雨水排水系统的水力计算.pps

第6章 建筑屋面雨水排水系统,6.3 雨水排水系统的水力计算,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.1 雨水量计算,屋面雨水排水系统雨水量的大小是设计计算雨水排水系统的依据，其值与该地暴雨强度q、汇水面积F以及径流系数有关，屋面径流系数一般取0.9。,设计暴雨强度公式中有设计重现期P和屋面集水时间t两个参数。设计重现期应根据建筑物的重要程度、气象特征确定，一般性建筑物取25年，重要公共建筑物不小于10年。由于屋面面积较小，屋面集水时间应较短，因为我国推导暴雨强度公式实测降雨资料的最小时段为5min，所以屋面集水时间按5min计算。,1设计暴雨强度 q,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.1 雨水量计算,屋面雨水汇水面积较小，一般按m2计。对于有一定坡度的屋面，汇水面积不按实际面积而是按水平投影面积计算。考虑到大风作用下雨水倾斜降落的影响，高出屋面的侧墙，应附加其最大受雨面正投影的一半作为有效汇水面积计算。窗井、贴近高层建筑外墙的地下汽车库出入口坡道应附加其高出部分侧墙面积的二分之一。同一汇水区内高出的侧墙多于一面时，按有效受水侧墙面积的12折算汇水面积。,2汇水面积 F,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.1 雨水量计算,雨水量可按以下两个公式计算：,3.雨水量计算公式,（6-1）,（6-2）,式中 径流系数，屋面取0.9；Q 屋面雨水设计流量，L/s；F 屋面设计汇水面积，m2；qs 当地降雨历时5min时的暴雨强度，L/s 104m2；hs 当地降雨历时5min时的小时降雨深度，mm/h；,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,雨水斗的泄流量与流动状态有关，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,1.雨水斗泄流量,式中 Q 通过雨水斗的泄流量，m3/s；雨水斗进水口的流量系数，取0.45；D雨水斗进水口直径，m；h雨水斗进水口前水深，m。,（6-3）,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,在半有压流和压力流状态下，排水管道内产生负压抽吸，所以通过雨水斗的泄流量与雨水斗出水口直径、雨水斗前水面至雨水斗出水口处的高度及雨水斗排水管中的负压有关：,式中 Q 雨水斗出水口泄流量，m3/s；雨水斗出水口的流量系数，取0.95；d雨水斗出水口内径，m；H雨水斗前水面至雨水出水口处的高度，m；P雨水斗排水管中的负压，m。,（6-4）,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,各种类型雨水斗的最大泄流量可按表6-1选取。,雨水斗最大泄流量（L/s）表6-1,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.2 系统计算原理与参数,87式多斗排水系统中，一根悬吊管连接的87式雨水斗最多不超过4个，离立管最远端雨水斗的设计流量不得超过表中数值，其他各斗的设计流量依次比上游斗递增10。,屋面天沟为明渠排水，天沟水流流速可按明渠均匀流公式计算,2.天沟流量,（6-5）,（6-6）,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,式中 Q 天沟排水流量（m3/s）；v流速（m3/s）；n天沟粗糙度系数，与天沟材料及施工情况有关，见表6.3.2；I天沟坡度，不小于0.003；w天沟过水断面积，（m2）,各种抹面天沟粗糙度系数 表6-2,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.2 系统计算原理与参数,横管包括悬吊管、管道层的汇合管、埋地横干管和出户管，横管可以近似地按圆管均匀流计算：,3.横管,（6-7）,（6-8）,Q=v,式中 Q 排水流量（m3/s）；v管内流速(ms)，不小于0.75m/s，埋地横干管出建筑外墙进入室外雨水检查井时，为避免冲刷，流速应小于1.8ms。管内过水断面积(m2)；,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,n粗糙系数；塑料管取0.010，铸铁管取0.014，混凝土管取0.013；R水力半径(m)，悬吊管按充满度h/D=0.8计算，横干管按满流计算；I水力坡度；重力流的水力坡度按管道敷设坡度计算，金属管不小于0.01，塑料管不小于0.005；重力半有压流的水力坡度与横管两端管内的压力差有关，按下式计算：,式中 I水力坡度；h横管两端管内的压力差，(mH2O)，悬吊管按其末端（立管与悬吊管连接处）的最大负压值计算，取0.5m，埋地横干管按其起端（立管与埋地横干管连接处）的最大正压值计算，取1.0m；,（6-9）,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,h位置水头，(mH2O)，悬吊管是指雨水斗顶面至悬吊管末端的几何高差(m)，埋地横干管是指其两端的几何高差(m)；L横管的长度(m)。：,将各个参数代入6-7和6-8式，计算出不同管径、不同坡度时非满流（h/D0.8）横管（铸铁管、钢管、塑料管）和满流横管（混凝土管）的流速和最大泄流量，见附录6-1、附录6-2、附录6-3。横管的管径根据各雨水斗流量之和确定，并宜保持管径不变。,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,重力流状态下雨水排水立管按水膜流计算,4.立管,式中Q立管排水流量，（L/s）；Kp粗糙高度，（m），塑料管取1510-6 m，铸铁管取2510-5 m。充水率，塑料管取0.3，铸铁管取0.35。d管道计算内径（m）,（6-10）,重力流立管最大允许流量见附录6-4 重力半有压流系流状态下雨水排水立管按水塞流计算，,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,重力半有压流系统除了重力作用外，还有负压抽吸作用，所以，重力半有压流系统立管的排水能力大于重力流，其中，单斗流系统立管的管径与雨水斗口径、悬吊管管径相同，多斗系统立管管径根据立管设计排水量按表6-3确定。,重力半有压流立管的最大允许泄流量 表6-3,铸铁管充水率0.570.35，小管径取大值，大管径取小值。,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,压力流（虹吸式）系统的连接管、悬吊管、立管、埋地横干管都按满流设计，管道的沿程阻力损失按海森威廉公式计算。,5.压力流（虹吸式）,沿程阻力损失计算,（6-11）,式中R单位长度的阻力损失，KPam；Q流量，Lmin；Dj管道的计算内径，m,内壁喷塑铸铁管塑膜厚度为0.005m。,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,管件的局部阻力损失应按下式计算,C海森威廉系数，塑料管：C130，内壁喷塑铸铁管：C110，钢管C120，铸铁管：C100。常用的内壁喷塑铸铁管水力计算表见附录6-5,局部阻力损失计算,式中 hj管件的局部阻力损失KPa;v流速，m/s；管件局部阻力系数，见表6.3.4,（6-12）,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,管件局部系数 表6-4,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.2 系统计算原理与参数,管路的局部阻力损失可以折算成等效长度，按沿程水头损失估算,阻力损失估算,式中 L0等效长度，m;L设计长度，m；k考虑管件阻力引入的系数：钢管、铸铁管k1.21.4，塑料管k1.41.6,（6-13）,L0=k L,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,计算管路单位等效长度的阻力损失可按下式计算,式中 R0计算管路单位等效长度的阻力损失，Kpa/m；E系统可以利用的最大压力，Kpa；H雨水斗顶面至雨水排出口的几何高差，m;L0计算管路等效长度，m。,悬吊管单位等效长度的阻力损失按下式计算,（6-14）,计算管路阻力损失估算,悬吊管阻力损失估算,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,式中 RX0悬吊管单位等效长度的阻力损失，Kpa/m；Pmax最大允许负压值，Kpa；H雨水斗顶面至雨水排出口的几何高差，m;L0悬吊管等效长度，m。,管内压力,（6-15）,由于雨水在管道内流动过程中的水头损失不断增加，横向管道的位置水头变化微小，而立管内的位置水头增加很大，,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,所以，系统中不同断面管内的压力变化很大，为使各个雨水斗泄流量平衡，不同支路计算到某一节点的压力差不大于510 Kpa。系统某断面处管内的压力按下式计算,Pi9.8Hi(Vi2/2+hi),（6-16）,式中 Pii断面处管内的压力，KPa；Hi雨水斗顶面至i断面的高度差，m；Vii断面处管内流速，ms；hi雨水斗顶面至i断面的总阻力损失，Kpa,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,压力流(虹吸式)雨水排水系统的最大负压值在悬吊管与总立管的连接处。为防止管道损坏，选用铸铁管和钢管时，系统允许的最大负压值为90 KPa，选用塑料管时，小管径（de=50150mm）允许的最大负压值为80 Kpa，大管径（de=200300mm）允许的最大负压值为70 Kpa。,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,排水管系统的总水头损失与排水管出口速度水头之和应小于雨水斗天沟底面至排水管出口的几何高差，其压力余量宜稍大于10KPa。系统压力余量为,系统的余压,P=9.8H(Vn2/2+hn),（6-17）,式中 P压力余量，KPa；Vn2雨水管出口的管道流速，ms；H雨水斗顶面与排水管出口的高差，m；hn雨水斗顶面到雨水管出口处系统的总阻力损失，KPa。,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,压力流雨水排水管道系统内的流速和压力直接影响着系统的正常使用，为使管道有良好的自净能力，悬吊管的设计流速不宜小于1ms，立管的设计流速不宜小于2.2ms，系统的最大流速通常发生在立管上，为减小水流动时的噪音，立管的设计流速宜小于6ms，最大不大于10ms。系统底部的排出管的流速小于1.8ms，以减少水流对检查井的冲击。,管内流速,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,溢流口的功能主要是雨水系统事故时排水和超量雨水排除。按最不利情况考虑，溢流口的排水能力应不小于50年重现期的雨水量。溢流口的孔口尺寸可按下式近似计算。,6.溢流口计算,（6-18）,式中 Q溢流口服务面积内的最大降雨量(Ls)；b溢流口宽度(m)；h溢流孔口高度(m)；m流量系数，取385；g重力加速度(ms2)，取9.81。,6.3雨水排水系统的水力计算,根据屋面坡度和建筑物立面要求，布置立管，立管间距812米；计算每根立管的汇水面积；求每根立管的泄水量；按堰流式斗雨水系统查附录6-4确定立管管径。,1.普通外排水系统(宜按重力无压流系统设计),6.3.3 设计计算步骤,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,天沟外排水系统的设计计算主要是配合土建要求，确定天沟的形式和断面尺寸，校核重现期。为了增大天沟泄流量，天沟断面形式多采用水力半径大、湿周小的宽而浅的矩形或梯形，具体尺寸应由计算确定。,为了排水安全可靠，天沟应有不小于100mm的保护高度，天沟起点水深不小于80mm。对于粉尘较多的厂房，考虑到积灰占去部分容积，应适当增大天沟断面，以保证天沟排水畅通。天沟的设计计算有两种情况，一种是已经确定天沟的长度、形状、几何尺寸、坡度、材料和汇水面积，校核重现期是否满足要求。,2.天沟外排水(宜按重力半有压流系统设计),计算过水断面积；求流速V；求天沟允许通过的流量Q允；计算汇水面积F；由 求5min的暴雨强度q5；求计算重现期P计，若计算重现期P计大于等于设计重现期P设，确定立管管径；若计算重现期P计小于设计重现期P设，改变天沟几何尺寸，增大过水断面积，重新计算校核重现期。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,其设计计算步骤为：,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,确定分水线求每条天沟的汇水面积F；求5分钟的暴雨强度q5；求天沟设计流量Q设；初步确定天沟形状和几何尺寸；求天沟过水断水面积；求流速V；求天沟允许通过的流量Q允；,另一种是已知天沟的长度、坡度、材料、汇水面积和设计重现期，设计天沟的形状和几何尺寸，,其设计计算步骤为：,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,若天沟的设计流量Q设小于等于天沟允许通过的流量Q允，确定立管管径；若天沟的设计流量Q设大于天沟允许通过的流量Q允，改变天沟的形状和几何尺寸，增大天沟的过水断水面积，重新计算。,某一般性公共建筑全长90m，宽72m。利用拱型屋架及大型屋面板构成的矩形凹槽作为天沟，向两端排水。每条天沟长45m，宽B0.35m，积水深度H0.15m，天沟坡度I0.006，天沟表面铺设豆石，粗糙度系数n0.025。屋面径流系数0.9，天沟平面布置见图6-10。根据该地的气象特征和建筑物的重要程度，设计重现期取4年，5min暴雨强度为243(Ls104m2)，验证天沟设计是否合理，选用雨水斗，确定立管管径和溢流口的泄流量。,【例6-1】,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,解.天沟过水断面积BH=0.350.150.0525（m2）.天沟的水力半径.天沟的水流速度.天沟允许泄流量.每条天沟的汇水面积,图6-10,.天沟的雨水设计流量 天沟允许泄流量大于雨水设计流量，满足要求。.雨水斗的选用按重力半有压流设计，查表6-3选用150mm87式雨水斗，最大允许泄流量32（L/s），满足要求。.立管选用 按每根立管的雨水设计流量17.71 L/s查表6-3，立管可选用100mm。但单斗系统雨落水管管径不得小于雨水斗口径，所以，雨落水管选用150mm。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.溢流口计算 在天沟末端山墙上设溢流口，溢流口宽取0.35m，堰上水头取0.15m,溢流口排水量 溢流口排水量大于雨水设计流量，即使雨水斗和雨落水管被全部堵塞，也能满足溢流要求，不会造成屋面水淹现象。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,重力流和重力半有压流内排水设计计算的内容包括选择布置雨水斗，布置并计算确定连接管、悬吊管、立管、排出管和埋地管的管径。其中，合理选择雨水斗的规格，确定雨水斗的具体位置和数量十分重要。为了简化计算，迅速确定雨水斗的规格和数量，将雨水斗的最大允许泄流量换算成不同小时降雨厚度h5情况下最大允许汇水面积。由(6-2)式可得：,（6-18）,3.重力流和重力半有压流内排水系统,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,径流系数0.9，将表6-1的雨水斗最大允许泄流量带入上式，可得雨水斗最大允许汇水面积表，见附录6-6。,根据建筑物内部墙、梁、柱的位置，屋面的构造和坡度划分为几个系统，确定立管的数量和位置；根据各个系统的汇水面积，查附录6-6确定雨水斗的规格和数量；确定连接管管径，连接管管径与雨水斗出水管管径相同。对于单斗系统，悬吊管、立管、排出横管的管径均与连接管管径相同；,重力流和重力半有压流内排水系统具体的设计步骤为：,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,计算悬吊管连接的各雨水斗流量之和，确定（重力流）或计算（重力有压流）水力坡度，查附录6-1或附录6-2，确定悬吊管的管径，悬吊管的管径宜保持不变。计算立管连接的雨水斗泄流量之和，查立管最大允许泄流量表确定立管管径，当立管只连接一根悬吊管时，因立管管径不得小于悬吊管管径，所以立管管径与悬吊管管径相同。排出管管径一般与立管管径相同，如果为了改善整个雨水排水系统的泄水能力，排出管也可以比立管放大1级管径。计算埋地干管的设计排水量，确定（重力流）或计算（重力有压流）水力坡度，为保障排水通畅，埋地管坡度应不小于0.003，查附录6-3确定埋地横干管的管径。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,某多层建筑雨水内排水系统见图6-11，每根悬吊管连接3个雨水斗，每个雨水斗的实际汇水面积为378m2。设计重现期为2年，该地区5min降雨强度401L/s104m2。选用87式雨水斗，采用密闭式排水系统，设计该建筑雨水内排水系统。,图6-11 内排水系统计算草图,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,解.雨水斗的选用该地区5min小时降雨深度h5=4010.36144.36 mmh查附录4-6，选用口径D1=100mm的87式雨水斗，每个雨水斗的泄流量,.连接管管径D2与雨水斗口径相同，D2=D1=100mm,(L/s),.悬吊管设计每根悬吊管设计排水量悬吊管的水力坡度查悬吊管水力计算表（附录6-1），悬吊管管径D3=200mm，悬吊管不变径。.立管只连接一根悬吊管，立管管径D4与悬吊管管径相同，D4=D3=200mm。.排出管管径D5与立管相同,D5=D4,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.埋地干管按最小坡度0.003铺设，埋地干管总长 L=183+1165 m埋地干管的水力坡度埋地干管选用混凝土排水管，查满流横管水力计算表（附录6-3），管段12的管径与立管相同为200mm,管段23的管径300mm,管段34和45的管径均为350mm。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.计算屋面总的汇水面积；.计算总汇水面积上的暴雨量；.确定雨水斗的口径和数量；.布置雨水斗，组成屋面雨水排水管网系统；.绘制水力计算草图，标注各管段的长度，雨水斗、悬吊管和埋地干管起端与末端的标高；.估算计算管路的单位等效长度的阻力损失.估算悬吊管的单位管长的阻力损失。,4.压力流（虹吸式）雨水系统设计计算步骤,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.初步确定管径。根据最小允许流速Vmin和悬吊管的单位管长的阻力损失RX0查附录6-5虹吸式雨水管道水力计算表，初步确定悬吊管管径。立管与排出管管径可采用相应的控制流速初选管径，立管管径一般可比悬吊管末端管径小一号。.列表进行水力计算求出各管段的沿程水头损失、局部水头损失、位置水头、各节点的压力。.校核 系统的最大负压值（悬吊管与立管连接处）；不同支路计算到某一节点的压力差；,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,系统出口压力余量。若不满足，则应对系统中某些管段的管径进行调整，必要时有可能对系统重新布置，然后再次进行水力计算，直至满足为止。.按最后结果绘制正式图纸。,某建筑屋面长100m,宽60m,面积为F6000m2，悬吊管标高12.6m，设雨水斗的屋面标高13.2m,排出管标高1.30m。屋脊与宽平行，取设计重现期P5a，5分钟暴雨强度429L/s104m2，管材为内壁涂塑离心排水铸铁管,设计压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,解：.屋面设计雨水量 Q=Fq5/10000=0.96000429/10000=231.66 L/s.雨水斗数量及布置 选用75mm压力流(虹吸式)雨水斗，单斗的排水量Q12 L/s，所需雨水斗数量 n=Q/q=231.66/1219.31，取20个，每侧10只分成两个系统，每个系统5只，设计重现期略大于5a。雨水斗间距 X=L/10=60/10=6m雨水系统平面布置见图6-12，图6-13为水力计算草图。各管段的管长见表6-5。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.系统可利用的最大压力E9.8H=9.8(13.2+1.3)=142.1 KPa.计算管路的等效长度L0=1.2L=1.2(0.6+1.0+64+3+12.6+1.3+9.6)52.1m。,计算管路管道长度 表6-5,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.估算计算管路的单位等效长度阻力损失 R0=E/L0=142.1/52.1=2.727 KPa/m.估算悬吊管的单位管长的压力损失 系统最大负压发生在悬吊管与立管连接处，为了安全，系统最大负压值取70KPa,悬吊管等效长度 LX0=1.4LX=1.4(1.0+64+3)39.2m悬吊管的单位管长的压力损失 Rx=70/39.2=1.786KPa/m,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,.初步确定管径 根据最小流速的规定，参考悬吊管的单位管长的压力损失，查虹吸式雨水管段道水力计算表，初步确定管径，列表进行水力计算，见表6-6和表6-7。.由计算表可以看出，最大负压发生在节点8，负压值为40.032 KPa，小于最大允许负压值90 KPa。节点4、节点5、节点6、节点7处有支管汇入，4个节点的压力差分别为2.067、7.042、3.520、11.795 KPa，小于15 KPa，满足要求。排出管口余压为21.561 KPa，稍大于10 KPa，满足要求。.绘制正式系统图。,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,图6-14,图6-15,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,计算管路水力计算表 表6-6,6.3雨水排水系统的水力计算 6.3.3 设计计算步骤,支管水力计算表 表6-7,注：管段c-d-d-5与管段a-b-b-4相同，管段g-h-h-7与管段e-f-f-6相同。,下一章第7章 建筑内部热水供应系统,