水污染控制工程第二章排水管渠水力計(jì)算

1、第一節(jié)第一節(jié) 污水溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)的原則污水溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)的原則第二節(jié)第二節(jié) 溝道水力學(xué)計(jì)算用的基本公式溝道水力學(xué)計(jì)算用的基本公式第三節(jié)第三節(jié) 水力學(xué)算圖水力學(xué)算圖第四節(jié)第四節(jié) 溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)第五節(jié)第五節(jié) 溝段的銜接溝段的銜接第六節(jié)第六節(jié) 溝段水力學(xué)計(jì)算溝段水力學(xué)計(jì)算第七節(jié)第七節(jié) 倒虹管水力學(xué)計(jì)算倒虹管水力學(xué)計(jì)算v溝道的分布類似河流，呈樹枝狀。支溝匯集成干溝，干溝匯集成主干溝，由小到大，水流亦有肯定不變的方向。水流在溝道流動(dòng)時(shí)，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其它3方面受到固體界面的限制，這種水流方式在水力學(xué)中稱明渠流，或重力流。v溝道中水流受到重力作用從高處流向低處；污

2、水中含有固體雜質(zhì)，污水流動(dòng)滯緩時(shí)，雜質(zhì)下沉；流速增大時(shí)，亦有沖刷現(xiàn)象，可能破壞溝道。v溝道有時(shí)在水壓下流動(dòng)，稱為管流或壓力流。 水流在溝道流動(dòng)時(shí)，水流上方是大氣，具有水流在溝道流動(dòng)時(shí)，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個(gè)方向受到溝道固體界面自由的表面，而其他三個(gè)方向受到溝道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。的限制，稱明渠流或重力流。 溝道有時(shí)在水壓下流動(dòng)，這時(shí)的水流方式稱溝道有時(shí)在水壓下流動(dòng)，這時(shí)的水流方式稱管流或壓力流。管流或壓力流。第一節(jié)第一節(jié) 污水溝道水力學(xué)污水溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)的原則計(jì)算計(jì)算確定確定管徑管徑坡度坡度高程高程水力學(xué)計(jì)算要水力學(xué)計(jì)算要滿足下列要求滿足下列要求不溢

3、流不溢流不淤積不淤積不沖洗管壁不沖洗管壁要通風(fēng)要通風(fēng)（充滿度h/D）（Vmin）（Vmax）（充滿度h/D）第二節(jié)第二節(jié) 溝道水力學(xué)計(jì)算用的溝道水力學(xué)計(jì)算用的基本公式基本公式 設(shè)計(jì)管段是相鄰的兩個(gè)窨井間的溝段。設(shè)計(jì)管段是相鄰的兩個(gè)窨井間的溝段。 當(dāng)相鄰的設(shè)計(jì)管段能采用同樣的口徑和坡度時(shí)，當(dāng)相鄰的設(shè)計(jì)管段能采用同樣的口徑和坡度時(shí)，可以合并為一條設(shè)計(jì)溝段?？梢院喜橐粭l設(shè)計(jì)溝段。流量公式：流量公式：AvqV流速公式：流速公式：21321IRnv qv設(shè)計(jì)溝段的設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)溝段的設(shè)計(jì)流量，m3/s； A設(shè)計(jì)溝段的過水?dāng)嗝婷嬖O(shè)計(jì)溝段的過水?dāng)嗝婷娣e，積，m2 ；v設(shè)計(jì)溝段過水?dāng)嗝娴钠骄O(shè)計(jì)溝段過水?dāng)嗝?/p>

4、的平均流速，流速，m/s ；R水力半徑（過水?dāng)嗝婷嫠Π霃剑ㄟ^水?dāng)嗝婷娣e與濕周的比值），積與濕周的比值），m ；I水力坡度（即水面坡度，水力坡度（即水面坡度，也等于溝底坡度也等于溝底坡度i） ；n溝壁粗糙系數(shù)。溝壁粗糙系數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 水力學(xué)算圖水力學(xué)算圖 水力學(xué)算圖有不滿流圓形溝道水力學(xué)算圖、水力學(xué)算圖有不滿流圓形溝道水力學(xué)算圖、滿流圓形溝道水力學(xué)算圖、滿流矩形水力學(xué)算滿流圓形溝道水力學(xué)算圖、滿流矩形水力學(xué)算圖和明渠流用的水力學(xué)算圖等。圖和明渠流用的水力學(xué)算圖等。 例例 2-1 已知已知n0.014，D300mm，i0.0024，qV25.5L/s，求，求v和和h/D。解：（解：（1） D

5、300mm，采用教材中圖采用教材中圖2-2。 在具體的計(jì)算中，已知設(shè)計(jì)流量q以及管道粗糙系數(shù)n，需要求管徑 D、充滿度h/D，管道坡度I 和流速 v ，兩個(gè)方程式，因此采用水力計(jì)算圖。21321IRAnq21321IRnv水力計(jì)算示意圖水力計(jì)算示意圖 h/D 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.750.00800.00600.00500.00400.0030 i0.00200.00150.00100.00087 8 9 10 15 20 30 40 50 60 70 qv /(L.s-1) （2）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，橫的代

6、表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，從左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數(shù)目從左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數(shù)目字代表相應(yīng)要素的值。先從縱軸字代表相應(yīng)要素的值。先從縱軸(表示坡度表示坡度)上的上的數(shù)字中找數(shù)字中找0.0024，從而找出代表，從而找出代表i0.0024的橫線。的橫線。 （3）從橫軸）從橫軸(表示流量表示流量)上找出代表上找出代表qV25.5L/s的的那根豎線。那根豎線。 （4）代表坡度）代表坡度0.0024的橫線和代表流量的橫線和代表流量25.5L/s的的豎線相交，得一點(diǎn)，這一點(diǎn)正好落在代表流速豎線相交，得一點(diǎn)，這一點(diǎn)正好落在

7、代表流速0.65m/s的那根斜線上，并靠近代表充滿度的那根斜線上，并靠近代表充滿度0.55的的那根斜線上。因此求得那根斜線上。因此求得v0.65m/s，h/D0.55。 例例 2-2 已知已知n0.014，D300mm， qV 26L/s，i0.003，求，求v和和h/D。解：（解：（1）D300mm，采用教材圖采用教材圖2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV26L/s的那根豎線。的那根豎線。 （3） 找出代表找出代表i0.003的那根橫線。的那根橫線。 （4） 找出這兩根線的交點(diǎn)，這交點(diǎn)落在代表找出這兩根線的交點(diǎn)，這交點(diǎn)落在代表v0.7m/s和和v0.75m/s的兩根斜線之間。假如有一根和

8、的兩根斜線之間。假如有一根和以上兩根斜線平行的線正好穿過這交點(diǎn)，估計(jì)這根線以上兩根斜線平行的線正好穿過這交點(diǎn)，估計(jì)這根線代表代表v=0.71m/s。求得。求得v0.71m/s。 （5）這交點(diǎn)又落在代表）這交點(diǎn)又落在代表h/D0.50和和0.55兩根斜線之兩根斜線之間，估計(jì)間，估計(jì)h/D0.52。于是，求得。于是，求得h/D0.52。 例例 2-3 已知已知n0.014，D300mm，qV38L/s，v1.0m/s，求，求i和和h/D。解：（解：（1） D300mm，采用教材圖采用教材圖2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV38L/s的那根豎線。的那根豎線。 （3）找出代表）找出代表v1.0m

9、/s的那根斜線。的那根斜線。 （4）這兩根線的交點(diǎn)落在代表）這兩根線的交點(diǎn)落在代表i0.0057的橫線的橫線上，求得上，求得i0.0057。 （5）這交點(diǎn)又落在）這交點(diǎn)又落在h/D0.53的斜線上，求得的斜線上，求得h/D0.53。第四節(jié)第四節(jié) 溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)溝道水力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)1.設(shè)計(jì)充滿度(h/D)2.設(shè)計(jì)流速(Vmin、Vmax)3.最小管徑(Dmin)4.最小設(shè)計(jì)坡度(Imin)5.污水管道的埋設(shè)深度注：參照室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ14-87 1997)1.設(shè)計(jì)充滿度設(shè)計(jì)充滿度(1)概念概念：在設(shè)計(jì)流量下，污水管道中的水深h和管道直徑D的比值稱為設(shè)計(jì)充滿度(或水深比)，當(dāng)h/D為1

10、時(shí)稱為滿流，I0.0024，不符合本題應(yīng)盡量減少不符合本題應(yīng)盡量減少埋深的原則；令埋深的原則；令v0.6m/s時(shí)，時(shí)，h/D0.900.55，也不符合要，也不符合要求。求。采用溝頂平接采用溝頂平接:設(shè)計(jì)溝段上端溝底高程：設(shè)計(jì)溝段上端溝底高程：44.220+0.300-0.35044.170(m)設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程：設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程：44.170-240 0.001543.810(m)檢驗(yàn)：檢驗(yàn)：44.398m高于高于44.385m，不符合要求，應(yīng)采用水面平接。，不符合要求，應(yīng)采用水面平接。上游溝段下端水面高程：上游溝段下端水面高程： 44.220+0.300 0.5544.385(m

11、)設(shè)計(jì)溝段上端水面高程：設(shè)計(jì)溝段上端水面高程： 44.170+0.65 0.35044.398(m) （2）令）令D400 mm,查圖查圖,當(dāng)當(dāng)D400mm，qV40L/s，v0.6m/s時(shí)，時(shí)，h/D0.53，i0.00145。與。與D350mm相比相比較，溝管設(shè)計(jì)坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝較，溝管設(shè)計(jì)坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝管埋深反而增加管埋深反而增加0.05m。另外，溝管口徑一般不跳級(jí)增加，。另外，溝管口徑一般不跳級(jí)增加，所以所以D350mm，i0.0015的設(shè)計(jì)為好。的設(shè)計(jì)為好。 （3）溝底高程修正：采用水面平接。）溝底高程修正：采用水面平接。上流溝段的下端水面高

12、程上流溝段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.5544.385(m)設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程: 44.385-0.35 0.6544.158(m)設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程: 44.158-240 0.001543.798(m) 例例 2-5 已知設(shè)計(jì)溝段長度已知設(shè)計(jì)溝段長度L130m，地面坡度，地面坡度I0.0014，流量，流量qV56L/s，上游溝段口徑，上游溝段口徑D350mm，充滿度充滿度h/D0.59，溝底高程為，溝底高程為43.67m，地面高程為，地面高程為45.48m。 求：設(shè)計(jì)溝段的口徑與溝底高程。求：設(shè)計(jì)溝段的口徑與溝底高程。 解：

13、覆土厚度為解：覆土厚度為45.48-43.67-0.351.46m。離最小。離最小覆土厚度允許值覆土厚度允許值0.7m較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使設(shè)較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使設(shè)計(jì)溝段坡度小于地面坡度。計(jì)溝段坡度小于地面坡度。 （1）令）令D350m，查圖，當(dāng)，查圖，當(dāng)D350mm，qV56L/s，v0.60m/s時(shí)，時(shí)，i0.0015，但，但h/D0.950.65不合格。當(dāng)不合格。當(dāng)h/D0.65時(shí)，時(shí)，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。，不很理想。 （2）令）令D400mm,查圖查圖,當(dāng)當(dāng)D400mm，qV56L/s，v0.60m/s時(shí)，時(shí)，i0.0012，但，但h/D0.

14、700.65，不符合規(guī)定；，不符合規(guī)定；當(dāng)當(dāng)h/D0.65時(shí)，時(shí)，i0.00145，v0.65m/s,符合要求。溝管符合要求。溝管坡度接近地面坡度坡度接近地面坡度I0.0014。采用溝頂平接采用溝頂平接:設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程：設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程：43.67+0.350-0.40043.620(m)采用水面平接采用水面平接:設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程: 43.67+0.350 0.5943.877(m)設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程設(shè)計(jì)溝段的上端溝底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)設(shè)計(jì)溝段下端溝底高程設(shè)計(jì)溝段下端溝底高程: 43.650-130 0.0

15、03043.260(m)設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程設(shè)計(jì)溝段的下端溝底高程: 43.620-130 0.0014543.43(m)施工高程：施工高程：43.43(m)檢驗(yàn)：檢驗(yàn)：上游溝段下端水面高程：上游溝段下端水面高程：43.877(m) 43.880高于高于43.877，雖不符合要求，但可接受，雖不符合要求，但可接受(下端溝底下端溝底施工高程略低于計(jì)算值施工高程略低于計(jì)算值)。設(shè)計(jì)溝段上端水面高程：設(shè)計(jì)溝段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）從本設(shè)計(jì)溝段的造價(jià)而論，第一答案可能比第）從本設(shè)計(jì)溝段的造價(jià)而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的溝管都將落下

16、二答案便宜；但是，后面的溝管都將落下0.172m。假。假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的溝段以及覆土厚度如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的溝段以及覆土厚度大于大于0.7m較多時(shí)，宜采用第二答案。較多時(shí)，宜采用第二答案。 例例 2-6 已知已知L190m，qV66L/s，I0.008(上端上端地面高程地面高程44.50m，下端地面高程，下端地面高程43.40m)，上游溝段，上游溝段D400m，和，和h/D0.61，其下端溝底高程為，其下端溝底高程為43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下圖所示：。如下圖所

17、示： 求：管徑與溝底高程。求：管徑與溝底高程。 解：本例的特點(diǎn)是地面坡度充分，偏大。上游溝解：本例的特點(diǎn)是地面坡度充分，偏大。上游溝段下端覆土厚度已為最小容許值。估計(jì)設(shè)計(jì)溝段坡度段下端覆土厚度已為最小容許值。估計(jì)設(shè)計(jì)溝段坡度將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。 （1）令）令D400mm，i0.008，h/D0.65時(shí)，查時(shí)，查圖得圖得qV133L/s66L/s。 （2）令）令D350mm，iI0.008，h/D0.65時(shí)，時(shí)，查圖得查圖得qV91L/s66L/s。 （3）令）令D300mm， iI0.008，h/D0.55時(shí)，時(shí)，查圖得查圖得qV47L/

18、s66L/s。 （4）可以選用）可以選用D350mm， i0.008。規(guī)范規(guī)定，在地。規(guī)范規(guī)定，在地面坡度變陡處，溝道管徑可以較上游小面坡度變陡處，溝道管徑可以較上游小1或或2級(jí)。下面計(jì)算級(jí)。下面計(jì)算溝底高程。溝底高程。 D=350mm，qV=66L/s，I0.008 時(shí)，查圖得：時(shí)，查圖得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。，合格。 （5）如果采用地面坡度作為設(shè)計(jì)坡度，設(shè)計(jì)流速超過最）如果采用地面坡度作為設(shè)計(jì)坡度，設(shè)計(jì)流速超過最大流速，這時(shí)溝道設(shè)計(jì)坡度必須減少，并且設(shè)計(jì)溝段上端大流速，這時(shí)溝道設(shè)計(jì)坡度必須減少，并且設(shè)計(jì)溝段上端窨井應(yīng)采用跌水井。窨井應(yīng)采用跌水井。采用溝底平接采用溝底平接:設(shè)計(jì)溝段上端溝底高程上游溝段下端溝底高程設(shè)計(jì)溝段上端溝底高程上游溝段下端溝底高程43.40(m)設(shè)計(jì)溝段下端溝底高程