第二章 排水管渠水力計(jì)算

第一章復(fù)習(xí)要點(diǎn)1、排水體制的種類及其特點(diǎn)。2、排水系統(tǒng)組成及其功能。3、對(duì)管道和渠道的要求。4、管道的種類及各類的特點(diǎn)。5、管渠系統(tǒng)上各種構(gòu)筑物的適用場(chǎng)合、功能、構(gòu)造特點(diǎn)。第二章排水管渠水力計(jì)算本章主要內(nèi)容1、污水管渠水力設(shè)計(jì)的原則2、管渠水力計(jì)算基本公式3、水力學(xué)算圖4、管渠水力設(shè)計(jì)主要參數(shù)5、管段的銜接6、管段水力計(jì)算7、倒虹管水力計(jì)算管渠分布類似河流——樹枝狀管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(dòng)滯緩時(shí)，雜質(zhì)下沉；流速增大時(shí)，亦有沖刷現(xiàn)象，可能破壞管道。水流在管道流動(dòng)時(shí)，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個(gè)方向受到管道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。管道有時(shí)在水壓下流動(dòng)，這時(shí)的水流方式稱管流或壓力流。排水管渠水力計(jì)算的任務(wù)是：根據(jù)管段的設(shè)計(jì)流量，選定既能防止淤積又不會(huì)引起沖刷的流速，確定排水管渠的斷面尺寸和高程，并使管渠的敷設(shè)經(jīng)濟(jì)合理。計(jì)算確定管徑坡度高程水力學(xué)計(jì)算要滿足下列要求不溢流不淤積不沖洗管壁通風(fēng)第一節(jié)污水管渠水力設(shè)計(jì)原則第二節(jié)管渠水力計(jì)算基本公式

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。流量公式：流速公式：qv——設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量，m3/s；A——設(shè)計(jì)管段的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；v——設(shè)計(jì)管段過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲琺/s；R——水力半徑（過水?dāng)嗝婷娣e與濕周的比值），m；I——水力坡度（即水面坡度，也等于管底坡度i）；n——管壁粗糙系數(shù)。表2-1第三節(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)算圖等。六個(gè)水力要素：D-管徑、n-粗造系數(shù)h/D-充滿度、i-坡度、qv-流量、V-流速D、n已知，只要知道兩個(gè)就可求出另兩個(gè)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。（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(diǎn)，這一點(diǎn)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(diǎn)，這交點(diǎn)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(diǎn)，估計(jì)這根線代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。（5）這交點(diǎn)又落在代表h/D＝0.50和0.55兩根斜線之間，估計(jì)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(diǎn)落在代表i＝0.0057的橫線上，求得i＝0.0057。（5）這交點(diǎn)又落在h/D＝0.53的斜線上，求得h/D＝0.53。2、已知：

n=0.014，D=600mm，qv=62L/s，v=0.85m/s。求i和h/D。練習(xí)1、已知：

n=0.014，D=400mm，i=0.0018，qv=35L/s。求v和h/D。第四節(jié)管渠水力設(shè)計(jì)主要參數(shù)

充滿度示意設(shè)計(jì)充滿度管道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值。一、設(shè)計(jì)充滿度管道是按不滿流的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)流量下，管道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值c稱為設(shè)計(jì)充滿度。0.7510000.70500~9000.65350~4500.55200~300最大設(shè)計(jì)充滿度(h/D或h/H)管徑或渠高/mm最大設(shè)計(jì)充滿度二、設(shè)計(jì)流速設(shè)計(jì)流速是管渠中流量到達(dá)設(shè)計(jì)流量時(shí)的水流速度。污水管渠的最小設(shè)計(jì)流速為0.6m/s；明渠的最小設(shè)計(jì)流速為0.4m/s。最大設(shè)計(jì)流速非金屬管為5m/s，鋼管為10m/s。防止淤積所需的管渠設(shè)計(jì)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(duì)密度)有關(guān)。各設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流速從上游到下游最好是逐漸增加的。三、最小管徑最小管徑和最小設(shè)計(jì)坡度管道類別最小管徑/mm最小設(shè)計(jì)坡度i污水管300塑料管0.002，其他0.003雨水管和合流管300塑料管0.002，其他0.003雨水口連接管2000.01重力輸泥管2000.01四、最小設(shè)計(jì)坡度和不計(jì)算管段的最小設(shè)計(jì)坡度坡度和流速存在一定的關(guān)系()，同最小設(shè)計(jì)流速相應(yīng)的坡度就是最小設(shè)計(jì)坡度。因設(shè)計(jì)流量很小而采用的最小管徑的設(shè)計(jì)管段稱為不計(jì)算管段。五、管道的埋設(shè)深度和覆土厚度管道的埋設(shè)深度是指管底的內(nèi)壁到地面的距離。

在干燥土壤中，管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。管道的覆土厚度是指管頂?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管道中的污水冰凍和因土壤冰凍膨脹而損壞管道必須防止管壁被車輛造成的活荷載壓壞必須滿足支管在銜接上的要求污水在管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管道或水溫和它接近的工業(yè)廢水管道，管底在冰凍線之上的距離不得大于0.15m。管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。街管的最小覆土厚度？可用下式計(jì)算：式中：d——街管的最小覆土厚度，m；圖2-6h——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起端的最小埋深，m；i——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的坡度；L——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的總長度，m；h1——街管檢查井處地面高程，m；h2——街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起點(diǎn)檢查井處地面高程，m。第五節(jié)管段的銜接銜接原則：（1）盡可能提高下游管段的高程，以減少埋深，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。銜接方法管頂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應(yīng)發(fā)生第六節(jié)管段水力計(jì)算應(yīng)知條件：流量Q、設(shè)計(jì)溝段長度L，上游溝段口徑D、溝底高程、埋深、窨井處地面高程、地面坡度I（可根據(jù)高程推算出）基本原則：溝底坡度≈地面坡度口徑與上游口徑相近(一般相等或大于上段口徑一個(gè)級(jí)別)例2-4已知設(shè)計(jì)管段長度L為240m；地面坡度I為0.0024；流量qV為40L/s，上游管段管徑D＝300mm，充滿度h/D為0.55，管底高程為44.22m，地面高程為46.06m，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少埋深。（1）令D＝300mm，查圖，當(dāng)D＝300mm，qV＝40L/s，h/D=0.55時(shí)，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(shí)，h/D＝0.90>0.55，也不符合要求。（2）令D＝350mm，查圖，當(dāng)D＝350mm，qV＝40L/s，令v＝0.6m/s時(shí)，h/D＝0.66>0.65，也不符合要求。令h/D=0.65時(shí)，i＝0.0015<I＝0.0024，比較適合；采用管頂平接:設(shè)計(jì)管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)設(shè)計(jì)管段的下端管底高程：44.170-2400.0015＝43.810(m)檢驗(yàn)：44.398m高于44.385m，不符合要求，應(yīng)采用水面平接。上游管段下端水面高程：44.220+0.3000.55＝44.385(m)設(shè)計(jì)管段上端水面高程：44.170+0.650.350＝44.398(m)（3）令D＝400mm,查圖,當(dāng)D＝400mm，qV＝40L/s，v＝0.6m/s時(shí)，h/D＝0.53，i＝0.00145。與D＝350mm相比較，管段設(shè)計(jì)坡度基本相同，管段容積未充分利用，管管埋深反而增加0.05m。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。上流管段的下端水面高程:44.22+0.30.55＝44.385(m)設(shè)計(jì)管段的上端管底高程:44.385-0.350.65＝44.158(m)設(shè)計(jì)管段的下端管底高程:44.158-2400.0015＝43.798(m)例2-5已知設(shè)計(jì)管段長度L＝130m，地面坡度I＝0.0014，流量qV＝56L/s，上游管段口徑D＝350mm，充滿度h/D＝0.59，管底高程為43.67m，地面高程為45.48m。求：設(shè)計(jì)管段的口徑與管底高程。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(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＝350m，查圖，當(dāng)D＝350mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時(shí)，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65不合格。當(dāng)h/D＝0.65時(shí)，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝0.0014，不很理想。（2）令D＝400mm,查圖,當(dāng)D＝400mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時(shí)，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，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。管段坡度接近地面坡度I＝0.0014。采用管頂平接:設(shè)計(jì)管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)采用水面平接:上游管段的下端管底高程:43.67+0.3500.59＝43.877(m)設(shè)計(jì)管段的上端管底高程:43.877-0.650.350＝43.650(m)設(shè)計(jì)管段下端管底高程:43.650-1300.0030＝43.260(m)設(shè)計(jì)管段的下端管底高程:43.620-1300.00145＝43.43(m)施工高程：43.43(m)檢驗(yàn)：上游管段下端水面高程：43.877(m)43.880高于43.877，雖不符合要求，但可接受(下端管底施工高程略低于計(jì)算值)。設(shè)計(jì)管段上端水面高程：43.620+0.650.400＝43.880(m)（3）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，假如在平坦的地區(qū)，以后還有很長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)，上游管段D＝400m，和h/D＝0.61，其下端管底高程為43.40m，覆土厚度0.7m。如下圖所示：求：管徑與管底高程。解：本例的特點(diǎn)是地面坡度充分，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，且口徑可小于上游管段。（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65時(shí)，查圖得qV＝133L/s>66L/s。（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65時(shí)，查圖得qV＝91L/s>66L/s。（3）令D＝300mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.55時(shí)，查圖得qV＝47L/s>66L/s。（4）可以選用D＝350mm，i＝0.008