第二章 排水管渠水力计算

第一章复习要点1、排水体制的种类及其特点。2、排水系统组成及其功能。3、对管道和渠道的要求。4、管道的种类及各类的特点。5、管渠系统上各种构筑物的适用场合、功能、构造特点。第二章排水管渠水力计算本章主要内容1、污水管渠水力设计的原则2、管渠水力计算基本公式3、水力学算图4、管渠水力设计主要参数5、管段的衔接6、管段水力计算7、倒虹管水力计算管渠分布类似河流——树枝状管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，可能破坏管道。水流在管道流动时，水流上方是大气，具有自由的表面，而其他三个方向受到管道固体界面的限制，称明渠流或重力流。管道有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。排水管渠水力计算的任务是：根据管段的设计流量，选定既能防止淤积又不会引起冲刷的流速，确定排水管渠的断面尺寸和高程，并使管渠的敷设经济合理。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通风第一节污水管渠水力设计原则第二节管渠水力计算基本公式

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。流量公式：流速公式：qv——设计管段的设计流量，m3/s；A——设计管段的过水断面面积，m2；v——设计管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，也等于管底坡度i）；n——管壁粗糙系数。表2-1第三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等。六个水力要素：D-管径、n-粗造系数h/D-充满度、i-坡度、qv-流量、V-流速D、n已知，只要知道两个就可求出另两个例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。（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。2、已知：

n=0.014，D=600mm，qv=62L/s，v=0.85m/s。求i和h/D。练习1、已知：

n=0.014，D=400mm，i=0.0018，qv=35L/s。求v和h/D。第四节管渠水力设计主要参数

充满度示意设计充满度管道中的水深h和管径D（或渠深H）的比值。一、设计充满度管道是按不满流的情况进行设计的。在设计流量下，管道中的水深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最大设计充满度二、设计流速设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流速度。污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明渠的最小设计流速为0.4m/s。最大设计流速非金属管为5m/s，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水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有关。各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐渐增加的。三、最小管径最小管径和最小设计坡度管道类别最小管径/mm最小设计坡度i污水管300塑料管0.002，其他0.003雨水管和合流管300塑料管0.002，其他0.003雨水口连接管2000.01重力输泥管2000.01四、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管段称为不计算管段。五、管道的埋设深度和覆土厚度管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。

在干燥土壤中，管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。管道的覆土厚度是指管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管道中的污水冰冻和因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载压坏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0.7m。房屋排出管的最小埋深通常采用0.55~0.65m。街管的最小覆土厚度？可用下式计算：式中：d——街管的最小覆土厚度，m；图2-6h——街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m；i——街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度；L——街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，m；h1——街管检查井处地面高程，m；h2——街区或厂区内的污水管道起点检查井处地面高程，m。第五节管段的衔接衔接原则：（1）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；（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。衔接方法管顶平接水面平接管底平接下游管底高于上游管底下游水位高于上游水位不应发生第六节管段水力计算应知条件：流量Q、设计沟段长度L，上游沟段口径D、沟底高程、埋深、窨井处地面高程、地面坡度I（可根据高程推算出）基本原则：沟底坡度≈地面坡度口径与上游口径相近(一般相等或大于上段口径一个级别)例2-4已知设计管段长度L为240m；地面坡度I为0.0024；流量qV为40L/s，上游管段管径D＝300mm，充满度h/D为0.55，管底高程为44.22m，地面高程为46.06m，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。（2）令D＝350mm，查图，当D＝350mm，qV＝40L/s，令v＝0.6m/s时，h/D＝0.66>0.65，也不符合要求。令h/D=0.65时，i＝0.0015<I＝0.0024，比较适合；采用管顶平接:设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)设计管段的下端管底高程：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。上游管段下端水面高程：44.220+0.3000.55＝44.385(m)设计管段上端水面高程：44.170+0.650.350＝44.398(m)（3）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，管段设计坡度基本相同，管段容积未充分利用，管管埋深反而增加0.05m。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。上流管段的下端水面高程:44.22+0.30.55＝44.385(m)设计管段的上端管底高程:44.385-0.350.65＝44.158(m)设计管段的下端管底高程:44.158-2400.0015＝43.798(m)例2-5已知设计管段长度L＝130m，地面坡度I＝0.0014，流量qV＝56L/s，上游管段口径D＝350mm，充满度h/D＝0.59，管底高程为43.67m，地面高程为45.48m。求：设计管段的口径与管底高程。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管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。管段坡度接近地面坡度I＝0.0014。采用管顶平接:设计管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)采用水面平接:上游管段的下端管底高程:43.67+0.3500.59＝43.877(m)设计管段的上端管底高程:43.877-0.650.350＝43.650(m)设计管段下端管底高程:43.650-1300.0030＝43.260(m)设计管段的下端管底高程:43.620-1300.00145＝43.43(m)施工高程：43.43(m)检验：上游管段下端水面高程：43.877(m)43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端管底施工高程略低于计算值)。设计管段上端水面高程：43.620+0.650.400＝43.880(m)（3）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，假如在平坦的地区，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)，上游管段D＝400m，和h/D＝0.61，其下端管底高程为43.40m，覆土厚度0.7m。如下图所示：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。（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，h/D＝0.55时，查图得qV＝47L/s>66L/s。（4）可以选用D＝350mm，i＝0.008