水污染控制工程第二章排水管渠水力計算

第二章溝道水力學第一節(jié)污水溝道水力學設(shè)計的原則第二節(jié)溝道水力學計算用的基本公式第三節(jié)水力學算圖第四節(jié)溝道水力學設(shè)計參數(shù)第五節(jié)溝段的銜接第六節(jié)溝段水力學計算第七節(jié)倒虹管水力學計算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。水流在溝道流動時，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中稱明渠流，或重力流。溝道中水流受到重力作用從高處流向低處；污水中含有固體雜質(zhì)，污水流動滯緩時，雜質(zhì)下沉；流速增大時，亦有沖刷現(xiàn)象，可能破壞溝道。溝道有時在水壓下流動，稱為管流或壓力流。水流在溝道流動時，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個方向受到溝道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。溝道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管流或壓力流。第一節(jié)污水溝道水力學設(shè)計的原則計算確定管徑坡度高程水力學計算要滿足下列要求不溢流不淤積不沖洗管壁要通風（充滿度h/D）（Vmin）（Vmax）（充滿度h/D）第二節(jié)溝道水力學計算用的基本公式設(shè)計管段是相鄰的兩個窨井間的溝段。當相鄰的設(shè)計管段能采用同樣的口徑和坡度時，可以合并為一條設(shè)計溝段。流量公式：流速公式：qv——設(shè)計溝段的設(shè)計流量，m3/s；A——設(shè)計溝段的過水斷面面積，m2；v——設(shè)計溝段過水斷面的平均流速，m/s；R——水力半徑（過水斷面面積與濕周的比值），m；I——水力坡度（即水面坡度，也等于溝底坡度i）；n——溝壁粗糙系數(shù)。第三節(jié)水力學算圖水力學算圖有不滿流圓形溝道水力學算圖、滿流圓形溝道水力學算圖、滿流矩形水力學算圖和明渠流用的水力學算圖等。例2-1已知n＝0.014，D＝300mm，i＝0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材中圖2-2。

在具體的計算中，已知設(shè)計流量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，兩個方程式，因此采用水力計算圖。水力計算示意圖

h/D0.250.350.450.550.650.750.00800.00600.00500.00400.0030

i0.00200.00150.00100.00087891015203040506070qv/(L.s-1)（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(表示坡度)上的數(shù)字中找0.0024，從而找出代表i＝0.0024的橫線。（3）從橫軸(表示流量)上找出代表qV＝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，這一點正好落在代表流速0.65m/s的那根斜線上，并靠近代表充滿度0.55的那根斜線上。因此求得v＝0.65m/s，h/D＝0.55。例2-2已知n＝0.014，D＝300mm，qV

＝26L/s，i＝0.003，求v和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材圖2-2。（2）找出代表qV＝26L/s的那根豎線。（3）找出代表i＝0.003的那根橫線。（4）找出這兩根線的交點，這交點落在代表v＝0.7m/s和v＝0.75m/s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，估計這根線代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。（5）這交點又落在代表h/D＝0.50和0.55兩根斜線之間，估計h/D＝0.52。于是，求得h/D＝0.52。例2-3已知n＝0.014，D＝300mm，qV＝38L/s，v＝1.0m/s，求i和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材圖2-2。（2）找出代表qV＝38L/s的那根豎線。（3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜線。（4）這兩根線的交點落在代表i＝0.0057的橫線上，求得i＝0.0057。（5）這交點又落在h/D＝0.53的斜線上，求得h/D＝0.53。第四節(jié)溝道水力學設(shè)計參數(shù)1.設(shè)計充滿度(h/D)2.設(shè)計流速(Vmin、Vmax)3.最小管徑(Dmin)4.最小設(shè)計坡度(Imin)5.污水管道的埋設(shè)深度注：參照《室外給排水設(shè)計規(guī)范》(GBJ14-871997)1.設(shè)計充滿度(1)概念：在設(shè)計流量下，污水管道中的水深h和管道直徑D的比值稱為設(shè)計充滿度(或水深比)，當h/D為1時稱為滿流，<1時稱為不滿流。(2)規(guī)定最大設(shè)計充滿度原因：①污水量很難精確計算，應(yīng)該留有余地；②有利于管內(nèi)通風，排除有害氣體，防止爆炸；③便于管道的疏通和維護管理。一、設(shè)計充滿度溝道是按不滿流的情況進行設(shè)計的。在設(shè)計流量下，溝道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值c稱為設(shè)計充滿度。0.7510000.70500~9000.65350~4500.55200~300最大設(shè)計充滿度(h/D或h/H)管徑或渠高/mm最大設(shè)計充滿度充滿度示意設(shè)計充滿度溝道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值。2.設(shè)計流速：和設(shè)計流量，設(shè)計充滿度相對應(yīng)的水流平均速度叫做設(shè)計流速；為了保證管內(nèi)不發(fā)生淤積規(guī)定了最小設(shè)計流速為0.6m/s；為保證管道不被沖刷損壞規(guī)定了最大設(shè)計流速，金屬管道為10m/s，非金屬管道5m/s。設(shè)計流速是溝道中流量到達設(shè)計流量時的水流速度。污水溝道的最小設(shè)計流速為0.6m/s；明溝的最小設(shè)計流速為0.4m/s。最大設(shè)計流速混凝土管為5m/s，鋼管為10m/s。防止淤積所需的溝道設(shè)計流速的最小限值同廢水中夾帶的懸浮物的性質(zhì)(顆粒大小、相對密度)有關(guān)。各設(shè)計溝段的設(shè)計流速從上游到下游最好是逐漸增加的。5.污水管道的埋設(shè)深度(1)埋設(shè)深度的兩個意義：

①覆土厚度；②埋設(shè)深度(2)最小覆土厚度應(yīng)滿足的三個因素：①必須防止管道內(nèi)污水冰凍和因土壤凍脹而損壞管道;②必須防止管壁因地面荷載而受到破壞③必須滿足街區(qū)污水連接管銜接要求。(3)最大埋深：干燥土壤中最大不超過7~8m；多水、流砂、石灰?guī)r地層中不超過5m。3.最小管徑：街區(qū)和廠區(qū)內(nèi)最小管徑為200mm；在街道下為300mm(在計算出的管徑而采用最小管徑的管段中可考慮設(shè)置沖洗井)。2.設(shè)計流速：和設(shè)計流量，設(shè)計充滿度相對應(yīng)的水流平均速度叫做設(shè)計流速；為了保證管內(nèi)不發(fā)生淤積規(guī)定了最小設(shè)計流速為0.6m/s；為保證管道不被沖刷損壞規(guī)定了最大設(shè)計流速，金屬管道為10m/s，非金屬管道5m/s。4.最小設(shè)計坡度：相應(yīng)于管內(nèi)流速為最小設(shè)計流速時的管道坡度為最小設(shè)計坡度；管徑200mm的為0.004，300mm的為0.003；在圓形管道中在確定最小管徑的最小坡度時采用的充滿度為0.5三、最小管徑污水溝管的最小管徑和最小設(shè)計坡度溝道位置最小管徑/mm最小設(shè)計坡度i在街坊和廠區(qū)內(nèi)2000.004在街道下3000.003四、最小設(shè)計坡度和不計算管段的最小設(shè)計坡度坡度和流速存在一定的關(guān)系()，同最小設(shè)計流速相應(yīng)的坡度就是最小設(shè)計坡度。因設(shè)計流量很小而采用的最小管徑的設(shè)計溝段稱為不計算溝段。五、溝道的埋設(shè)深度和覆土厚度溝道的埋設(shè)深度是指溝底的內(nèi)壁到地面的距離。在干燥土壤中，溝道最大埋深一般不超過7~8m；在多水、流沙、石灰?guī)r地層中，一般不超過5m。溝道的覆土厚度是指溝頂?shù)耐獗诘降孛娴木嚯x。決定最小覆土厚度的因素必須防止溝道中的污水冰凍和因土壤冰凍膨脹而損壞溝道必須防止溝壁被車輛造成的活荷載壓壞必須滿足支溝在銜接上的要求污水在溝道中冰凍的可能與污水的水溫和土壤的冰凍深度等因素有關(guān)。無保溫措施的生活污水溝道或水溫和它接近的工業(yè)廢水溝道，溝底在冰凍線之上的距離不得大于0.15m。溝頂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0.55~0.65m。街溝的最小覆土厚度可用下式計算：式中：d——街溝的最小覆土厚度，m；h——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水溝道起端的最小埋深，m；i——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水溝道和連接支管的坡度；L——街區(qū)或產(chǎn)區(qū)內(nèi)的污水溝道和連接支管的總長度，m；h1——街溝窨井處地面高程，m；h2——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水溝道起點窨井處地面高程，m。第六節(jié)溝段的銜接銜接原則：（1）盡可能提高下游溝段的高程，以減少埋深，從而降低造價，在平坦地區(qū)這點尤其重要；（2）避免在上游溝段中形成回水而造成淤積；（3）不允許下游溝段的溝底高于上游溝段的溝底。銜接方法溝頂平接水面平接溝底平接下游溝底高于上游溝底下游水位高于上游水位不應(yīng)發(fā)生第七節(jié)溝段水力學計算例2-4已知設(shè)計溝段長度L為240m；地面坡度I為0.0024；流量qV為40L/s，上游溝段管徑D＝300mm，充滿度h/D為0.55，溝底高程為44.22m，地面高程為46.06m，覆土厚度為1.54m。求：設(shè)計溝段的口徑和溝底高程。解：由于上游溝段的覆土厚度較大，設(shè)計溝段坡度應(yīng)盡量小于地面坡度以減少埋深。（1）令D＝300mm，查圖，當D＝300mm，qV＝40L/s，h/D=0.55時，i＝0.0058>I＝0.0024，不符合本題應(yīng)盡量減少埋深的原則；令v＝0.6m/s時，h/D＝0.90>0.55，也不符合要求。采用溝頂平接:設(shè)計溝段上端溝底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)設(shè)計溝段的下端溝底高程：44.170-2400.0015＝43.810(m)檢驗：44.398m高于44.385m，不符合要求，應(yīng)采用水面平接。上游溝段下端水面高程：44.220+0.3000.55＝44.385(m)設(shè)計溝段上端水面高程：44.170+0.650.350＝44.398(m)（2）令D＝400mm,查圖,當D＝400mm，qV＝40L/s，v＝0.6m/s時，h/D＝0.53，i＝0.00145。與D＝350mm相比較，溝管設(shè)計坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝管埋深反而增加0.05m。另外，溝管口徑一般不跳級增加，所以D＝350mm，i＝0.0015的設(shè)計為好。（3）溝底高程修正：采用水面平接。上流溝段的下端水面高程:44.22+0.30.55＝44.385(m)設(shè)計溝段的上端溝底高程:44.385-0.350.65＝44.158(m)設(shè)計溝段的下端溝底高程:44.158-2400.0015＝43.798(m)例2-5已知設(shè)計溝段長度L＝130m，地面坡度I＝0.0014，流量qV＝56L/s，上游溝段口徑D＝350mm，充滿度h/D＝0.59，溝底高程為43.67m，地面高程為45.48m。求：設(shè)計溝段的口徑與溝底高程。解：覆土厚度為45.48-43.67-0.35＝1.46m。離最小覆土厚度允許值0.7m較大，因此設(shè)計時應(yīng)盡量使設(shè)計溝段坡度小于地面坡度。（1）令D＝350m，查圖，當D＝350mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65不合格。當h/D＝0.65時，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝0.0014，不很理想。（2）令D＝400mm,查圖,當D＝400mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合規(guī)定；當h/D＝0.65時，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。溝管坡度接近地面坡度I＝0.0014。采用溝頂平接:設(shè)計溝段的上端溝底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)采用水面平接:設(shè)計溝段的下端溝底高程:43.67+0.3500.59＝43.877(m)設(shè)計溝段的上端溝底高程:43.877-0.650.350＝43.650(m)設(shè)計溝段下端溝底高程:43.650-1300.0030＝43.260(m)設(shè)計溝段的下端溝底高程:43.620-1300.00145＝43.43(m)施工高程：43.43(m)檢驗：上游溝段下端水面高程：43.877(m)43.880高于43.877，雖不符合要求，但可接受(下端溝底施工高程略低于計算值)。設(shè)計溝段上端水面高程：43.620+0.650.400＝43.880(m)（3）從本設(shè)計溝段的造價而論，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，假如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的溝段以及覆土厚度大于0.7m較多時，宜采用第二答案。例2-6已知L＝190m，qV＝66L/s，I＝0.008(上端地面高程44.50m，下端地面高程43.40m)，上游溝段D＝400m，和h/D＝0.61，其下端溝底高程為43.40m，覆土厚度0.7m。如下圖所示：求：管徑與溝底高程。解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游溝段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設(shè)計溝段坡度將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65時，查圖得qV＝133L/s>66L/s。（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65時，查圖得qV＝91L/s>66L/s。（3）令D＝300mm，i＝I＝0.008，