水污染控制工程第二章

1、第一节第一节第一节第一节第一节第一节 管道中的水流情况管道中的水流情况管道中的水流情况管道中的水流情况管道中的水流情况管道中的水流情况第二节第二节第二节第二节第二节第二节 污水管渠水力设计的原则污水管渠水力设计的原则污水管渠水力设计的原则污水管渠水力设计的原则污水管渠水力设计的原则污水管渠水力设计的原则第三节第三节第三节第三节第三节第三节 管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式第四节第四节第四节第四节第四节第四节 水力学算图水力学算图水力学算图水力学算图水力学算图水力学算图第五节第五节第五节第五节第五节第五节 管

2、渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数第六节第六节第六节第六节第六节第六节 管段的衔接管段的衔接管段的衔接管段的衔接管段的衔接管段的衔接第七节第七节第七节第七节第七节第七节 管段水力计算管段水力计算管段水力计算管段水力计算管段水力计算管段水力计算第八节第八节第八节第八节第八节第八节 倒虹管水力计算倒虹管水力计算倒虹管水力计算倒虹管水力计算倒虹管水力计算倒虹管水力计算第一节第一节 管渠中的水流情况管渠中的水流情况 水流在管渠中流动时，水流上方是大气，具水流在管渠中流动时，水流上方是大气，具有自由的表面，而其他三个方向

3、受到管渠固体界有自由的表面，而其他三个方向受到管渠固体界面的限制，称明渠流或重力流。面的限制，称明渠流或重力流。 管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。管流或压力流。第二节第二节 污水管渠水力设计原则污水管渠水力设计原则 计算计算确定确定管径管径坡度坡度高程高程水力学计算要水力学计算要满足下列要求满足下列要求不溢流不溢流不淤积不淤积不冲刷管壁不冲刷管壁通风通风第三节第三节 管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式 设计管段设计管段是相邻的两个窨井间的管段。是相邻的两个窨井间的管段。 当相邻的设计管段能采用同样的当相邻的设计管段能采用同样的口径

4、口径和和坡度坡度时，时，可以合并为一条设计管段。可以合并为一条设计管段。流量公式：流量公式：AvQ 流速公式：流速公式：21321IRnv Q设计管段的设计流量，设计管段的设计流量，m3/s； A设计管段的过水断面面设计管段的过水断面面积，积，m2 ；v设计管段过水断面的平均设计管段过水断面的平均流速，流速，m/s ；R水力半径（过水断面面水力半径（过水断面面积与湿周的比值），积与湿周的比值），m ；I水力坡度（即水面坡度，水力坡度（即水面坡度，也等于管底坡度也等于管底坡度i） ；n管壁粗糙系数。管壁粗糙系数。第四节第四节 水力学算图水力学算图 水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、水力学算图

5、有不满流圆形管道水力学算图、满流圆形管道水力学算图、满流矩形管渠水力满流圆形管道水力学算图、满流矩形管渠水力学算图和明渠流用的水力学算图等。学算图和明渠流用的水力学算图等。 例例 2-1 已知已知n0.014，D300mm，i0.0024，Q25.5L/s，求，求v和和h/D。解：（解：（1） D300mm，采用教材中图采用教材中图2-2。 （2）这张图有四组线条：竖的线条代表）这张图有四组线条：竖的线条代表流量流量，横的代表横的代表坡度坡度，从右向左下倾的斜线代表，从右向左下倾的斜线代表充满度充满度，从左向右下倾的斜线代表从左向右下倾的斜线代表流速流速。每条线上的数字。每条线上的数字代表相应

6、要素的值。先从纵轴代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度表示坡度)上的数上的数字中找字中找0.0024，从而找出代表，从而找出代表i0.0024的横线。的横线。 （3）从横轴）从横轴(表示流量表示流量)上找出代表上找出代表Q25.5L/s的的那根竖线。那根竖线。 （4）代表坡度）代表坡度0.0024的横线和代表流量的横线和代表流量25.5L/s的的竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速0.65m/s的那根斜线上，并靠近代表充满度的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的的那根斜线上。因此求得那根斜线上。因此求得v0.65m/s，h/D0.55。 例例 2-

7、2 已知已知n0.014，D300mm， Q26L/s，i0.003，求，求v和和h/D。解：（解：（1）D300mm，采用教材图采用教材图2-2 。 （2）找出代表）找出代表Q26L/s的那根竖线。的那根竖线。 （3） 找出代表找出代表i0.003的那根横线。的那根横线。 （4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表找出这两根线的交点，这交点落在代表v0.7m/s和和v0.75m/s的两根斜线之间。假如有一根和的两根斜线之间。假如有一根和以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线代表代表v=0.71m/s。求得。求得v0.71m/s。 （5）这

8、交点又落在代表）这交点又落在代表h/D0.50和和0.55两根斜线之两根斜线之间，估计间，估计h/D0.52。于是，求得。于是，求得h/D0.52。 例例 2-3 已知已知n0.014，D300mm，Q38L/s，v1.0m/s，求，求i和和h/D。解：（解：（1） D300mm，采用教材图采用教材图2-2 。 （2）找出代表）找出代表Q38L/s的那根竖线。的那根竖线。 （3）找出代表）找出代表v1.0m/s的那根斜线。的那根斜线。 （4）这两根线的交点落在代表）这两根线的交点落在代表i0.0057的横线的横线上，求得上，求得i0.0057。 （5）这交点又落在）这交点又落在h/D0.53的

9、斜线上，求得的斜线上，求得h/D0.53。第五节第五节 管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数 充满度示意 充满度充满度 管渠中的水深管渠中的水深h和管径和管径D（或渠或渠深深H）的比值。的比值。一、设计充满度一、设计充满度 管渠是按不满流的情况进行设计的。在管渠是按不满流的情况进行设计的。在设计设计流量流量下，下，管渠管渠中的水深中的水深h和管径和管径D（或渠深或渠深H）的的比值称为设计充满度。比值称为设计充满度。0.7510000.705009000.653504500.55200300最大设计充满度最大设计充满度(h/D或或h/H)管径或渠高管径或渠高/mm最大设计充满度最大设计充满度

10、二、设计流速二、设计流速 设计流速是设计流速是管渠管渠中流量到达设计流量时的水流中流量到达设计流量时的水流速度。速度。 污水管渠的最小设计流速为污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明渠的最；明渠的最小设计流速为小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为。最大设计流速混凝土管为5m/s，钢管为，钢管为10m/s 。 防止淤积所需的管渠设计流速的最小限值同废防止淤积所需的管渠设计流速的最小限值同废水中夹带的悬浮物的性质水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度颗粒大小、相对密度)有有关。关。 各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐渐渐增加增加的。的

11、。三、三、 最小管径最小管径污水管道的最小管径和最小设计坡度污水管道的最小管径和最小设计坡度管渠位置管渠位置最小管径最小管径/mm最小设计坡度最小设计坡度i在街坊和厂区内在街坊和厂区内2000.004在街道下在街道下3000.003四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度 坡度和流速存在一定的关系坡度和流速存在一定的关系( )，同，同最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。21321IRnv 因设计流量很小而采用的最小管径的设计管因设计流量很小而采用的最小管径的设计管段称为不计算管段。段称为不计算管段。五、管道

12、的埋设深度和覆土厚度五、管道的埋设深度和覆土厚度 管道的埋设深度是指管管道的埋设深度是指管底底的的内内壁到地面的距离。壁到地面的距离。 在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超过在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超过78m；在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。 管道的覆土厚度是指管管道的覆土厚度是指管顶顶的的外外壁到地面的距离。壁到地面的距离。决定最小覆土决定最小覆土厚度的因素厚度的因素 必须防止管道中的污水冰冻和因必须防止管道中的污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏管道土壤冰冻膨胀而损坏管道 必须防止管壁被车辆造成的活荷必须防止管壁被车辆造成的活荷载压坏载压坏

13、 必须满足支管在衔接上的要求必须满足支管在衔接上的要求 污水在管道中冰冻的可能与污水的水温和土壤的污水在管道中冰冻的可能与污水的水温和土壤的冰冻深度等因素有关。冰冻深度等因素有关。 无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于0.15m。 管顶最小覆土厚度一般不宜小于管顶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房屋排出管的最小埋深通常采用0.550.65m。 街管的最小覆土厚度可用下式计算：街管的最小覆土厚度可用下式计算：21hhiLhd式中：式中

14、：d d街管的最小覆土厚度，街管的最小覆土厚度，m m； h h街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m m； i i街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度；街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度； L L街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，m m； h h1 1街管窨井处地面高程，街管窨井处地面高程，m m； h h2 2街区或厂区内的污水管道起点窨井处地面高程，街区或厂区内的污水管道起点窨井处地面高程，m m。第六节第六节 管段的衔接管段的衔接 衔接原则：衔接原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减少

15、埋深，）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；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；）避免在上游管段中形成回水而造成淤积； （3）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。衔接衔接方法方法管顶平接管顶平接水面平接水面平接管底平接管底平接下游管底高于上游管底下游管底高于上游管底下游水位高于上游水位下游水位高于上游水位不应不应发生发生第七节第七节 管段水力计算管段水力计算 例例 2-4 已知设计管段长度已知设计管段长度L为为240m；地面坡度；地面坡度I为为0.0024；流量；

16、流量Q为为40L/s，上游管段管径，上游管段管径D300mm，充，充满度满度h/D为为0.55，管底高程为，管底高程为44.22m，地面高程为，地面高程为46.06m，覆土厚度为，覆土厚度为1.54m。 求：设计管段的口径和管底高程。求：设计管段的口径和管底高程。 解：由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段解：由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。 （1）令）令D300mm，查图，当查图，当D300mm，Q40L/s，h/D=0.55时，时，i0.0058I0.0024，不符合本题应尽量减少不符合本题应尽量减少埋深的原则；令埋深的

17、原则；令v0.6m/s时，时，h/D0.900.55，也不符合要，也不符合要求。求。 （2）令）令D350mm，查图，当，查图，当D350mm，Q40L/s， v0.6m/s时，时，h/D=0.660.65，不符合要求；令，不符合要求；令h/D=0.65时，时， v0.61m/s 0.6m/s ，符合要求。此时符合要求。此时i0.0015I0.0024，比较合适。，比较合适。采用管顶平接采用管顶平接:设计管段上端管底高程：设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.35044.170(m)设计管段的下端管底高程：设计管段的下端管底高程：44.170-240 0.001543.810(m

18、)检验：检验：44.398m高于高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。，不符合要求，应采用水面平接。上游管段下端水面高程：上游管段下端水面高程： 44.220+0.300 0.5544.385(m)设计管段上端水面高程：设计管段上端水面高程： 44.170+0.65 0.35044.398(m) （3）令）令D400 mm,查图查图,当当D400mm，Q40L/s，v0.6m/s时，时，h/D0.53，i0.00145。与。与D350mm相比相比较，管道设计坡度基本相同，管道容积未充分利用，管较，管道设计坡度基本相同，管道容积未充分利用，管道埋深反而增加道埋深反而增加0.05m。另外

19、，管道口径一般不跳级增加，。另外，管道口径一般不跳级增加，所以所以D350mm，i0.0015的设计为好。的设计为好。 （4）管底高程修正：采用水面平接。）管底高程修正：采用水面平接。上游管段的下端水面高程上游管段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.5544.385(m)设计管段的上端管底高程设计管段的上端管底高程: 44.385-0.35 0.6544.158(m)设计管段的下端管底高程设计管段的下端管底高程: 44.158-240 0.001543.798(m) 例例 2-5 已知设计管段长度已知设计管段长度L130m，地面坡度，地面坡度I0.0014，流量，流量Q56L/s，上游管

20、段口径，上游管段口径D350mm，充满度充满度h/D0.59，管底高程为，管底高程为43.67m，地面高程为，地面高程为45.48m。 求：设计管段的口径与管底高程。求：设计管段的口径与管底高程。 解：覆土厚度为解：覆土厚度为45.48-43.67-0.351.46m。离最小。离最小覆土厚度允许值覆土厚度允许值0.7m较大，因此设计时应尽量使设较大，因此设计时应尽量使设计管段坡度小于地面坡度。计管段坡度小于地面坡度。 （1）令）令D350m，查图，当，查图，当D350mm，Q56L/s，v0.60m/s时，时，i0.0015，但，但h/D0.950.65不合格。当不合格。当h/D0.65时，时

21、，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。，不很理想。 （2）令）令D400mm，查图，当，查图，当D400mm，Q56L/s，v0.60m/s时，时，i0.0012，但，但h/D0.700.65，不符合规，不符合规定；当定；当h/D0.65时，时，i0.00145，v0.65m/s，符合要求。，符合要求。管道坡度接近地面坡度管道坡度接近地面坡度I0.0014。采用管顶平接采用管顶平接:设计管段的上端管底高程：设计管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.40043.620(m)采用水面平接采用水面平接:上游上游管段的下端水面管段的下端水面 高程高程: 43.67+0.

22、350 0.5943.877(m)设计管段的上端管底高程设计管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)设计管段下端管底高程设计管段下端管底高程: 43.650-130 0.003043.260(m)设计管段的下端管底高程设计管段的下端管底高程: 43.620-130 0.0014543.432(m)施工高程：施工高程：43.43(m)检验：检验：上游管段下端水面高程：上游管段下端水面高程：43.877(m) 43.880高于高于43.877，虽不符合要求，但可接受，虽不符合要求，但可接受(下端管底下端管底施工高程略低于计算值施工高程略低于计算值)。设计管段上端水

23、面高程：设计管段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的管道都将落下二答案便宜；但是，后面的管道都将落下0.172m。假。假如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度大于大于0.7m较多时，宜采用第二答案。较多时，宜采用第二答案。 例例 2-6 已知已知L190m，Q66L/s，I0.008(上端上端地面高程地面高程

24、44.50m，下端地面高程，下端地面高程42.98m)，上游管段，上游管段D400m，和，和h/D0.61，其下端管底高程为，其下端管底高程为43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下图所示。如下图所示。 求：管径与管底高程。求：管径与管底高程。 解：本例的特点是地面坡度充分偏大。上游管段解：本例的特点是地面坡度充分偏大。上游管段下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计管段坡度将下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计管段坡度将小于地面坡度，且口径可小于上游管段。小于地面坡度，且口径可小于上游管段。 （1）令）令D400mm，i0.008，h/D0.65时，查时，查图得图得Q133L/s66L/s。 （2）令）令D350mm，iI0.008，h/D0.65时，时，查图得查图得Q91L/s66L/s。 （3）令）令D300mm， iI0.008，h/D0.55时，时，查图得查图得Q47L/s66L/s。 （4）可以选用）可以选用D350mm， i0.008。规范规定，在地。规范规定，在地面坡度变陡处，管道管径可以较上游小面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或或2级。下面计算级。下面计算管底高程。管底高程。 D=350mm，Q=66L/s，I0.008 时，查图得：时，查图得