水污染控制工程第二章排水管渠水力计算

第二章沟道水力学第一节污水沟道水力学设计的原则第二节沟道水力学计算用的基本公式第三节水力学算图第四节沟道水力学设计参数第五节沟段的衔接第六节沟段水力学计算第七节倒虹管水力学计算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。沟道中水流受到重力作用从高处流向低处；污水中含有固体杂质，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。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。沟道有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。第一节污水沟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足下列要求不溢流不淤积不冲洗管壁要通风（充满度h/D）（Vmin）（Vmax）（充满度h/D）第二节沟道水力学计算用的基本公式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，可以合并为一条设计沟段。流量公式：流速公式：qv——设计沟段的设计流量，m3/s；A——设计沟段的过水断面面积，m2；v——设计沟段过水断面的平均流速，m/s；R——水力半径（过水断面面积与湿周的比值），m；I——水力坡度（即水面坡度，也等于沟底坡度i）；n——沟壁粗糙系数。第三节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、满流矩形水力学算图和明渠流用的水力学算图等。例2-1已知n＝0.014，D＝300mm，i＝0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D＝300mm，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。水力计算示意图

h/D0.250.350.450.550.650.750.00800.00600.00500.00400.0030

i0.00200.00150.00100.00087891015203040506070qv/(L.s-1)（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(表示坡度)上的数字中找0.0024，从而找出代表i＝0.0024的横线。（3）从横轴(表示流量)上找出代表qV＝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的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的那根斜线上。因此求得v＝0.65m/s，h/D＝0.55。例2-2已知n＝0.014，D＝300mm，qV

＝26L/s，i＝0.003，求v和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材图2-2。（2）找出代表qV＝26L/s的那根竖线。（3）找出代表i＝0.003的那根横线。（4）找出这两根线的交点，这交点落在代表v＝0.7m/s和v＝0.75m/s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，估计这根线代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。（5）这交点又落在代表h/D＝0.50和0.55两根斜线之间，估计h/D＝0.52。于是，求得h/D＝0.52。例2-3已知n＝0.014，D＝300mm，qV＝38L/s，v＝1.0m/s，求i和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材图2-2。（2）找出代表qV＝38L/s的那根竖线。（3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜线。（4）这两根线的交点落在代表i＝0.0057的横线上，求得i＝0.0057。（5）这交点又落在h/D＝0.53的斜线上，求得h/D＝0.53。第四节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》(GBJ14-871997)1.设计充满度(1)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时称为满流，<1时称为不满流。(2)规定最大设计充满度原因：①污水量很难精确计算，应该留有余地；②有利于管内通风，排除有害气体，防止爆炸；③便于管道的疏通和维护管理。一、设计充满度沟道是按不满流的情况进行设计的。在设计流量下，沟道中的水深h和管径D（或渠深H）的比值c称为设计充满度。0.7510000.70500~9000.65350~4500.55200~300最大设计充满度(h/D或h/H)管径或渠高/mm最大设计充满度充满度示意设计充满度沟道中的水深h和管径D（或渠深H）的比值。2.设计流速：和设计流量，设计充满度相对应的水流平均速度叫做设计流速；为了保证管内不发生淤积规定了最小设计流速为0.6m/s；为保证管道不被冲刷损坏规定了最大设计流速，金属管道为10m/s，非金属管道5m/s。设计流速是沟道中流量到达设计流量时的水流速度。污水沟道的最小设计流速为0.6m/s；明沟的最小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为5m/s，钢管为10m/s。防止淤积所需的沟道设计流速的最小限值同废水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有关。各设计沟段的设计流速从上游到下游最好是逐渐增加的。5.污水管道的埋设深度(1)埋设深度的两个意义：

①覆土厚度；②埋设深度(2)最小覆土厚度应满足的三个因素：①必须防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道;②必须防止管壁因地面荷载而受到破坏③必须满足街区污水连接管衔接要求。(3)最大埋深：干燥土壤中最大不超过7~8m；多水、流砂、石灰岩地层中不超过5m。3.最小管径：街区和厂区内最小管径为200mm；在街道下为300mm(在计算出的管径而采用最小管径的管段中可考虑设置冲洗井)。2.设计流速：和设计流量，设计充满度相对应的水流平均速度叫做设计流速；为了保证管内不发生淤积规定了最小设计流速为0.6m/s；为保证管道不被冲刷损坏规定了最大设计流速，金属管道为10m/s，非金属管道5m/s。4.最小设计坡度：相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度为最小设计坡度；管径200mm的为0.004，300mm的为0.003；在圆形管道中在确定最小管径的最小坡度时采用的充满度为0.5三、最小管径污水沟管的最小管径和最小设计坡度沟道位置最小管径/mm最小设计坡度i在街坊和厂区内2000.004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坡度和流速存在一定的关系()，同最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。因设计流量很小而采用的最小管径的设计沟段称为不计算沟段。五、沟道的埋设深度和覆土厚度沟道的埋设深度是指沟底的内壁到地面的距离。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。沟道的覆土厚度是指沟顶的外壁到地面的距离。决定最小覆土厚度的因素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必须防止沟壁被车辆造成的活荷载压坏必须满足支沟在衔接上的要求污水在沟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。无保温措施的生活污水沟道或水温和它接近的工业废水沟道，沟底在冰冻线之上的距离不得大于0.15m。沟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0.55~0.65m。街沟的最小覆土厚度可用下式计算：式中：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——街区或产区内的污水沟道和连接支管的总长度，m；h1——街沟窨井处地面高程，m；h2——街区或厂区内的污水沟道起点窨井处地面高程，m。第六节沟段的衔接衔接原则：（1）尽可能提高下游沟段的高程，以减少埋深，从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要；（2）避免在上游沟段中形成回水而造成淤积；（3）不允许下游沟段的沟底高于上游沟段的沟底。衔接方法沟顶平接水面平接沟底平接下游沟底高于上游沟底下游水位高于上游水位不应发生第七节沟段水力学计算例2-4已知设计沟段长度L为240m；地面坡度I为0.0024；流量qV为40L/s，上游沟段管径D＝300mm，充满度h/D为0.55，沟底高程为44.22m，地面高程为46.06m，覆土厚度为1.54m。求：设计沟段的口径和沟底高程。解：由于上游沟段的覆土厚度较大，设计沟段坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。（1）令D＝300mm，查图，当D＝300mm，qV＝40L/s，h/D=0.55时，i＝0.0058>I＝0.0024，不符合本题应尽量减少埋深的原则；令v＝0.6m/s时，h/D＝0.90>0.55，也不符合要求。采用沟顶平接:设计沟段上端沟底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)设计沟段的下端沟底高程：44.170-2400.0015＝43.810(m)检验：44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。上游沟段下端水面高程：44.220+0.3000.55＝44.385(m)设计沟段上端水面高程：44.170+0.650.350＝44.398(m)（2）令D＝400mm,查图,当D＝400mm，qV＝40L/s，v＝0.6m/s时，h/D＝0.53，i＝0.00145。与D＝350mm相比较，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0.05m。另外，沟管口径一般不跳级增加，所以D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。（3）沟底高程修正：采用水面平接。上流沟段的下端水面高程:44.22+0.30.55＝44.385(m)设计沟段的上端沟底高程:44.385-0.350.65＝44.158(m)设计沟段的下端沟底高程:44.158-2400.0015＝43.798(m)例2-5已知设计沟段长度L＝130m，地面坡度I＝0.0014，流量qV＝56L/s，上游沟段口径D＝350mm，充满度h/D＝0.59，沟底高程为43.67m，地面高程为45.48m。求：设计沟段的口径与沟底高程。解：覆土厚度为45.48-43.67-0.35＝1.46m。离最小覆土厚度允许值0.7m较大，因此设计时应尽量使设计沟段坡度小于地面坡度。（1）令D＝350m，查图，当D＝350mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s时，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65不合格。当h/D＝0.65时，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝0.0014，不很理想。（2）令D＝400mm,查图,当D＝400mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s时，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合规定；当h/D＝0.65时，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。沟管坡度接近地面坡度I＝0.0014。采用沟顶平接:设计沟段的上端沟底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)采用水面平接:设计沟段的下端沟底高程:43.67+0.3500.59＝43.877(m)设计沟段的上端沟底高程:43.877-0.650.350＝43.650(m)设计沟段下端沟底高程:43.650-1300.0030＝43.260(m)设计沟段的下端沟底高程:43.620-1300.00145＝43.43(m)施工高程：43.43(m)检验：上游沟段下端水面高程：43.877(m)43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端沟底施工高程略低于计算值)。设计沟段上端水面高程：43.620+0.650.400＝43.880(m)（3）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，假如在平坦的地区，以后还有很长的沟段以及覆土厚度大于0.7m较多时，宜采用第二答案。例2-6已知L＝190m，qV＝66L/s，I＝0.008(上端地面高程44.50m，下端地面高程43.40m)，上游沟段D＝400m，和h/D＝0.61，其下端沟底高程为43.40m，覆土厚度0.7m。如下图所示：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。（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65时，查图得qV＝133L/s>66L/s。（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65时，查图得qV＝91L/s>66L/s。（3）令D＝300mm，i＝I＝0.008，