水污染控制工程第二章.

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1、第二章第二章 排水管渠水力计算排水管渠水力计算 ( (Hydraulics Calculations in Ditch)Hydraulics Calculations in Ditch) 第一节 管道中的水流情况 第二节 污水管渠水力设计的原则 第三节 管渠水力计算基本公式 第四节 水力学算图 第五节 管渠水力设计主要参数 第六节 管段的衔接 第七节 管段水力计算 第八节 倒虹管水力计算 第一节 管渠中的水流情况 Water FlowWater Flow State in DitchState in Ditch 水流在管渠中流动时，水流上方是大气，具 有自由的表面，而其他三个方向受到管渠固体界

2、 面的限制，称明渠流或重力流。 管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。 第二节 污水管渠水力设计原则 Hydraulics DesignHydraulics Design Principles of Principles of Sewage DitchSewage Ditch 计算 确定 管径 坡度 高程 水力学计算要 满足下列要求 不溢流 不淤积 不冲刷管壁 通风 第三节 管渠水力计算基本公式 Hydraulics CalculationHydraulics Calculation Basic Formula in DitchBasic Formula in Ditch 设计

3、管段是相邻的两个窨井间的管段。 当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时 ，可以合并为一条设计管段。 流量公式： 流速公式： Q设计管段的设计流量， m3/s； A设计管段的过水断面面 积，m2 ； v设计管段过水断面的平均 流速，m/s ； R水力半径（过水断面面 积与湿周的比值），m ； I水力坡度（即水面坡度， 也等于管底坡度i） ； n管壁粗糙系数。 第四节 水力学算图 Hydraulics ChartHydraulics Chart 水力学算图有不满流圆形管道水力学算图 、满流圆形管道水力学算图、满流矩形管渠水 力学算图和明渠流用的水力学算图等。 例 2-1 已知n0.014，D30

4、0mm，i 0.0024，Q25.5L/s，求v和h/D。 解：（1） D300mm，采用教材中图2-2。 （2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，横 的代表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度， 从左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数字 代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度)上的数字 中找0.0024，从而找出代表i0.0024的横线。 （3）从横轴(表示流量)上找出代表Q25.5L/s的 那根竖线。 （4）代表坡度0.0024的横线和代表流量25.5L/s的 竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速 0.65m/s的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的 那根斜线上。因此求得v0.65m

5、/s，h/D0.55。 例 2-2 已知n0.014，D300mm， Q26L/s，i 0.003，求v和h/D。 解：（1）D300mm，采用教材图2-2 。 （2）找出代表Q26L/s的那根竖线。 （3） 找出代表i0.003的那根横线。 （4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表v 0.7m/s和v0.75m/s的两根斜线之间。假如有一根和 以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线 代表v=0.71m/s。求得v0.71m/s。 （5）这交点又落在代表h/D0.50和0.55两根斜线之 间，估计h/D0.52。于是，求得h/D0.52。 例 2-3 已知n0.014，D300mm，

6、Q 38L/s，v1.0m/s，求i和h/D。 解：（1） D300mm，采用教材图2-2 。 （2）找出代表Q38L/s的那根竖线。 （3）找出代表v1.0m/s的那根斜线。 （4）这两根线的交点落在代表i0.0057的横线 上，求得i0.0057。 （5）这交点又落在h/D0.53的斜线上，求得 h/D0.53。 第五节 管渠水力设计主要参数 HydraulicsHydraulics DesignDesign MainMain ParametersParameters in in DitchDitch 充满度示意 充满度 管渠中的水深h和管径D（或渠 深H）的比值。 一、设计充满度 管渠是

7、按不满流的情况进行设计的。在设计 流量下，管渠中的水深h和管径D（或渠深H）的 比值称为设计充满度。 0.751000 0.70500900 0.65350450 0.55200300 最大设计充满度(h/D或h/H)管径或渠高/mm 最大设计充满度 二、设计流速 设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流 速度。 污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明渠的最 小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为 5m/s，钢管为10m/s 。 防止淤积所需的管渠设计流速的最小限值同废 水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有 关。 各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐 渐增加的。 三、

8、 最小管径 污水管道的最小管径和最小设计坡度 管渠位置 最小管径/mm最小设计坡度i 在街坊和厂区内 2000.004 在街道下 3000.003 四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度 坡度和流速存在一定的关系( )，同 最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。 因设计流量很小而采用的最小管径的设计管 段称为不计算管段。 五、管道的埋设深度和覆土厚度 管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。 在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超过78m； 在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。 管道的覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。 决定最小覆土 厚度的因素 必须防止管道中的污水冰冻和因 土壤

9、冰冻膨胀而损坏管道 必须防止管壁被车辆造成的活荷 载压坏 必须满足支管在衔接上的要求 污水在管道中冰冻的可能与污水的水温和土壤的 冰冻深度等因素有关。 无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工 业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于 0.15m。 管顶最小覆土厚度一般不宜小于0.7m。 房屋排出管的最小埋深通常采用0.550.65m。 街管的最小覆土厚度可用下式计算： 式中：d街管的最小覆土厚度，m； h街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m； i街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度； L街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，m； h1街管窨井处地面高程，m； h2街区或厂区内的

10、污水管道起点窨井处地面高程，m。 第六节 管段的衔接 Link up Ditch SectionsLink up Ditch Sections 衔接原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减少埋深， 从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要； （2）避免在上游管段中形成回水而造成淤积； （3）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底 。 衔接 方法 管顶平接 水面平接 管底平接 下游管底高于上游管底 下游水位高于上游水位 不应 发生 第七节 管段水力计算 Ditch Section Hydraulics Ditch Section Hydraulics CalculationCalculation

11、 例 2-4 已知设计管段长度L为240m；地面坡度I为 0.0024；流量Q为40L/s，上游管段管径D300mm，充 满度h/D为0.55，管底高程为44.22m，地面高程为 46.06m，覆土厚度为1.54m。 求：设计管段的口径和管底高程。 解：由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段坡 度应尽量小于地面坡度以减少埋深。 （1）令D300mm， 查图，当D300mm， Q40L/s，h/D=0.55时 ，i0.0058I0.0024 ，不符合本题应尽量减 少埋深的原则；令v 0.6m/s时，h/D 0.900.55，也不符合要 求。 （2）令D350mm，查图，当D350mm，Q40L/s

12、， v0.6m/s时，h/D=0.660.65，不符合要求；令h/D=0.65 时， v0.61m/s 0.6m/s ，符合要求。此时i0.0015I 0.0024，比较合适。 采用管顶平接: 设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.35044.170(m) 设计管段的下端管底高程：44.170-240 0.0015 43.810(m) 检验： 44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。 上游管段下端水面高程： 44.220+0.300 0.5544.385(m) 设计管段上端水面高程： 44.170+0.65 0.35044.398(m) （3）令D400 m

13、m,查图,当D400mm，Q40L/s，v 0.6m/s时，h/D0.53，i0.00145。与D350mm相比 较，管道设计坡度基本相同，管道容积未充分利用，管道 埋深反而增加0.05m。另外，管道口径一般不跳级增加， 所以D350mm，i0.0015的设计为好。 （4）管底高程修正：采用水面平接。 上游管段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.5544.385(m) 设计管段的上端管底高程: 44.385-0.35 0.6544.158(m) 设计管段的下端管底高程: 44.158-240 0.001543.798(m) 例 2-5 已知设计管段长度L130m，地面坡度I 0.0014

14、，流量Q56L/s，上游管段口径D350mm， 充满度h/D0.59，管底高程为43.67m，地面高程为 45.48m。 求：设计管段的口径与管底高程。 解：覆土厚度为45.48-43.67-0.351.46m。离最小 覆土厚度允许值0.7m较大，因此设计时应尽量使设计 管段坡度小于地面坡度。 （1）令D350m，查图，当D350mm，Q 56L/s，v0.60m/s时，i0.0015，但h/D0.950.65 不合格。当h/D0.65时，v0.85m/s，i0.0030I 0.0014，不很理想。 （2）令D400mm，查图，当D400mm，Q56L/s ，v0.60m/s时，i0.0012

15、，但h/D0.700.65，不符合 规定；当h/D0.65时，i0.00145，v0.65m/s，符合要 求。管道坡度接近地面坡度I0.0014。 采用管顶平接: 设计管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.40043.620(m) 采用水面平接: 上游管段的下端水面 高程: 43.67+0.350 0.5943.877(m) 设计管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m) 设计管段下端管底高程: 43.650-130 0.003043.260(m) 设计管段的下端管底高程: 43.620-130 0.0014543.432(m) 施工高程： 43.43

16、(m) 检验： 上游管段下端水面高程：43.877(m) 43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端管底 施工高程略低于计算值)。 设计管段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第 二答案便宜；但是，后面的管道都将落下0.172m。假 如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假 如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度 大于0.7m较多时，宜采用第二答案。 例 2-6 已知L190m，Q66L/s，I0.008(上端 地面高程44.50m，下端地面高程42.98m)，上游管段D 400m，和h/D0.61，其下端管底高程为43.40m，覆 土厚度0.7m