水力学计算

《水污染控制工程》唐玉朝安徽建筑工业学院环境工程系E-mail:[e-mail]talEngineering,AnhuiUniversityofArchitecture第二章排水管渠水力学计算WaterPollutionControlEngineering排水管渠水力计算1.管渠设计原则2.管渠水力计算公式3.水力学算图4.管渠水力设计参数5.管段的衔接6.管段水力计算7.倒虹管水力计算1.管渠设计原则WaterPollutionControlEngineering1.管渠设计原则1．管渠水流概况水流方向固定，由高向低，由小变大；雨水污水为重力流，但雨水有时会形成压力流。2.污水管渠设计原则要求(A).不溢流:溢流导致污染环境,采用最大流量设计,且不满流,有余地;(B).不淤积:淤积堵塞管渠,有最低流速的限制;(C).不冲刷:防损坏管渠,有最大流速限制;(D).要通风:污水管渠有害气体,要及时通风散气.WaterPollutionControlEngineering1.管渠设计原则2.雨水管渠设计原则要求(A).就近排入地面水体,减少管渠的设置:降低造价,避免大面积收水,设计流量过大;(B).不淤积,不冲刷:防损坏管渠,有最大流速限制;(C).尽量避免设置雨水泵站:雨水设计流量大,对系统运行冲击影响大.比较雨水与污水的设计要求.返回2.管渠水力计算基本公式WaterPollutionControlEngineering2.管渠水力计算公式设计管段一般不长,在不长的管道中,水流量变化小,设计中简化为均匀流公式.关于设计管段.1234WaterPollutionControlEngineering2.管渠水力计算公式流量公式：流速公式：，Q设计流量,A过水断面,v管道水流平均流速,R水力半径,即过水断面面积与湿周的比值,I水力坡度,即水面的坡度,n为粗糙系数,与管道所用材料有关,一般多用0.014.1/22/3IRn1vQ=AvWaterPollutionControlEngineering2.管渠水力计算公式排水管渠粗糙系数返回3.水力学算图WaterPollutionControlEngineering3.水力学算图管渠水力计算基本公式涉及到的水力学要素有6个,(流量Q,粗糙系数n,流速v,管径D,充满度h/D,水力坡度i)对于每个管段只有流量Q和粗糙系数n已知,还需要确定2个要素才能确定其他要素.为了计算方便,可采用水力学算图.不满流圆形、满流圆形、满流矩形、明渠水力学算图。注意图中两条虚线的意义。WaterPollutionControlEngineering例题2-1：n=0.014，D=300，i=0.0024，Q=25.5L/s，求流速和充满度。先确定算图,n=0.014，D=300的那一张.3.水力学算图WaterPollutionControlEngineering例题2-1再找出i=0.0024，Q=25.5L/s的交点，得出：v=0.64h/D=0.56WaterPollutionControlEngineering3.水力学算图例题2-2，n=0.014，D=300，i=0.003，Q=26L/s，求流速和充满度。需要注意当交点不是正好在线上需要估计数值。例题2-3，n=0.014，D=300，Q=38L/s，v=1.0m/s，查图得到h/D=0.55,i=0.0055。WaterPollutionControlEngineering例题2-3例题2-2h/D=0.55,i=0.0055h/D=0.52,v=0.71WaterPollutionControlEngineering3.水力学算图例题:(1)n=0.014,D=350,i=0.0018,Q=36L/s,求h/D和v；0.58，0.63；(2)n=0.013,h/D=1,Q=200,i=0.0020，求D和v,D=600,v=0.89WaterPollutionControlEngineeringh/D=0.58v=0.63WaterPollutionControlEngineeringQ=200,i=0.0020;D=500,无解；Q=200,D=500,i=0.0024,v=0.95；Q=200,D=600,i=0.0009,v=0.68；WaterPollutionControlEngineering3.水力学算图注意:管道设计时一般只有流量和地面坡度，粗糙系数由材料决定。已知流量，粗糙系数后，根据地面坡度情况确定水力坡度(水力坡度适宜与地面坡度接近，埋深增加快需要尽量减小坡度)，确定管径D(D要尽可能的小)。查算图确定流速，h/D，满足相关要求。返回4.管渠水力学设计参数WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数(1).充满度：设计充满度的规定，不满流、所以存在充满度，关于充满度的含义，见图2-4。设计要尽量接近最大充满度，否则管道容积利用率低，浪费。但是不能超过最大充满度，否则容易溢流。hDWaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数最大设计充满度雨水管道和合流管道应按满流计算WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数(2).设计流速：排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定：1.污水管道在设计充满度下为0.6m/s；2.雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s；3.明渠为0.4m/s。WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数排水管道的最大设计流速，宜符合下列规定：1.金属管道为10.0m/s;2.非金属管道为5.0m/s。WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数最小最大流速的一些规定:1.污水厂压力输泥管的最小设计流速,一般可按规定取值.2.排水管道采用压力流时,压力管道的设计流速宜采用0.7~2.0m/s.3.但是对于一些含油类和矿物颗粒的工业废水,最好以实验确定最小流速,否则可能淤积或堵塞.4.在平坦地区需要尽量减小坡度,适当调整流速.5.从上游到下游最好流速逐渐增加.WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数(3)最小管径和坡度：当计算管径特别小，用最小管径。不计算管段。最小管径与相应最小设计坡度管道类别最小管径相应最小设计坡度污水管300塑料0.002(0.003)雨水管和合流管300塑料0.002(0.003)雨水口连接管2000.01压力输泥管150－重力输泥管2000.01WaterPollutionControlEngineering4.管渠水力设计参数(4).埋深和覆土厚度埋深是管底内壁到地面的距离，覆土厚度：管顶外壁到地面距离。最大埋深干燥土7-8m，多水砂地区，5m。应该尽量减少埋深。最小覆土厚度,防止污水冰冻和土壤冰冻破坏管道,防止车辆动荷载压坏管道,满足支管衔接.无保温的生活污水或工业废水,管底在冰冻线下.荷载方面，在车行道下,0.7m;人行道0.6m.返回5.管段的衔接WaterPollutionControlEngineering5.管段的衔接衔接的要求：①减小埋深、降低造价，②下游水位低于上游，否则回水，发生水流不畅，③下游管底低于上游，否则淤积，沉积，堵塞管道。WaterPollutionControlEngineering5.管段的衔接管顶平接：上下游管顶内壁高程相同.多为异管径，如下游充满度小，则同管径也可以管顶平接(实质也是管底平接).WaterPollutionControlEngineering5.管段的衔接水面平接：上下游管道水面高程相同，充满度0.8处平接的含义。多为同管径，由于下游充满度大，所以不能管顶接，异管径也可以水面接。WaterPollutionControlEngineering5.管段的衔接管底平接：上下游管底内壁高程相同；下游管道管径小(出现在坡度加大时)，必须管底平接。下游管径大而管底平接也是可能的,但很少.WaterPollutionControlEngineering5.管段的衔接非平接的衔接方式：上下游管道落差小，一般不设置跌水井，而是将窨井底部改为斜坡。落差大，需要跌水。返回6.管段水力计算WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算概述:管段在设计时一般已知流量Q和粗糙系数n,其他水力学要素待算.根据地面高程可计算出地面坡度,管段水力学坡度尽量与地面坡度接近,或尽量减小坡度(在地面坡度很小，或管道走向与地面坡度反)；管道管径变化避免猛增。WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算例题：2-4设计管段长度240m，地面坡度0.0024，流量40l/s，上游管段管径D300mm，充满度0.55，管底高程44.22m，地面高程46.06m，覆土厚度1.54m(注意覆土厚度实际上忽略了管壁厚度)。WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算解：由于上游覆土厚度大，所以尽量减小设计坡度。管径D充满度h/D坡度i流速vm/s0.550.00601.040.650.001550.610.530.001450.60300mm350mm400mmWaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算比较D=350mm和D=400mm，D=350mm更合适，如果采用400,则由设计坡度减小引起的管道埋深的减小为240m×0.0001=0.024m，而管道管径与350相比却增加0.05m；此外管道容积未充分利用，h/D由0.65降为0.53；除非流量突然剧烈增加，否则一般不跳级增加管道管径。WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算管段衔接：①采用管顶平接，上游管段管顶高程44.52m。设计管段上端管顶高程：44.52m，管底高程44.52m-0.35m=44.17m。设计管段下端管顶高程：44.17m-240m×0.0015=43.81m。校验水位：上游管段下端水面高程：44.22m+0.300m×0.55=44.385m。设计管段上端水面高程：44.17m+0.350×0.65=44.398m。不符合，需要水面平接。WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算②水面平接，上游管段下端水面高程：44.385m，设计管段上端水面高程：44.385m。设计管段上端管底高程：44.385-0.350×0.65=44.157m。设计管段下端管底高程：44.157m-240m×0.0015=43.797。设计管段下端覆土厚度？设计管段下端地面高程：46.06m-240m×0.0024=45.48m。设计管段下端管顶高程：43.797m+0.35=44.15m。覆土厚度：45.48m-44.15m=1.33m。覆土厚度降低的部分0.21m是由于设计坡度比地面坡度小造成的。WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算例题2-5：设计管段长度130m，地面坡度0.0014，流量56l/s，上游管段D=350mm，h/D=0.59，管底高程43.67m，地面高程45.48m。求设计管段管径D和管底高程.WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算D=35043.6745.481.46管径Dmm充满度h/D坡度i流速vm/s0.650.00300.850.650.001450.64350400WaterPollutionControlEngineering6.管段水力计算D=35043.6745.4