第二章排水管渠水力学计算

第一节污水管渠水力设计原则第二节水力学计算基本公式第三节水力学算图第四节主要设计参数第五节管段的衔接第六节管段水力学计算沟道水流情况重力流:沟道中水流动时,水上方是大气,具有自由表面,而其它三个方向受到沟道固体界面限制,这种水流方式叫重力流又叫明渠流.管流:沟道有时在水压力流动这时水流方式叫管流又叫压力流.第一节污水管渠水力设计原则不溢流不淤积不冲刷沟壁要注意通风21321IRnv第二节水力学计算基本公式Avqv第三节水力学算图算图分类不满流圆形管道满流圆形管道满流矩形管道明渠流管道的埋设深度和覆土厚度管道的埋设深度是指沟底的内壁到地面的距离。管道的埋设度对整个沟道系统的造价和施工影响很大，沟道愈深，则造价愈贵，施工期愈长。所以，管道的埋设深度小些好，并有一个最大限值，这个限值称做最大埋深。沟道的最大埋深需要根据技术经济指标及施工方法决定。在干燥土壤中，沟道最大埋深一般不超过7-8m；在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。管道的覆土厚度是指沟顶的外壁到地面的距离管沟道埋深小些好，但是，沟道的覆土厚度有一个最小限值，称最小覆土厚度。最小覆土厚度决定于下列三个因素：①必须防止沟道中的污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏沟道；②必须防止沟壁被车辆造成的活荷重压坏；③必须满足支沟在衔接上的要求。街沟的最小土厚度可用下式计算：21hhiLhdd——街沟的最小覆土厚度，m；h——街区或厂区内的污水沟道起端的最小埋深，m；i——街区或厂区内的污水沟道和连接支管的坡度-L——街区或厂区内的污水沟道和连接支管的总长度，m1h——街沟窨井处地面高程，m；2h——街区或厂区内的污水沟道起点窨井处地面高程，m。管段的衔接窨井上下游的管段在衔接时应遵循下述原则：①尽可能提高下游管段的高程，以减少埋深，从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要；②避免在上游管段中形成回水而造成淤积；③不允许下游管段的沟底高于上游沟段的沟底。管段的衔接方法通常采用：沟顶平接水面平接沟底平接（在特殊情况下需要采用）乘插式企口式平口式一、排水管道基础的组成管道管座基础垫层地基§排水管道的基础三、污水管道水力计算的设计规定设计充满度（h/D）设计流速（v）最小管径（D）最小设计坡度（i）§2-3污水管道的水力计算管顶平接是指在水力学计算中，使上游管段和下游管段的管顶内壁的高程相同。采用管顶平接时，上游管段产生回水的可能性较小，但往往使下游管段的埋深增加。水面平接是指在水力学计算中，使上游管段和下游管段的水面高程相同。用水面平接时,常因管道中流量出现变化时(主要是上游的小管道)而产生回水，但下游管道的埋深可以浅些。为了减少下游管道的埋深，也有人建议在充满为0.8处平接。沟底平接是指在水力学计算中，要使上游沟段和下游沟段的沟底内壁的高程相同在一般情况下，异管径沟段采用沟顶平接。有时，当上下游沟段管径相同而下游沟段的充盈深小于上游沟段的充盈深时，(由小坡度转入较陡的坡度时，可能出现这种情况)，也可采用沟顶平接。通常，同管径沟段往往是下游沟段的充盈深大于上游沟段的允盈深，避免上游沟段中形成回水而采用水面平接。在平坦地区，为了减少沟道埋深，异管径的沟段有时也采用水面平接或充满度0.8处平接。当异管径沟段采用沟顶平接而发现下游沟段的水面高于上游沟段的水面时(这种情况并不常见)，应改用水面平接。在特殊情况下，下游管段的管径小于上游管段的管径(坡度突然变陡时，可能出现这种情况)，而不能采用管顶平接或水面平接时，应采用管底平接以防下游沟段的管底高于上游管段的沟底。为了减少管道系统的埋深，虽然下游管管管径大于上游沟管管径，有时也可采用管底平接。总之，沟段的衔接是以尽量减少管道埋深为前提，而且在窨井处不应发生:①下游管底高于上游管底。②下游水位高于上游水位。（1）设计充满度（h/D）——指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。h/D=1时，满流h/D1时，非满流《室外排水设计规范》规定，最大充满度为：管径（D）或暗渠高（H）（mm）最大充满度（h/D）200~300350~450500~900≥10000.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80)hD为什么要做最大设计充满度的规定？1、预留一定的过水能力，防止水量变化的冲击，为未预见水量的增长留有余地；2、有利于管道内的通风；3、便于管道的疏通和维护管理。（2）设计流速——与设计流量和设计充满度相应的污水平均流速。最小设计流速：是保证管道内不发生淤积的流速，与污水中所含杂质有关；国外很多专家认为最小流速为0.6-0.75m/s，我国根据试验结果和运行经验确定最小流速为0.6m/s。最大设计流速：是保证管道不被冲刷破坏的流速，与管道材料有关；金属管道的最大流速为10m/s，非金属管道的最大流速为5m/s。***国内一些城市污水管道长期运行的情况说明，超过上述最高限值，并未发生冲刷管道的现象。（3）最小管径1、为什么要规定最小管径？街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为300mm。2、什么叫不计算管段？在管道起端由于流量较小，通过水力计算查得的管径小于最小管径，对于这样的管段可不用再进行其他的水力计算，而直接采用最小管径和相应的最小坡度，这样的管段称为不计算管段。（4）最小设计坡度——相应于最小设计流速的坡度为最小设计坡度，最小设计坡度是保证不发生淤积时的坡度。（1）（2）（3）规定：管径200mm的最小设计坡度为0.004；管径300mm的最小设计坡度为0.003；管径400mm的最小设计坡度为0.0015。四、污水管道的埋设深度管道的埋设深度有两个意义：覆土厚度埋设深度决定污水管道最小覆土厚度的因素有哪些？冰冻线的要求地面荷载满足街坊管连接要求地面管道§2-3污水管道的水力计算H=h+IL+Z1-Z2+Δh式中：H——街道污水管网起点的最小埋深，m；h——街坊污水管起点的最小埋深，0.6~0.7m；Z1——街道污水管起点检查井检查井处地面标高，m；Z2——街坊污水管起点检查井检查井处地面标高，m；I——街坊污水管和连接支管的坡度；L——街坊污水管和连接支管的总长度，m；Δh——连接支管与街道污水管的管内底高差，m。Z1Z2HhΔ连接支管出户管街坊污水管街道污水管L温度与地层深度关系图《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活污水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温措施或水温较高的管道，距离可以加大。国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地的养护经验确定。无养护资料时，采用如下数值：管径小于500mm，管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm，为0.5m。污水管道的埋设深度管道的埋设深度有两个意义：覆土厚度埋设深度决定污水管道最小覆土厚度的因素有哪些？冰冻线的要求地面荷载满足街坊管连接要求地面管道§2-3污水管道的水力计算H=h+iL+h1-h2+Δh式中：H——街道污水管网起点的最小埋深，m；h——街坊污水管起点的最小埋深，0.6~0.7m；h1——街道污水管起点检查井检查井处地面标高，m；h2——街坊污水管起点检查井检查井处地面标高，m；i——街坊污水管和连接支管的坡度；L——街坊污水管和连接支管的总长度，m；Δh——连接支管与街道污水管的管内底高差，m。Z1Z2HhΔ连接支管出户管街坊污水管街道污水管L污水管道水力计算的方法1、需要确定的参数流量Q、管径D、坡度I、流速v、充满度h/D和埋深H。§2-3污水管道的水力计算2、确定方法首先根据已知资料，计算出流量Q，根据Q值可初步确定管径D；然后，根据Q、D值，求i、h/D、v值。在这三个未知数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。例1已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D。例1已知n=0.014,D=300mm,h/D=0.55,Q=32L/s,求v和I。Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q渗Q渗指地下水渗入量，一般以单位管道延长米或单位服务面积公顷计算，日本规定采用经验数据，按每人每日最大污水量的10%-20%。§2-2污水设计流量的确定城市及工业企业污水设计总流量：沟段设计步骤：(1)确定主要矛盾，定计算方略；(2)查表格适合之管径、管坡（A）沟管口径一般不跳级增加；（B）在地面坡度变陡处，沟道管径可以较上游小1或2级。(3)决定衔接方式(从比较管坡和地坡入手)；(4)计算沟底高程；(5)检验上下段水面高程；(6)确定最佳计算数据组；第六节管段水力计算第七节倒虹管水力计算有关规定：(1)按满流计算(2)倒虹管内流速一般采用1.2-1.5m/s，在条件困难时可适当降低，但不宜小于0.9m/s，且不得小于上游管渠中的流速。当管内流速达不到0.9m/s，应加定期冲洗措施，冲洗流速不得小于1.2m/s。(3)倒虹管数量①越河道的倒虹管，一般敷设2条工作管道；②过小河、旱沟和洼地时，可敷设1条工作管道；③过特殊重要构筑物(如地下铁道)时，应敷设3工作管道，2条工作1条备用。(4)水平管的管顶距规划河底一般不小于1m水位差)(05.025.12mgviLHH——进水井和出水井间的水位高差；iL——沿程阻力损失；1.5v2/2g——进口、出口、转弯等局部阻力损失；1.5——进口、出口、转弯等局部阻力系数；v——倒虹管内污水流速，m/s；0.05——进水井与出水井间的水位高差H应稍大于全部阻力损失值，一般取0.05~0.10m。局部阻力损失也可按沿程阻力损失值的5％～10％考虑。当倒虹管长度大于60m时，采用5％；等于或小于60m时，采用10％。【例1】倒虹管进水井上游沟道中流量qV＝500L/s，口径D＝1000mm，坡度i＝0.00062，流速v＝0.78m/s，充满度h/D＝0.75，水面高程+0.75m，沟底高程±0.00m。倒虹管出水井下游沟道中的各水力学要素数值与上游沟道相同，试设计直管式倒虹管，并求下游沟道沟底高程。解：(1)确定倒虹管口径倒虹管中水流流速应大于上游沟道，以防淤积，故管径采用800mm。查满流沟管水力学算图，得：当qV＝500L/s，D＝800mm时，i＝0.00143，v＝1.0m/s。（2）确定下游沟底高程（2）确定下游沟底高程倒虹管进水井上游沟管与出水井下游沟管间的水位差：gviLH25.12)m(146.081.9215.1500014.02H采用0.2m（相当于增加0.054m），以改善倒虹管水力学条件。下游沟底高程＝0.75-0.20-0.75＝-0.2（m）【例2】已知最大流量为510L/s，最小流量为120L/s，倒虹管长为100m，共4只15°弯头，倒虹管上游管流速1.0m/s，下游管流速1.24m/s。求倒虹管管径和倒虹管的全部水头损失。解：(1)考虑采用三条管径相同而平行敷设的倒虹管线，每条倒虹管的最大流量为510/3＝170L/s，查水力计算表得倒虹管管径D＝400mm，水力坡度i=0.0065，流速v＝1.37m/s，此流速大于允许的最小流速0.9m/s，也大于上游沟管流速1.0m/s。(2)在最小流量120L/s时，只用一条倒虹管工作，此时查表得到流速为1.0m/s0.9m/s。(3)倒虹管沿程水力损失值：iL＝0.0065×100＝0.65m(4)倒虹管全部水力损失值：H1＝1.05×0.65＝0.683m(5)倒虹管进、出水井水位差值：H=H1＋0.10=0.683＋0.10＝0.783m常用排水泵1、离心泵通常使用的排水泵是离心式的。城市排水系统中常采用立式污水泵。2、混流泵构造基本上与离心泵相