到地下，一部分蒸发到大气中，一部分被植物和地面洼地截流，而余下的雨水沿地面的自然坡度形成地面径流进入附近的雨水口，并在管渠内继续流动，通过出水口排入附近的水体，所以如何合理地确定雨水设计流量是设计雨水管渠的重要内容。为此，应该对降雨资料进行统计和分析，找出表示暴雨特征的降雨历时、降雨强度与降雨重现期之间的关系，作为雨水管渠设计的依据。
降雨量是降雨的绝对量，用深度h（mm）表示。降雨强度指某一连续降雨时段内的平均降雨量，用i表示。即
i=h/t
（4 13）
式中：i为降雨强度，mm/min；t为降雨历时，即连续降雨的时段，min；h为相应于降雨历时的降雨量，mm。
降雨强度也可以用单位时间内单位面积上的降雨体积q0 [L/（s·hm2）]表示。q0和i的关系如下
q0=1×1100000××6100000i=16.7i
（4 14）
在设计雨水管渠时，假定降雨在汇水面积上均匀分布，并选择降雨强度最大的雨作为设计根据，根据当地多年（至少10年以上）的雨量记录，可以推算出暴雨强度的公式。按照规范，暴雨公式一般采用下列形式
q=167Ai（1+c1gp）
（4 15）
（t+b）n
式中：q为暴雨强度，L/（s·hm2）；p为重现期，年；t为降雨历时，min；Ai，c，b为
地方参数，由设计方法确定。
2.重现期
雨水管渠的设计应该按若干年出现一次的最大降雨量为依据来确定雨水设计流量。降雨重现期是指相等的或更大的降雨强度发生的时间间隔的平均值，一般以年为单位。如果按重现期为5年的降雨强度设计雨水管渠，雨水管渠平均5年满流或溢流一次。降雨强度随着重现期的不同而不同。在雨水管渠设计中，如果选用较高的设计重现期，计算所得的设计降雨强度大，管渠断面尺寸就会大。这样的安全性能高，但会增加工程造价，而平时管渠又不能充分发挥作用。若取值过小，一些重要地区如中心区、干道则会遭受暴雨积水损害。规范规定，一般地区重现期为1～3年，重要地区重现期为3～5年。进行雨水管渠规划时，同一管渠不同的重要性地区可选用不同的重现期（表417）。
表4 17
降雨重现期（年）
注“地形分级”与“地面坡度”是地形条件的两种分类标准，符合其中的一种情况，即可按表选用。如两种不利情
况同时占有，则宜选用表内数据的高值。
3.集水时间
连续降雨的时段称为降雨历时，降雨历时可以指全部降雨的时间，也可以指其中任一时段。当降雨历时等于集水时间时，雨水流量最大。因此，设计中通常用汇水面积最远点雨水流到设计断面时的集水时间作为设计降雨历时。对管道的某一设计断面，集水时间t由两部分组成：从汇水面积最远点流到第一个雨水口的地面积水时间t1，和从雨水口流到设计断面的管内雨水流行时间t2。可用公式表示为
t=t1+mt2
（4 16）
式中：t1受地形、地面铺砌、地面种植情况和街区大小等因素的影响，一般为5～15min；m为折减系统，规范中规定，管道用2，明渠用1.2；t2为雨水在上游管段内的流行时间。
t2=∑6L0v（min）
（4 17）
式中：L为上游各管段的长度，m；v为上游各管道的设计流速，m/s。
4.径流系数
降落在地面上的雨水，一部分被植物和地面的洼地截留，一部分深入土壤，余下的一部分沿地面流入雨水管渠，这部分流进雨水管渠的雨水量称为径流量。径流量与降雨量的比值称为径流系数，其表达式为
ψ=∑∑ffiψii
（4 18）
式中：f为汇水面积上各类地面的面积；ψi为相应于各类地面的径流系数。
对城镇径流也可以参考表418，综合系数可以参考表419。
表4 18
径流系数
表4 19
综合径流系数
5.雨水管渠设计流量公式
在确定了降雨强度i（mm/min）或q[L/（s·ha）]、径流系数ψ后，再知道设计管
段的排水面积F（ha），就可以计算管段的设计流量为
Q=166.7fiψi=ψFq
（4 19）
（二）雨水管渠系统的设计和计算1.雨水管道计算的设计规定
雨水管道一般采用圆形断面，但当直径超过2m时，也可采用矩形、半椭圆形或马蹄形。明渠一般采用矩形或梯形。为保证雨水管渠正常工作，避免发生淤积、冲刷等情况，规范对有关设计数据作了规定。
（1）设计充满度为1，即按满流计算。明渠则应有不小于0.2m的超高。街道边沟应有不小于0.03m的超高。
（2）设计流速。满流时管道内最小设计流速不小于0.75m/s。起始管段地形平坦，最小设计流速不小于0.6m/s。最大允许流速同污水管道。明渠最小设计流速不得小于0.4m/s，最大允许流速根据灌渠材料确定。
（3）最小管径和最小设计坡度。雨水支干管最小管径300mm，相应最小设计坡度0.002；雨水口连接管最小管径200mm，设计坡度不小于0.01。梯形明渠底宽最小0.3m。
（4）覆土深度与埋深。最小覆土深度在车行道下一般不小于0.7m；在冰冻深度小于0.6m的地区，可采用无覆土的地面式暗沟；最大埋深与理想埋深同污水管道。明渠应避免穿过高地。
（5）管道在检查井内连接，一般用管顶平接。不同断面管道必要时也可采用局部管段管底平接。
雨水管渠水力计算仍按均匀流考虑，水力计算公式基本上与污水管道相同，但按满流即h/D=1计算。工程设计中，通常在选定管材后n为已知值，混凝土和钢筋混凝土雨水管道的管壁粗糙系数n一般采用0.013。Q、v、i、D的对应关系可据满流圆形管道水力计算图查得，也可以通过软件计算求得。
2.雨水管渠的设计步骤
（1）根据小城镇规划和排水区的地形，在规划图上布置管渠系统，管道规划设计平面定位。
（2）确定井位，确定各段管渠的汇水面积和水流方向，绘制水力计算简图。将计算面积及各段长度填写在计算简图中。各支线汇水面积之和应等于相应干管所服务的总汇水面积。
（3）确定控制点；依据地形等高线，标出设计管段起讫点的地面标高，准备进行水力计算。（4）按排水区域内的地面性质确定各类地面径流系数，确定设计标准参数（设计降雨重
现期P，地面汇流时间t1，设计径流系数ψ）；按加权平均方法求整个排水区的平均径流量。
（5）根据街坊面积大小、地面种类、坡度、覆盖情况以及街坊内部雨水管渠的完善情况确定起点地面集水时间。
（6）根据区域性质、汇水面积、地形即管渠溢流后的损失大小等因素，确定设计重现期。（7）根据降雨强度公式，绘制单位径流量ψq与设计降雨历时t关系曲线。
（8）列表进行水力计算，确定管渠断面尺寸，纵向坡度、流速，管渠底标高、埋深等，并绘制纵坡面图。雨水管渠水力计算与设计方法可参照污水管渠进行。
（9）根据水力计算的结果，绘制雨水管道平面图，纵断面图。3.计算案例
某居住区地形西高东低，东面有一自南向北流的天然河流，河流20年一遇的洪水位为14m，常水位12m，见图419。该小城镇的暴雨强度q，其计算为
q=500（1+1.381gP）
[L/（s·104m2 ）]
t0.68
要求布置雨水管道并进行干管的水力计算。
图419 雨水管平面布置及汇水面积划分
（1）定线：根据管道的具体位置，划分设计管道，将设计管段的检查井依次编上号码，每一设计管段所承担的汇水面积按就近排入附近雨水管道的原则划分。将每块汇水面积的编号，面积数，雨水流向标注在图中。
（2）出水口位置：雨水出水口位于河岸边，故雨水干管的走向为自西向东。考虑到河流的洪水位高于该地区地面的平均标高，雨水有可能在洪水位时不能靠重力排入河流，因此在干管的终端设置雨水泵站。
（3）设计参数确定：已知该小城镇的暴雨强度公式为
q0=ψq=0.5×500（1t+0.16.5381gP）[L/（s·104m2）]
由于市区内建筑分布情况差异不大，可采用统一的平均径流系数值。经计算，平均径
流系数ψ=0.5。
t=t1+mt2，地面集水时间采用t1=10min，m=2。
汇水面积设计重现期用P=1年。
管道起点埋深采用1.30m。列表进行干管的水力计算，见表420。（4）水力计算说明。
1）表420中第1列为需要计算的设计管段，从上游至下游依次写出。表中第2、3、13、14列均已知，其余计算后可求得。
2）计算中假定管段的设计流量均从管段的起点进入，即各管段的起点为设计断面。因此，各管段的设计流量是按该管段起点，即上游管段终点的设计降雨历时（集水时间）进行计算的。也就是说在计算各设计管段的暴雨强度时，用的t2值应按上游各管段的管内雨水流行时间之和求得。如管段1—2，是起始管段，故t2=0，将此值列入表中第4列。
3）根据确定的设计参数，求单位面积径流量。q0为管内雨水流行时间的函数，只要知道各设计管段内雨水流行时间，即可求出该管段的单位面积径流量。如管段1—2的
t2=0，代入上式得q0=55.98[L/（s·104m2 ）]，而管段5—9的
t2=t1-2+t2-3+t3-5=3.29+1.98+1.98=7.25（min）
代入上式得
q0=31.25[L/（s·104m2 ）]
将值q0列入表中第6列。
4）用各设计管段的单位面积径流量乘以该管段的总汇水面积得设计流量。如管段1—2的设计流量为
Q=55.98×1.69=94.58（L/s）
并将此值列入表中第7列。
（5）在求得设计流量后，即可进行水力计算，求管径、管道坡度和流速，再查水力计算图或者使用软件进行计算，Q、V、I、D几个水力因素可以相互适当调整，使计算结果既符合水力计算设计数据的规定，又经济合理。此处，计算采用钢筋混凝土圆管（满流，
n=0.013）进行计算。
将确定的管径、坡度、流速各值列入表中第8、9、10列。第11列管道的输水能力Q′是指在水力计算中管段在确定的管径、坡度、流速的条件下，实际通过的流量。该值等于或略大于设计流量Q。
（6）根据设计管段的设计流速，求本管段的管内雨水流行时间t2。例如管段1—2的表
算
计
力
水
道
管
水
雨
0
2
4
表
管内雨水流行时间，t2=150/（0.76×60）=3.29（min），将该值列入表格中第5列，此
值便是下一个管段2—3的∑t2值。
（7）管段长度乘以管段坡度得到该管段起点与终点之间的高差，即降落量。如管段
1—2的降落量i×L=0.0021×150=0.315（m），列入表中12列。
（8）根据冰冻情况、雨水管道衔接要求及承受荷载的要求，确定管道起点的埋深或管底标高。本例起点埋深定为1.3m，将该值列入表中第17列。用起点地面标高减去该点管
道深埋得到该点管底标高，即14.030-1.30=12.730（m），列入表中第15列。用该值减去1、2两点的降落量得到终点2的管底标高，即12.730-0.315=12.415（m），列入表
中第16列。用2点的地面标高减去该点的管底标高得到该点的埋设深度，即14.060-
12.415=1.65（m），列入表中第18列。
雨水管道各设计管段在高程上采用管顶平接。
（9）在划分各设计管段的汇水面积时，应尽可能使各设计管段的汇水面积均匀增加，否则会出现下游管段的设计流量小于上一段管段各设计流量的情况，如管段16—17的设计流量小于上游管段12—16的设计暴雨强度。这是因为下游管段的集水时间大于上一管段的集水时间，而总汇水面积增加较少，根据暴雨强度公式可知下游管段的设计暴雨强度小于上一管段设计暴雨强度，管段流量反而偏小。若出现了这种情况，应取上一段管段的设计流量作为下游管段的设计流量。
（10）本例只进行了干管的水力计算，实际上在设计中，干管与支管是同时进行计算的。在支管与干管相接的检查井处，必然会出现两个∑t2值和两个管底标高值。再继续计算相交后的下一段管短时，应采用大的那一个∑t2值和小的那个管底标高值。
（11）绘制雨水干管平面图及纵剖面图。图420为初步设计的雨水干管平面图，剖面图略。
图420 初步设计的雨水干管平面图