2022年渠道水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第三章 渠道水力學(xué)第一節(jié) 管道中的水流情況第二節(jié) 污水管道水力學(xué)設(shè)計(jì)的原則第三節(jié) 管道水力學(xué)計(jì)算用的基本公式第四節(jié) 水力學(xué)算圖第五節(jié) 管道水力學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)第六節(jié) 管段的銜接第七節(jié) 管段水力學(xué)計(jì)算舉例第八節(jié) 倒虹管水力學(xué)計(jì)算舉例第九節(jié) 常用排水泵第十節(jié) 排水泵站水力學(xué)計(jì)算舉例第一節(jié) 管道中的水流情況一、污水管道內(nèi)水質(zhì)特點(diǎn)含有一定數(shù)量的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，但總的說(shuō)來(lái)，污水中的水分一般在99%以上，因此可假定污水按照一般液體流動(dòng)的規(guī)律流動(dòng)。二、污水管道內(nèi)水流特點(diǎn) 重力流非滿流近似均勻流（管道有時(shí)在水壓下流動(dòng)，這時(shí)的水流方式稱(chēng)管流或壓力流。）第二節(jié) 污水管道水力學(xué)設(shè)計(jì)的原則計(jì)算確定管徑坡度高程水力學(xué)計(jì)算要滿

2、足下列要求不溢流不淤積不沖洗管壁通風(fēng)第三節(jié) 管道水力學(xué)計(jì)算用的基本公式設(shè)計(jì)管段是相鄰的兩個(gè)檢查井間的管段。當(dāng)相鄰的設(shè)計(jì)管段能采用同樣的口徑和坡度時(shí)，可以合并為一條設(shè)計(jì)管段。n管壁粗糙系數(shù) 式中：Q流量，m3/s； A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2； v流速，m/s； R水力半徑（過(guò)水?dāng)嗝娣e與濕周的比值），m； I水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； C流速系數(shù)，或謝才系數(shù)。C值一般按曼寧公式計(jì)算，即管壁粗糙系數(shù)n值管渠種類(lèi)n值UPVC管、PE管、玻璃鋼管0.0090.01陶土管、鑄鐵管0.013混凝土和鋼筋混凝土管0.0130.014石棉水泥管、鋼管0.012水泥砂漿抹面渠道0.0130.014漿砌磚渠

3、道0.015漿砌塊石渠道0.017干砌塊石渠道0.0200.025土明渠（包括帶草皮的）0.0250.030木槽0.0120.014設(shè)計(jì)充滿度（h/D）設(shè)計(jì)流速（v）最小管徑（D）最小設(shè)計(jì)坡度（i）污水管道的埋設(shè)深度污水管道的銜接水力設(shè)計(jì)參數(shù)第四節(jié) 水力學(xué)算圖水力學(xué)算圖有不滿流圓形管道水力學(xué)算圖、滿流圓形管道水力學(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。例3-1 已知n=0.014，D=300mm，i=0.0024，Q=25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D=300mm，采用附錄二中附圖2-3。（2）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，從

4、左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數(shù)字代表相應(yīng)要素的值。先從縱軸（表示坡度）上的數(shù)字找0.0024，從而找出代表i=0.0024的橫線。（3）從橫軸（表示流量）上找出Q=25.5L/s的那根豎線。（4）代表坡度0.0024的橫線和代表流量25.5L/s的豎線相交，得一點(diǎn)，這一點(diǎn)正好落在代表流速0.65m/s的斜線上，并靠近充滿度0.55的斜線。因此，v= 0.65m/s，h/D=0.55第五節(jié) 管道水力學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一、設(shè)計(jì)充滿度（h/D）指設(shè)計(jì)流量下，管道內(nèi)的有效水深與管徑的比值。h/D =1時(shí)，滿流h/D 1時(shí)，非滿流室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，最大設(shè)計(jì)充滿度為：hD管徑（D）或暗渠高（H） （m

5、m）最大充滿度（h/D）2003003504505009001000 0.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80) 對(duì)于明渠流：規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)超高（渠中水面與渠頂間高度）不小于0.2米。為什么要做最大設(shè)計(jì)充滿度的規(guī)定？（1）預(yù)留一定的過(guò)水能力，防止水量變化的沖擊，為未預(yù)見(jiàn)水量的增長(zhǎng)留有余地；（2）有利于管道內(nèi)的通風(fēng)；（3）便于管道的疏通和維護(hù)管理。一、設(shè)計(jì)充滿度（h/D）二、設(shè)計(jì)流速（v）與設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)充滿度相應(yīng)的污水平均流速。最小設(shè)計(jì)流速：是保證管道內(nèi)不發(fā)生淤積的流速，與污水中所含雜質(zhì)有關(guān)；國(guó)外很多專(zhuān)家認(rèn)為最小流速為0.6-0.75m/s，我國(guó)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)

6、果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定最小流速為0.6m/s。最大設(shè)計(jì)流速：是保證管道不被沖刷破壞的流速，與管道材料有關(guān)；金屬管道的最大流速為10m/s，非金屬管道的最大流速為5m/s。*國(guó)內(nèi)一些城市污水管道長(zhǎng)期運(yùn)行的情況說(shuō)明，超過(guò)上述最高限值，并未發(fā)生沖刷管道的現(xiàn)象。三、最小管徑（D）1.為什么要規(guī)定最小管徑？管徑過(guò)小，管道容易堵塞。如： 150mm與200mm的管道比較，前者堵塞的次數(shù)有時(shí)是后者的2倍，使管道的養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用增加；而在相同的埋深下，施工費(fèi)用相差不多。若將計(jì)算出的150mm改為200mm的管道的話，維護(hù)費(fèi)用減少，而且，管道的坡度可減小，使管道的埋深減小。街坊管最小管徑為200mm，街道管最小管徑為3

7、00mm。三、最小管徑（D）2.什么叫不計(jì)算管段？在管道起端由于流量較小，通過(guò)水力計(jì)算查得的管徑小于最小管徑，對(duì)于這樣的管段可不用再進(jìn)行其他的水力計(jì)算，而直接采用最小管徑和相應(yīng)的最小坡度，這樣的管段稱(chēng)為不計(jì)算管段。200mm，i=0.004，9.19L/s300mm，i=0.003， 14.63L/s四、最小設(shè)計(jì)坡度（i）相應(yīng)于最小設(shè)計(jì)流速的坡度為最小設(shè)計(jì)坡度，最小設(shè)計(jì)坡度是保證不發(fā)生淤積時(shí)的坡度。（1）（2）（3）規(guī)定：管徑200mm的最小設(shè)計(jì)坡度為0.004； 管徑300mm的最小設(shè)計(jì)坡度為0.003； 管徑400mm的最小設(shè)計(jì)坡度為0.0015。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度管道的埋設(shè)

8、深度是指管底的內(nèi)壁到地面的距離。覆土厚度埋設(shè)深度地面管道覆土厚度是指管頂?shù)耐獗诘降孛娴木嚯x。1、管網(wǎng)的造價(jià)在實(shí)際工程中，污水管道的造價(jià)由選用的管道材料、管道直徑、施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、管道埋設(shè)深度等四個(gè)主要因素決定。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、決定污水管道最小覆土厚度的因素(1)滿足地面荷載的要求車(chē)行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非車(chē)行道下，污水管的最小覆土厚度可適當(dāng)減小。(2)冰凍線的要求室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：無(wú)保溫措施的生活污水管道，管底可埋設(shè)在冰凍線以上0.15m；有保溫措施或水溫較高的管道，距離可以加大。國(guó)外規(guī)范規(guī)定：污水管道最小埋深，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定。無(wú)養(yǎng)護(hù)資料

9、時(shí)，采用如下數(shù)值：管徑小于500mm，管底在冰凍線上0.3m；管徑大于500mm，為0.5m。2、決定污水管道最小覆土厚度的因素(3)滿足街坊管連接要求H=Z1 （Z2h） IL +h式中：H街道污水管網(wǎng)起點(diǎn)的最小埋深，m； h街坊污水管起點(diǎn)的最小埋深，0.60.7m； Z1街道污水管起點(diǎn)檢查井檢查井處地面標(biāo)高，m； Z2街坊污水管起點(diǎn)檢查井檢查井處地面標(biāo)高，m； I街坊污水管和連接支管的坡度； L街坊污水管和連接支管的總長(zhǎng)度，m； h連接支管與街道污水管的管內(nèi)底高差，m。 五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、決定污水管道最小覆土厚度的因素對(duì)于每一個(gè)具體的設(shè)計(jì)管段，從上述三個(gè)不同的因素出發(fā)，可

10、以得到三個(gè)不同的管底埋深或管頂覆土厚度值，這三個(gè)數(shù)值中的最大一個(gè)值就是該管段的允許最小埋設(shè)深度或最小覆土厚度。除考慮最小埋深外，還應(yīng)考慮最大埋深： 在干燥土壤中，一般不超過(guò)78 m； 在多水、流砂、石灰?guī)r地層中，一般不超過(guò)5 m。第六節(jié) 管段的銜接一、銜接的原則(1)盡可能提高下游管段的高程，以減小埋深，從而降低造價(jià)，在平坦地區(qū)這點(diǎn)尤其重要(2)避免在上游管段中形成回水而造成淤積(3)不允許下游管段的管底高于上游管段的管底。二、銜接的方式注意：（1）不應(yīng)發(fā)生下游管底高于上游；（2）不應(yīng)發(fā)生下游水位高于上游。管頂平接水面平接管底平接第七節(jié) 管段水力學(xué)計(jì)算舉例例3-2 已知設(shè)計(jì)管段長(zhǎng)度L為240m

11、；地面坡度I為0.0024；流量Q為40L/s，上游管段管徑D為300mm，充滿度h/D為0.55，管底高程為44.220m，地面高程為46.060m，覆土厚度為1.54m。求：設(shè)計(jì)管段的口徑和管底高程。解：由于上游管段的覆土厚度較大，設(shè)計(jì)管段坡度應(yīng)盡量小于地面坡度以減小管段埋深。（1）令D=300mm，查圖，當(dāng)D=300mm，Q=40L/s，h/D=0.55時(shí)，i=0.00580.0024，不符合減小埋深的原則；令v=0.6m/s時(shí)，h/D=0.900.55，也不符合要求。（2）令D=350mm，查圖，當(dāng)D=350mm，Q=40L/s，h/D=0.65時(shí)，i=0.00150.0024，v=0

12、.61m/s0.6m/s，符合要求。采用管頂平接設(shè)計(jì)管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350=44.170m設(shè)計(jì)管段下端管底高程：44.170-2400.0015=43.810m檢驗(yàn)上游管段下端水面高程：44.220+0.3000.55=44.385m設(shè)計(jì)管段上端水面高程：44.170+0.650.350=44.398m44.398m高于44.385，不符合要求，應(yīng)采用水面平接。（3）令D=400mm，查圖，當(dāng)D=400mm，Q=40L/s，v=0.6m/s時(shí)，h/D=0.53，i=0.00145。與D=350mm比較，管段設(shè)計(jì)坡度基本相同，管段容積未充分利用，管段埋深反而增加0

13、.05m。另外，管段口徑一般不跳級(jí)增加，所以，D=350mm，i=0.0015的設(shè)計(jì)為好。（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+0.30.55=44.385m設(shè)計(jì)管段的上端管底高程：44.385-0.350.65=44.158m設(shè)計(jì)管段的下端管底高程：44.158-2400.0015=43.798m例3-3 已知設(shè)計(jì)管段長(zhǎng)度L為130m；地面坡度I為0.0014；流量Q為56L/s，上游管段管徑D為350mm，充滿度h/D為0.59，管底高程為43.67m，地面高程為45.48m。求：設(shè)計(jì)管段的口徑和管底高程。解：覆土厚度為45.38-43.67-0.35=1.

14、46m。離最小覆土厚度允許值0.7m差距較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使設(shè)計(jì)管段坡度小于地面坡度。（1）令D=350mm，查圖，當(dāng)D=350mm，Q=56L/s，v=0.6m/s時(shí)，i=0.0015，但h/D=0.950.65，不合格。當(dāng)h/D=0.65時(shí)，v=0.85m/s，i=0.00300.0014，不很理想。上游管段的水面高程：43.67+0.350.59=43.877m采用水面平接設(shè)計(jì)管段的上端管底高程：43.877-0.350.65=43.650m設(shè)計(jì)管段的下端管底高程：43.65-1300.0030=43.260m（2）令D=400mm，查圖，當(dāng)D=400mm，Q=56L/s， v=0.

15、6m/s時(shí)，i=0.0012，但h/D=0.700.65，不符合規(guī)定；當(dāng)h/D=0.65時(shí)，i=0.00145，v=0.65m/s，符合要求。管底坡度接近地面坡度i=0.0014。采用管頂平接設(shè)計(jì)管段的上端管底高程：43.67+0.35-0.4=43.62m設(shè)計(jì)管段的下端管底高程：43.62-1300.00145=43.432m上游管段下端水面高程：43.877m檢驗(yàn)設(shè)計(jì)管段上端水面高程：43.62+0.650.4=43.88m43.88m略高于43.877m，雖不符合要求，但可接受（下端管底施工高程43.432m略低于計(jì)算值）。（3）究竟采用D=350mm，i=0.0030，還是采用D=40

16、0mm，i=0.00145，在前一組答案里下端管底高程是43.26m，比后一組答案里的高程43.432m，低0.172m。從本設(shè)計(jì)管段的造價(jià)而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的管段都將落下0.172m。假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦地區(qū)，以后還有很長(zhǎng)的管段以及覆土厚度大于0.7m較多時(shí)，宜采用第二答案。例3-4 已知設(shè)計(jì)管段長(zhǎng)度L為190m；Q=66L/s，I為0.008（上端地面高程44.50m，下端地面高程42.98m），上游管段管徑D為400mm，充滿度h/D為0.61，下端管底高程為43.40m，覆土厚度0.7m。求：管徑和管底高程。解：本例的特點(diǎn)是

17、地面坡度充分，偏大。上游管段下端覆土厚度已為最小容許值。估計(jì)設(shè)計(jì)管段坡度將小于地面坡度，其口徑可小于上游管段。（1）令D=400mm，i=I=0.008，h/D=0.65時(shí)，查圖得Q=133L/s66L/s。（2）令D=350mm，i=I=0.008，h/D=0.65時(shí)，查圖得Q=91L/s66L/s。（3）令D=300mm，i=I=0.008，h/D=0.55時(shí)，查圖得Q=47L/s66L/s。（4）可以選用D=350mm，i=0.008。規(guī)范規(guī)定，在地面坡度變陡處，管道管徑可以較上游小1或2級(jí)。下面計(jì)算管底高程。D=350mm，Q=66L/s，I=0.008時(shí)，查圖得：h/D0.53，v=

18、1.28m/s，合格。采用管底平接：設(shè)計(jì)管段上端管底高程=上游管段下端管底高程=43.40m設(shè)計(jì)管段下端管底高程：43.40-1900.008=41.88m（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(guò)最大流速，這時(shí)管道設(shè)計(jì)坡度必須減小，并且設(shè)計(jì)管段上端檢查井采用跌水井。第八節(jié) 倒虹管水力學(xué)計(jì)算舉例例3-5 倒虹管進(jìn)水井上游管道中流量Q=500L/s，口徑D=1000mm，坡度i=0.00062，流速v=0.78m/s，充滿度h/D=0.75，水面高程+0.75m，管底高程0.00m。倒虹管出水井下游管道中的各水力學(xué)要素?cái)?shù)值與上游管道相同。試設(shè)計(jì)直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。（1）確定

19、倒虹管口徑倒虹管中水流流速應(yīng)大于上游管道，以防淤積，故管徑采用800mm。查滿流管道水力學(xué)算圖，得：當(dāng)Q=500L/s，D=800mm時(shí)，i=0.00143，v=1.0m/s。（2）確定下游管底高程倒虹管進(jìn)水井上游管段與出水井下游管段間的水位差：采用0.20m，以改善倒虹管水力學(xué)條件。下游管底高程：0.75-0.20-0.75=-0.2m第九節(jié) 常用排水泵常用的排水泵包括：離心泵、混流泵、軸流泵、螺旋泵、螺桿泵以及潛水/污泵（離心、軸流、混流、螺旋）和氣提泵等。一、幾種常用的排水泵1、離心泵分臥式和立式兩種形式立式優(yōu)點(diǎn)：（1）占地面積小，能節(jié)省造價(jià)；（2）水泵和電動(dòng)機(jī)可以分別安放在適宜的地方。

20、立式缺點(diǎn)：（1）對(duì)安裝技術(shù)和機(jī)件精度要求都較高；（2）檢修不及臥式泵方便。一、幾種常用的排水泵2、混流泵泵內(nèi)主流方向介乎輻射與軸向之間一、幾種常用的排水泵3、軸流泵主流方向和泵軸平行一、幾種常用的排水泵4、螺旋泵特點(diǎn)：（1）沒(méi)有阻塞問(wèn)題；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可自行制造；（3）無(wú)需輔助設(shè)備；（4）無(wú)需正規(guī)泵站；（5）基建投資?。唬?）低速運(yùn)行，機(jī)械磨損小，維修方便；（7）電能消耗少；（8）運(yùn)行費(fèi)用低；（9）占地較大。提升絮體易碎的回流活性污泥螺旋泵外形一、幾種常用的排水泵5、空氣提升泵用于提升回流活性污泥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理方便，當(dāng)壓縮空氣有現(xiàn)成來(lái)源時(shí)，可以考慮使用一、幾種常用的排水泵6、潛污泵無(wú)需正規(guī)泵

21、站，占地面積??；管路簡(jiǎn)單，配套設(shè)備少潛污泵安裝圖二、排水泵站的工作特性1、離心泵流量較小，揚(yáng)程較高，用于提升污水；其最高效率點(diǎn)兩側(cè)下降較緩，比較容易控制在高效率狀況下運(yùn)行；水泵的軸功率曲線表明，Qp=0時(shí)，軸功率最小，所以應(yīng)閉閘啟動(dòng)，以減少電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。二、排水泵站的工作特性2、軸流泵流量大，揚(yáng)程低，額定點(diǎn)功率較高，吸水高度很低，僅有12m。應(yīng)在出水閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)啟動(dòng)，以減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。二、排水泵站的工作特性3、螺旋泵揚(yáng)程低，轉(zhuǎn)速低，流量范圍大，效率穩(wěn)定，適用于提升回流活性污泥當(dāng)進(jìn)水水位達(dá)到泵軸心管邊緣螺旋葉片處時(shí)，提升水量達(dá)到最大值三、排水泵引水設(shè)備1、真空泵系統(tǒng)啟動(dòng)迅速，效率高，尤其

22、適用于大、中型水泵和吸水管較長(zhǎng)的水泵系統(tǒng)；但操作較繁，自控復(fù)雜。三、排水泵引水設(shè)備2、水射器（泵）適用于小型泵站，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小、安裝容易、工作可靠等特點(diǎn)。第十節(jié) 排水泵站水力學(xué)計(jì)算舉例以水力學(xué)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)所需揚(yáng)水量和揚(yáng)程需要知道最大設(shè)計(jì)流量，最小設(shè)計(jì)流量，確定泵的臺(tái)數(shù)和型號(hào)布置泵的位置和出水管的線路，并確定水管的口徑核算所選水泵是否合用，是否需要修正管線水頭計(jì)算方法水流通過(guò)管件時(shí)有局部水頭損失，局部損失的計(jì)算公式如下：為簡(jiǎn)化計(jì)算，常化管件為直管，與直管一起計(jì)算水頭損失。直管水頭損失公式為：管件的相當(dāng)長(zhǎng)度公式：當(dāng)粗糙系數(shù)n=0.013時(shí)，得：系數(shù)的值例3-6 某一工業(yè)城鎮(zhèn)的人口6000人，居住區(qū)生活污水的平均流量為8.5L/s，總變化系數(shù)為2.1，則設(shè)計(jì)流量約為18L/s。工廠甲三班制工作，設(shè)計(jì)流量為26L/s。工廠乙一班制工作，生活污水和工業(yè)廢水在8h當(dāng)中均勻排出，設(shè)計(jì)流量為6L/s。在終點(diǎn)泵站處的地面高程為41.50m。泵站入流管道的管徑為350mm，水面高程為36.45m，管底高程為36.24m。試根據(jù)上述條件，作泵站水力設(shè)計(jì)。解：（1）泵站的最大入流量為18+26+6=50L/s。居住區(qū)的生活污水的最小時(shí)流量估計(jì)為平時(shí)日流量的1.0%，則最小入流量等于8