水污染控制工程第二章排水管渠水力计算

1、第一节第一节 污水沟道水力学设计的原则污水沟道水力学设计的原则第二节第二节 沟道水力学计算用的基本公式沟道水力学计算用的基本公式第三节第三节 水力学算图水力学算图第四节第四节 沟道水力学设计参数沟道水力学设计参数第五节第五节 沟段的衔接沟段的衔接第六节第六节 沟段水力学计算沟段水力学计算第七节第七节 倒虹管水力学计算倒虹管水力学计算v沟道的分布类似河流，呈树枝状。支沟汇集成干沟，干沟汇集成主干沟，由小到大，水流亦有肯定不变的方向。水流在沟道流动时，水流上方是大气，具有自由的表面，而其它3方面受到固体界面的限制，这种水流方式在水力学中称明渠流，或重力流。v沟道中水流受到重力作用从高处流向低处；污

2、水中含有固体杂质，污水流动滞缓时，杂质下沉；流速增大时，亦有冲刷现象，可能破坏沟道。v沟道有时在水压下流动，称为管流或压力流。 水流在沟道流动时，水流上方是大气，具有水流在沟道流动时，水流上方是大气，具有自由的表面，而其他三个方向受到沟道固体界面自由的表面，而其他三个方向受到沟道固体界面的限制，称明渠流或重力流。的限制，称明渠流或重力流。 沟道有时在水压下流动，这时的水流方式称沟道有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。管流或压力流。第一节第一节 污水沟道水力学污水沟道水力学设计的原则设计的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

3、流不溢流不淤积不淤积不冲洗管壁不冲洗管壁要通风要通风（充满度h/D）（Vmin）（Vmax）（充满度h/D）第二节第二节 沟道水力学计算用的沟道水力学计算用的基本公式基本公式 设计管段是相邻的两个窨井间的沟段。设计管段是相邻的两个窨井间的沟段。 当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时，当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时，可以合并为一条设计沟段。可以合并为一条设计沟段。流量公式：流量公式：AvqV流速公式：流速公式：21321IRnv qv设计沟段的设计流量，设计沟段的设计流量，m3/s； A设计沟段的过水断面面设计沟段的过水断面面积，积，m2 ；v设计沟段过水断面的平均设计沟段过水断面

4、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，也等于沟底坡度也等于沟底坡度i） ；n沟壁粗糙系数。沟壁粗糙系数。第三节第三节 水力学算图水力学算图 水力学算图有不满流圆形沟道水力学算图、水力学算图有不满流圆形沟道水力学算图、满流圆形沟道水力学算图、满流矩形水力学算满流圆形沟道水力学算图、满流矩形水力学算图和明渠流用的水力学算图等。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，qV25.5L/s，求，求v和和h/D。解：（解：（1） D

5、300mm，采用教材中图采用教材中图2-2。 在具体的计算中，已知设计流量q以及管道粗糙系数n，需要求管径 D、充满度h/D，管道坡度I 和流速 v ，两个方程式，因此采用水力计算图。21321IRAnq21321IRnv水力计算示意图水力计算示意图 h/D 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.750.00800.00600.00500.00400.0030 i0.00200.00150.00100.00087 8 9 10 15 20 30 40 50 60 70 qv /(L.s-1) （2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，横的代

6、表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度，横的代表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度，从左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数目从左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数目字代表相应要素的值。先从纵轴字代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度表示坡度)上的上的数字中找数字中找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qV25.5L/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

7、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 2-2 已知已知n0.014，D300mm， qV 26L/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qV26L/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

8、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，qV38L/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qV38L/s的那根竖线。的那根竖线。 （3）找出代表）找出代表v1.0m

9、/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的斜线上，求得的斜线上，求得h/D0.53。第四节第四节 沟道水力学设计参数沟道水力学设计参数1.设计充满度(h/D)2.设计流速(Vmin、Vmax)3.最小管径(Dmin)4.最小设计坡度(Imin)5.污水管道的埋设深度注：参照室外给排水设计规范(GBJ14-87 1997)1.设计充满度设计充满度(1)概念概念：在设计流量下，污水管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度(或水深比)，当h/D为1

10、时称为满流，I0.0024，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；令埋深的原则；令v0.6m/s时，时，h/D0.900.55，也不符合要，也不符合要求。求。采用沟顶平接采用沟顶平接:设计沟段上端沟底高程：设计沟段上端沟底高程：44.220+0.300-0.35044.170(m)设计沟段的下端沟底高程：设计沟段的下端沟底高程：44.170-240 0.001543.810(m)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。上游沟段下端水面高程：上游沟段下端水面高程： 44.220+0.300 0.5544.385(m

11、)设计沟段上端水面高程：设计沟段上端水面高程： 44.170+0.65 0.35044.398(m) （2）令）令D400 mm,查图查图,当当D400mm，qV40L/s，v0.6m/s时，时，h/D0.53，i0.00145。与。与D350mm相比相比较，沟管设计坡度基本相同，沟管容积未充分利用，沟较，沟管设计坡度基本相同，沟管容积未充分利用，沟管埋深反而增加管埋深反而增加0.05m。另外，沟管口径一般不跳级增加，。另外，沟管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。 （3）沟底高程修正：采用水面平接。）沟底高程修正：采用水面平接。上流沟段的下端水面高

12、程上流沟段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.5544.385(m)设计沟段的上端沟底高程设计沟段的上端沟底高程: 44.385-0.35 0.6544.158(m)设计沟段的下端沟底高程设计沟段的下端沟底高程: 44.158-240 0.001543.798(m) 例例 2-5 已知设计沟段长度已知设计沟段长度L130m，地面坡度，地面坡度I0.0014，流量，流量qV56L/s，上游沟段口径，上游沟段口径D350mm，充满度充满度h/D0.59，沟底高程为，沟底高程为43.67m，地面高程为，地面高程为45.48m。 求：设计沟段的口径与沟底高程。求：设计沟段的口径与沟底高程。 解：

13、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沟段坡度小于地面坡度。计沟段坡度小于地面坡度。 （1）令）令D350m，查图，当，查图，当D350mm，qV56L/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，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。，不很理想。 （2）令）令D400mm,查图查图,当当D400mm，qV56L/s，v0.60m/s时，时，i0.0012，但，但h/D0.

14、700.65，不符合规定；，不符合规定；当当h/D0.65时，时，i0.00145，v0.65m/s,符合要求。沟管符合要求。沟管坡度接近地面坡度坡度接近地面坡度I0.0014。采用沟顶平接采用沟顶平接:设计沟段的上端沟底高程：设计沟段的上端沟底高程：43.67+0.350-0.40043.620(m)采用水面平接采用水面平接:设计沟段的下端沟底高程设计沟段的下端沟底高程: 43.67+0.350 0.5943.877(m)设计沟段的上端沟底高程设计沟段的上端沟底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)设计沟段下端沟底高程设计沟段下端沟底高程: 43.650-130 0.0

15、03043.260(m)设计沟段的下端沟底高程设计沟段的下端沟底高程: 43.620-130 0.0014543.43(m)施工高程：施工高程：43.43(m)检验：检验：上游沟段下端水面高程：上游沟段下端水面高程：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(下端沟底下端沟底施工高程略低于计算值施工高程略低于计算值)。设计沟段上端水面高程：设计沟段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）从本设计沟段的造价而论，第一答案可能比第）从本设计沟段的造价而论，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的沟管都将落下

16、二答案便宜；但是，后面的沟管都将落下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，以后还有很长的沟段以及覆土厚度如在平坦的地区，以后还有很长的沟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，qV66L/s，I0.008(上端上端地面高程地面高程44.50m，下端地面高程，下端地面高程43.40m)，上游沟段，上游沟段D400m，和，和h/D0.61，其下端沟底高程为，其下端沟底高程为43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下图所示：。如下图所

17、示： 求：管径与沟底高程。求：管径与沟底高程。 解：本例的特点是地面坡度充分，偏大。上游沟解：本例的特点是地面坡度充分，偏大。上游沟段下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计沟段坡度段下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计沟段坡度将小于地面坡度，且口径可小于上游沟段。将小于地面坡度，且口径可小于上游沟段。 （1）令）令D400mm，i0.008，h/D0.65时，查时，查图得图得qV133L/s66L/s。 （2）令）令D350mm，iI0.008，h/D0.65时，时，查图得查图得qV91L/s66L/s。 （3）令）令D300mm， iI0.008，h/D0.55时，时，查图得查图得qV47L/

18、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，沟道管径可以较上游小面坡度变陡处，沟道管径可以较上游小1或或2级。下面计算级。下面计算沟底高程。沟底高程。 D=350mm，qV=66L/s，I0.008 时，查图得：时，查图得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。，合格。 （5）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最大流速，这时沟道设计坡度必须减少，并且设计沟段上端大流速，这时沟道设计坡度必须减少，并且设计沟段上端窨井应采用跌水井。窨井应采用跌水井。采用沟底平接采用沟底平接:设计沟段上端沟底高程上游沟段下端沟底高程设计沟段上端沟底高程上游沟段下端沟底高程43.40(m)设计沟段下端沟底高程