水力学计算

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1、水污染控制工程,唐玉朝 安徽建筑工业学院环境工程系 E-mail: Department of Environmental Engineering, Anhui University of Architecture,第二章,排水管渠水力学计算,排水管渠水力计算,1. 管渠设计原则 2. 管渠水力计算公式 3. 水力学算图 4. 管渠水力设计参数 5. 管段的衔接 6. 管段水力计算 7. 倒虹管水力计算,1. 管渠设计原则,1. 管渠设计原则,1管渠水流概况 水流方向固定，由高向低，由小变大；雨水污水为重力流，但雨水有时会形成压力流。 2. 污水管渠设计原则要求 (A).不溢流:溢流导致污染环

2、境, 采用最大流量设计, 且不满流, 有余地; (B).不淤积: 淤积堵塞管渠, 有最低流速的限制; (C).不冲刷: 防损坏管渠, 有最大流速限制; (D).要通风: 污水管渠有害气体, 要及时通风散气.,1. 管渠设计原则,2. 雨水管渠设计原则要求 (A). 就近排入地面水体,减少管渠的设置:降低造价, 避免大面积收水,设计流量过大; (B). 不淤积,不冲刷: 防损坏管渠, 有最大流速限制; (C). 尽量避免设置雨水泵站: 雨水设计流量大,对系统运行冲击影响大. 比较雨水与污水的设计要求.,返回,2. 管渠水力计算基本公式,2. 管渠水力计算公式,设计管段一般不长, 在不长的管道中,

3、 水流量变化小, 设计中简化为均匀流公式. 关于设计管段.,1,2,3,4,2. 管渠水力计算公式,流量公式： 流速公式： ， Q设计流量, A过水断面, v管道水流平均流速, R水力半径, 即过水断面面积与湿周的比值, I水力坡度, 即水面的坡度, n为粗糙系数, 与管道所用材料有关, 一般多用0.014.,Q = Av,2. 管渠水力计算公式,排水管渠粗糙系数,返回,3. 水力学算图,3.水力学算图,管渠水力计算基本公式涉及到的水力学要素有6个, (流量Q,粗糙系数n, 流速v, 管径D, 充满度h/D, 水力坡度i )对于每个管段只有流量Q和粗糙系数n已知, 还需要确定2个要素才能确定其

4、他要素. 为了计算方便,可采用水力学算图. 不满流圆形、满流圆形、满流矩形、明渠水力学算图。 注意图中两条虚线的意义。,例题2-1：n=0.014，D=300，i=0.0024，Q=25.5L/s，求流速和充满度。 先确定算图, n=0.014，D=300的那一张.,3.水力学算图,例题2-1,再找出i=0.0024，Q=25.5L/s的交点， 得出： v=0.64 h/D=0.56,3.水力学算图,例题2-2，n=0.014，D=300，i=0.003，Q=26L/s，求流速和充满度。需要注意当交点不是正好在线上需要估计数值。 例题2-3，n=0.014，D=300，Q=38L/s，v=1.

5、0m/s，查图得到h/D=0.55, i=0.0055。,例题2-3,例题2-2,h/D= 0.55, i= 0.0055,h/D= 0.52, v= 0.71,3.水力学算图,例题: (1) n=0.014,D=350,i=0.0018,Q=36L/s,求h/D和v；0.58，0.63； (2) n=0.013,h/D=1,Q=200,i=0.0020，求D和v, D=600,v=0.89,h/D=0.58 v= 0.63,Q=200,i=0.0020;D=500,无解；,Q=200, D=500,i=0.0024,v=0.95；,Q=200, D=600,i=0.0009,v=0.68；,

6、3.水力学算图,注意: 管道设计时一般只有流量和地面坡度，粗糙系数由材料决定。 已知流量，粗糙系数后，根据地面坡度情况确定水力坡度(水力坡度适宜与地面坡度接近，埋深增加快需要尽量减小坡度)，确定管径D(D要尽可能的小)。查算图确定流速，h/D，满足相关要求。,返回,4. 管渠水力学设计参数,4.管渠水力设计参数,(1).充满度：设计充满度的规定，不满流、所以存在充满度，关于充满度的含义，见图2-4。设计要尽量接近最大充满度，否则管道容积利用率,低，浪费。但是不能超过最大充满度，否则容易溢流。,h,D,4.管渠水力设计参数,最大设计充满度,雨水管道和合流管道应按满流计算,4.管渠水力设计参数,(

7、2).设计流速： 排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定： 1. 污水管道在设计充满度下为0.6 m/s； 2. 雨水管道和合流管道在满流时为0.75 m/s； 3. 明渠为0.4m/s。,4.管渠水力设计参数,排水管道的最大设计流速，宜符合下列规定： 1. 金属管道为 10.0 m/s; 2. 非金属管道为5.0 m/s。,4.管渠水力设计参数,最小最大流速的一些规定: 1.污水厂压力输泥管的最小设计流速, 一般可按规定取值. 2.排水管道采用压力流时, 压力管道的设计流速宜采用0.72.0m/s. 3.但是对于一些含油类和矿物颗粒的工业废水, 最好以实验确定最小流速, 否则可能淤积或堵塞.

8、 4. 在平坦地区需要尽量减小坡度, 适当调整流速. 5. 从上游到下游最好流速逐渐增加.,4.管渠水力设计参数,(3)最小管径和坡度：当计算管径特别小，用最小管径。 不计算管段。,4.管渠水力设计参数,(4).埋深和覆土厚度 埋深是管底内壁到地面的距离，覆土厚度：管顶外壁到地面距离。 最大埋深干燥土7-8m，多水砂地区，5m。应该尽量减少埋深。 最小覆土厚度, 防止污水冰冻和土壤冰冻破坏管道, 防止车辆动荷载压坏管道, 满足支管衔接. 无保温的生活污水或工业废水, 管底在冰冻线下. 荷载方面，在车行道下, 0.7m; 人行道0.6m.,返回,5. 管段的衔接,5. 管段的衔接,衔接的要求：

9、减小埋深、降低造价， 下游水位低于上游，否则回水，发生水流不畅， 下游管底低于上游，否则淤积，沉积，堵塞管道。,5. 管段的衔接,管顶平接：上下游管顶内壁高程相同. 多为异管径，如下游充满度小，则同管径也可以管顶平接(实质也是管底平接).,5. 管段的衔接,水面平接：上下游管道水面高程相同，充满度0.8处平接的含义。多为同管径，由于下游充满度大，所以不能管顶接，异管径也可以水面接。,5. 管段的衔接,管底平接：上下游管底内壁高程相同；下游管道管径小(出现在坡度加大时)，必须管底平接。 下游管径大而管底平接也是可能的, 但很少.,5. 管段的衔接,非平接的衔接方式：上下游管道落差小，一般不设置跌

10、水井，而是将窨井底部改为斜坡。落差大，需要跌水。,返回,6. 管段水力计算,6. 管段水力计算,概述: 管段在设计时一般已知流量Q和粗糙系数n,其他水力学要素待算. 根据地面高程可计算出地面坡度, 管段水力学坡度尽量与地面坡度接近, 或尽量减小坡度(在地面坡度很小，或管道走向与地面坡度反)；管道管径变化避免猛增。,6. 管段水力计算,例题：2-4 设计管段长度240m，地面坡度0.0024，流量40l/s，上游管段管径D300mm，充满度0.55，管底高程44.22m，地面高程46.06m，覆土厚度1.54m(注意覆土厚度实际上忽略了管壁厚度)。,6. 管段水力计算,解：由于上游覆土厚度大，所

11、以尽量减小设计坡度。,300mm,350mm,400mm,6. 管段水力计算,比较D=350mm和D=400mm，D=350mm更合适，如果采用400, 则由设计坡度减小引起的管道埋深的减小为240m0.0001=0.024m，而管道管径与350相比却增加0.05m；此外管道容积未充分利用，h/D由0.65降为0.53；除非流量突然剧烈增加，否则一般不跳级增加管道管径。,6. 管段水力计算,管段衔接： 采用管顶平接，上游管段管顶高程44.52m。 设计管段上端管顶高程：44.52m，管底高程44.52m-0.35m=44.17m。 设计管段下端管顶高程：44.17m-240m0.0015=43

12、.81m。 校验水位： 上游管段下端水面高程：44.22m + 0.300m0.55=44.385m。 设计管段上端水面高程：44.17m + 0.3500.65 =44.398m。 不符合，需要水面平接。,6. 管段水力计算,水面平接，上游管段下端水面高程：44.385m， 设计管段上端水面高程：44.385m。 设计管段上端管底高程：44.385-0.3500.65=44.157m。 设计管段下端管底高程：44.157m-240m0.0015 = 43.797。 设计管段下端覆土厚度？ 设计管段下端地面高程：46.06m-240m0.0024=45.48m。 设计管段下端管顶高程：43.7

13、97m+0.35=44.15m。 覆土厚度：45.48m-44.15m=1.33m。覆土厚度降低的部分0.21m是由于设计坡度比地面坡度小造成的。,6. 管段水力计算,例题2-5： 设计管段长度130m，地面坡度0.0014，流量56l/s，上游管段D=350mm，h/D=0.59，管底高程43.67m，地面高程45.48m。求设计管段管径D和管底高程.,6. 管段水力计算,D=350,43.67,45.48,I=0.0014,1.46,350,400,6. 管段水力计算,D=350,43.67,45.48,I=0.0014,1.46,方案1：(水面平接) 上游下端水面高程：43.67m+0.

14、590.35=43.877设计管段的上端水面高程：43.877m。 设计管段的上端管底：43.877-0.650.35= 43.650设计管段下端管底高程：43.650m-130m0.0030=43.260,43.877,43.877,43.65,6. 管段水力计算,D=350,43.67,46.58,I=0.0014,1.46,方案2：(管顶平接) 上游管段的下端管顶：43.67+0.35=44.02m。 设计管段的上端管顶：44.02m。 设计管段的上端管底：44.02m-0.4=43.62m。设计管段的下端管底：43.62m-130m0.00145=43.432m 设计管段上端水面高程：

15、43.62+0.650.40=43.88,43.88,43.877,43.62,6. 管段水力计算,方案1和2的比较： 方案1管径小，方案2管径大50mm，造价高一些 设计管段下端管底高程：方案1为43.26m，方案2为43.432m。下端覆土厚度：方案1为2.038m，方案2为1.866m 后面地面坡度大，方案1可取；后面地面坡度小，方案2可取。,6. 管段水力计算,例题2-6 设计管段：长度190m，流量66 l/s，地面i=0.008。上游管段：D=400mm，h/D=0.61，下端管底高程43.40，覆土厚度0.70m。设计计算。,6. 管段水力计算,D=400, i=0.008，v=

16、1.27 m/s，h/D=0.43，可以。 D=350, i=0.008，v=1.28 m/s，h/D=0.52,可以。 D=300, i=0.008，v=1.3, h/D=0.70,不可以。 采用D=350,采用管底平接.,43.40,6. 管段水力计算,是否需要跌水： 下端覆土厚度0.7m，管底高程41.88m。 采用管径400mm，v=0.76, i=0.0020. 上端管底高程=1900.0020+41.88m=42.26m 跌水水头：43.40-42.26=1.14m 结论：可以采用跌水(但不是必要的).,返回,7. 倒虹管水力计算,7.倒虹管水力计算,倒虹管水力计算 倒虹管内流速要大于上游管道流速，所以管径一般比上游管道小；管内为满流，所以查满流的水力学算图。上下游管底高程差要考虑水头损失，即沿程水头损失H= ，可不计算，直接以管道长度水力坡度。局部水头损失： H=