2022年渠道水力学基础知识

1、第三章 渠道水力学第一节 管道中的水流情况第二节 污水管道水力学设计的原则第三节 管道水力学计算用的基本公式第四节 水力学算图第五节 管道水力学设计数据第六节 管段的衔接第七节 管段水力学计算举例第八节 倒虹管水力学计算举例第九节 常用排水泵第十节 排水泵站水力学计算举例第一节 管道中的水流情况一、污水管道内水质特点含有一定数量的无机物和有机物，但总的说来，污水中的水分一般在99%以上，因此可假定污水按照一般液体流动的规律流动。二、污水管道内水流特点 重力流非满流近似均匀流（管道有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。）第二节 污水管道水力学设计的原则计算确定管径坡度高程水力学计算要满

2、足下列要求不溢流不淤积不冲洗管壁通风第三节 管道水力学计算用的基本公式设计管段是相邻的两个检查井间的管段。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管段。n管壁粗糙系数 式中：Q流量，m3/s； A过水断面面积，m2； v流速，m/s； R水力半径（过水断面积与湿周的比值），m； I水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； C流速系数，或谢才系数。C值一般按曼宁公式计算，即管壁粗糙系数n值管渠种类n值UPVC管、PE管、玻璃钢管0.0090.01陶土管、铸铁管0.013混凝土和钢筋混凝土管0.0130.014石棉水泥管、钢管0.012水泥砂浆抹面渠道0.0130.014浆砌砖渠

3、道0.015浆砌块石渠道0.017干砌块石渠道0.0200.025土明渠（包括带草皮的）0.0250.030木槽0.0120.014设计充满度（h/D）设计流速（v）最小管径（D）最小设计坡度（i）污水管道的埋设深度污水管道的衔接水力设计参数第四节 水力学算图水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、满流圆形管道水力学算图、满流矩形水力学算图和明渠流用的水力学算图。例3-1 已知n=0.014，D=300mm，i=0.0024，Q=25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D=300mm，采用附录二中附图2-3。（2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，横的代表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度，从

4、左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数字代表相应要素的值。先从纵轴（表示坡度）上的数字找0.0024，从而找出代表i=0.0024的横线。（3）从横轴（表示流量）上找出Q=25.5L/s的那根竖线。（4）代表坡度0.0024的横线和代表流量25.5L/s的竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速0.65m/s的斜线上，并靠近充满度0.55的斜线。因此，v= 0.65m/s，h/D=0.55第五节 管道水力学设计数据一、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/D 1时，非满流室外排水设计规范规定，最大设计充满度为：hD管径（D）或暗渠高（H） （m

5、m）最大充满度（h/D）2003003504505009001000 0.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80) 对于明渠流：规范规定，设计超高（渠中水面与渠顶间高度）不小于0.2米。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。一、设计充满度（h/D）二、设计流速（v）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

6、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。三、最小管径（D）1.为什么要规定最小管径？管径过小，管道容易堵塞。如： 150mm与200mm的管道比较，前者堵塞的次数有时是后者的2倍，使管道的养护管理费用增加；而在相同的埋深下，施工费用相差不多。若将计算出的150mm改为200mm的管道的话，维护费用减少，而且，管道的坡度可减小，使管道的埋深减小。街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为3

7、00mm。三、最小管径（D）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。200mm，i=0.004，9.19L/s300mm，i=0.003， 14.63L/s四、最小设计坡度（i）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。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度管道的埋设

8、深度是指管底的内壁到地面的距离。覆土厚度埋设深度地面管道覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。1、管网的造价在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、管道直径、施工现场地质条件、管道埋设深度等四个主要因素决定。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、决定污水管道最小覆土厚度的因素(1)满足地面荷载的要求车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非车行道下，污水管的最小覆土厚度可适当减小。(2)冰冻线的要求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

9、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。2、决定污水管道最小覆土厚度的因素(3)满足街坊管连接要求H=Z1 （Z2h） IL +h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，0.60.7m； 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； h连接支管与街道污水管的管内底高差，m。 五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、决定污水管道最小覆土厚度的因素对于每一个具体的设计管段，从上述三个不同的因素出发，可

10、以得到三个不同的管底埋深或管顶覆土厚度值，这三个数值中的最大一个值就是该管段的允许最小埋设深度或最小覆土厚度。除考虑最小埋深外，还应考虑最大埋深： 在干燥土壤中，一般不超过78 m； 在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5 m。第六节 管段的衔接一、衔接的原则(1)尽可能提高下游管段的高程，以减小埋深，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)不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。二、衔接的方式注意：（1）不应发生下游管底高于上游；（2）不应发生下游水位高于上游。管顶平接水面平接管底平接第七节 管段水力学计算举例例3-2 已知设计管段长度L为240m

11、；地面坡度I为0.0024；流量Q为40L/s，上游管段管径D为300mm，充满度h/D为0.55，管底高程为44.220m，地面高程为46.060m，覆土厚度为1.54m。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，设计管段坡度应尽量小于地面坡度以减小管段埋深。（1）令D=300mm，查图，当D=300mm，Q=40L/s，h/D=0.55时，i=0.00580.0024，不符合减小埋深的原则；令v=0.6m/s时，h/D=0.900.55，也不符合要求。（2）令D=350mm，查图，当D=350mm，Q=40L/s，h/D=0.65时，i=0.00150.0024，v=0

12、.61m/s0.6m/s，符合要求。采用管顶平接设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350=44.170m设计管段下端管底高程：44.170-2400.0015=43.810m检验上游管段下端水面高程：44.220+0.3000.55=44.385m设计管段上端水面高程：44.170+0.650.350=44.398m44.398m高于44.385，不符合要求，应采用水面平接。（3）令D=400mm，查图，当D=400mm，Q=40L/s，v=0.6m/s时，h/D=0.53，i=0.00145。与D=350mm比较，管段设计坡度基本相同，管段容积未充分利用，管段埋深反而增加0

13、.05m。另外，管段口径一般不跳级增加，所以，D=350mm，i=0.0015的设计为好。（4）管底高程修正：采用水面平接。上游管段的下端水面高程：44.22+0.30.55=44.385m设计管段的上端管底高程：44.385-0.350.65=44.158m设计管段的下端管底高程：44.158-2400.0015=43.798m例3-3 已知设计管段长度L为130m；地面坡度I为0.0014；流量Q为56L/s，上游管段管径D为350mm，充满度h/D为0.59，管底高程为43.67m，地面高程为45.48m。求：设计管段的口径和管底高程。解：覆土厚度为45.38-43.67-0.35=1.

14、46m。离最小覆土厚度允许值0.7m差距较大，因此设计时应尽量使设计管段坡度小于地面坡度。（1）令D=350mm，查图，当D=350mm，Q=56L/s，v=0.6m/s时，i=0.0015，但h/D=0.950.65，不合格。当h/D=0.65时，v=0.85m/s，i=0.00300.0014，不很理想。上游管段的水面高程：43.67+0.350.59=43.877m采用水面平接设计管段的上端管底高程：43.877-0.350.65=43.650m设计管段的下端管底高程：43.65-1300.0030=43.260m（2）令D=400mm，查图，当D=400mm，Q=56L/s， v=0.

15、6m/s时，i=0.0012，但h/D=0.700.65，不符合规定；当h/D=0.65时，i=0.00145，v=0.65m/s，符合要求。管底坡度接近地面坡度i=0.0014。采用管顶平接设计管段的上端管底高程：43.67+0.35-0.4=43.62m设计管段的下端管底高程：43.62-1300.00145=43.432m上游管段下端水面高程：43.877m检验设计管段上端水面高程：43.62+0.650.4=43.88m43.88m略高于43.877m，虽不符合要求，但可接受（下端管底施工高程43.432m略低于计算值）。（3）究竟采用D=350mm，i=0.0030，还是采用D=40

16、0mm，i=0.00145，在前一组答案里下端管底高程是43.26m，比后一组答案里的高程43.432m，低0.172m。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，后面的管段都将落下0.172m。假如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度大于0.7m较多时，宜采用第二答案。例3-4 已知设计管段长度L为190m；Q=66L/s，I为0.008（上端地面高程44.50m，下端地面高程42.98m），上游管段管径D为400mm，充满度h/D为0.61，下端管底高程为43.40m，覆土厚度0.7m。求：管径和管底高程。解：本例的特点是

17、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小于地面坡度，其口径可小于上游管段。（1）令D=400mm，i=I=0.008，h/D=0.65时，查图得Q=133L/s66L/s。（2）令D=350mm，i=I=0.008，h/D=0.65时，查图得Q=91L/s66L/s。（3）令D=300mm，i=I=0.008，h/D=0.55时，查图得Q=47L/s66L/s。（4）可以选用D=350mm，i=0.008。规范规定，在地面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或2级。下面计算管底高程。D=350mm，Q=66L/s，I=0.008时，查图得：h/D0.53，v=

18、1.28m/s，合格。采用管底平接：设计管段上端管底高程=上游管段下端管底高程=43.40m设计管段下端管底高程：43.40-1900.008=41.88m（5）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减小，并且设计管段上端检查井采用跌水井。第八节 倒虹管水力学计算举例例3-5 倒虹管进水井上游管道中流量Q=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，管底高程0.00m。倒虹管出水井下游管道中的各水力学要素数值与上游管道相同。试设计直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。（1）确定

19、倒虹管口径倒虹管中水流流速应大于上游管道，以防淤积，故管径采用800mm。查满流管道水力学算图，得：当Q=500L/s，D=800mm时，i=0.00143，v=1.0m/s。（2）确定下游管底高程倒虹管进水井上游管段与出水井下游管段间的水位差：采用0.20m，以改善倒虹管水力学条件。下游管底高程：0.75-0.20-0.75=-0.2m第九节 常用排水泵常用的排水泵包括：离心泵、混流泵、轴流泵、螺旋泵、螺杆泵以及潜水/污泵（离心、轴流、混流、螺旋）和气提泵等。一、几种常用的排水泵1、离心泵分卧式和立式两种形式立式优点：（1）占地面积小，能节省造价；（2）水泵和电动机可以分别安放在适宜的地方。

20、立式缺点：（1）对安装技术和机件精度要求都较高；（2）检修不及卧式泵方便。一、几种常用的排水泵2、混流泵泵内主流方向介乎辐射与轴向之间一、几种常用的排水泵3、轴流泵主流方向和泵轴平行一、几种常用的排水泵4、螺旋泵特点：（1）没有阻塞问题；（2）结构简单，可自行制造；（3）无需辅助设备；（4）无需正规泵站；（5）基建投资省；（6）低速运行，机械磨损小，维修方便；（7）电能消耗少；（8）运行费用低；（9）占地较大。提升絮体易碎的回流活性污泥螺旋泵外形一、几种常用的排水泵5、空气提升泵用于提升回流活性污泥结构简单，管理方便，当压缩空气有现成来源时，可以考虑使用一、几种常用的排水泵6、潜污泵无需正规泵

21、站，占地面积小；管路简单，配套设备少潜污泵安装图二、排水泵站的工作特性1、离心泵流量较小，扬程较高，用于提升污水；其最高效率点两侧下降较缓，比较容易控制在高效率状况下运行；水泵的轴功率曲线表明，Qp=0时，轴功率最小，所以应闭闸启动，以减少电动机的启动电流。二、排水泵站的工作特性2、轴流泵流量大，扬程低，额定点功率较高，吸水高度很低，仅有12m。应在出水闸门开启时启动，以减小电动机的启动电流。二、排水泵站的工作特性3、螺旋泵扬程低，转速低，流量范围大，效率稳定，适用于提升回流活性污泥当进水水位达到泵轴心管边缘螺旋叶片处时，提升水量达到最大值三、排水泵引水设备1、真空泵系统启动迅速，效率高，尤其

22、适用于大、中型水泵和吸水管较长的水泵系统；但操作较繁，自控复杂。三、排水泵引水设备2、水射器（泵）适用于小型泵站，具有结构简单、占地小、安装容易、工作可靠等特点。第十节 排水泵站水力学计算举例以水力学原理为基础，设计所需扬水量和扬程需要知道最大设计流量，最小设计流量，确定泵的台数和型号布置泵的位置和出水管的线路，并确定水管的口径核算所选水泵是否合用，是否需要修正管线水头计算方法水流通过管件时有局部水头损失，局部损失的计算公式如下：为简化计算，常化管件为直管，与直管一起计算水头损失。直管水头损失公式为：管件的相当长度公式：当粗糙系数n=0.013时，得：系数的值例3-6 某一工业城镇的人口6000人，居住区生活污水的平均流量为8.5L/s，总变化系数为2.1，则设计流量约为18L/s。工厂甲三班制工作，设计流量为26L/s。工厂乙一班制工作，生活污水和工业废水在8h当中均匀排出，设计流量为6L/s。在终点泵站处的地面高程为41.50m。泵站入流管道的管径为350mm，水面高程为36.45m，管底高程为36.24m。试根据上述条件，作泵站水力设计。解：（1）泵站的最大入流量为18+26+6=50L/s。居住区的生活污水的最小时流量估计为平时日流量的1.0%，则最小入流量等于8