管网课件5详解

第二章污水管道系统的设计（单元5）1.教学任务掌握污水管道中污水流动的特点、水力计算的基本公式掌握污水管道水力计算的设计数据（设计规范）掌握污水管道最小、最大埋深的确定方法。掌握污水管道水力计算方法、水力计算图表的用法2.大纲要求的基本概念、原理、规律、方法、重要公式、重要参数基本概念有：设计充满度、设计流速（最小设计流速、最大设计流速）、最小管径、最小设计坡度、埋设深度（覆土厚度、埋设深度）等；基本公式有：水力计算基本公式；重要参数有：水力计算的设计参数；

第3节污水管道的水力计算第一页第二页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算一、污水管道中污水流动的特点

污水管道系统分布类似河流，呈树枝状（枝状管网）污水由支管入干管再进主干管，流量逐段增加，管径逐渐增大，管道中水流存在转弯，交叉，变径，跌水等地点。污水在管道内是非充满的管内不承压，污水靠重力流流动。流入污水管道的是污水而非清水污水中含有一定数量的有机和无机悬浮物，密度、黏度及流动状况与清水不同，管内有沉淀发生。上述特点就整个管网系统总体来说，污水在管网中的流动是非均匀流。第二页第三页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算但是：就管网系统中的每一段管道：管段是直的，管径是一致的，流量基本不变（因为污水流入管段是从管段起始端的检查井进入，而管段沿线无流量进入），管段内流速基本一致，符合均匀流特征（同一流线上各质点的流速大小、方向都相同的液流称均匀流）。如果在设计与施工中，注意改善管道的水力条件，则可使管内水流尽可能接近均匀流。

虽然管内流动的是污水，与清水不同：污水中水分一般在99％以上，所含悬浮物质的比例极少，因此可假定污水的流动按照一般液体流动的规律，并可假定管道内水流是均匀流。

因此：污水管道的水力计算仍可采用均匀流计算公式。再一个原因是：变速流公式计算的复杂性和污水流动的变化不定，即使采用变速流公式计算也很难保证精确。

第三页第四页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算二、水力计算的基本公式常用的均匀流基本公式有：

流量公式：

流速公式：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（过水断面面积与湿周的比值）（m）；I——水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度）；C——流速系数或称谢才系数。

（2-6）

（2-7）

第四页第五页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算C值一般按曼宁公式计算，即：

（2-8）

将公式（2-8）代入（2-7）和（2-6），得：

（2-9）

（2-10）

式中：

n——管壁粗糙系数。该值根据管渠材料而定，见表2-7。混凝土和钢筋混凝土污水管道的管壁粗糙系数一般采用0.014。第五页第六页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算管渠粗糙系数表（新规范）0.009~0.0110.009~0.011第六页第七页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算三、污水管道水力计算的设计数据从水力计算公式可知，设计流量与设计流速及过水断面积有关，而流速则是管壁粗糙系数、水力半径和水力坡度的函数。为了保证污水管道的正常运行，在《室外排水设计规范》中对这些因素作了规定，在污水管道进行水力计算时应予以遵守。

第七页第八页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算1．设计充满度在设计流量下，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度（或水深比），如图2—3所示。当h/D＝1时称为满流；h/D＜1时称为不满流。

第八页第九页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算污水管道的设计有按满流和不满流两种方法。我国按不满流进行设计，其最大设计充满度的规定如表2—8所示。

最大设计充满度表2-8（新规范）在计算污水管道充满度时，不包括短时间内突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。0.550.650.750.70第九页第十页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算规定按非满流设计的原因：（1）污水流量时刻在变化，很难精确计算，而且雨水或地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，有必要保留一部分管道断面，为未预见水量的增长留有余地，避免污水溢出妨碍环境卫生。（2）污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能形成爆炸性气体。故需留出适当的空间，以利管道的通风，排除有害气体，对防止管道爆炸有良好效果。（3）便于管道的疏通和维护管理。

第十页第十一页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算2．设计流速和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度叫做设计流速。污水在管内流动缓慢时，污水中所含杂质可能下沉，产生淤积；当污水流速增大时，可能产生冲刷现象，甚至损坏管道。为了防止管道中产生淤积或冲刷，设计流速不宜过小或过大，应在最大和最小设计流速范围之内。

第十一页第十二页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的流速。这一最低的限值与污水中所含悬浮物的成分和粒度有关；与管道的水力半径，管壁的粗糙系数有关。从实际运行情况看，流速是防止管道中污水所含悬浮物沉淀的重要因素，但不是唯一的因素。引起污水中悬浮物沉淀的决定因素是充满度，即水深。小管道水量变化大，水深变小时就容易产生沉淀。大管道水量大、动量大，水深变化小，不易产生沉淀。因此不需要按管径大小分别规定最小设计流速。排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定：污水管道在设计充满度下为0.6m/s；雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s；明渠为0.4m/s。第十二页第十三页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材料有关。以下是新规范的规定：金属管道为10.0m/s；非金属管道为5.0m/s。第十三页第十四页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算第十四页第十五页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算第十五页第十六页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算3．最小管径一般在污水管道系统的上游部分，设计污水流量很小，若根据流量计算，则管径会很小。

根据养护经验证明，管径过小极易堵塞，比如150mm支管的堵塞次数，有时达到200mm支管堵塞次数的两倍，使养护管道的费用增加。而200mm与150mm管道在同样埋深下，施工费用相差不多。此外，采用较大的管径，可选用较小的坡度，使管道埋深减小。

因此，为了养护工作的方便，常规定一个允许的最小管径。新规范作了如下规定：第十六页第十七页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算塑料管0.002,其他管0.003塑料管0.002,其他管0.003第十七页第十八页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算在进行管道水力计算时，上游管段由于服务的排水面积小，因而设计流量小，按此流量计算得出的管径小于最小管径，此时就采用最小管径值。因此，一般可根据最小管径在最小设计流速和最大充满度情况下能通过的最大流量值，从而进一步估算出设计管段服务的排水面积。若设计管段服务的排水面积小于此值，即直接采用最小管径和相应的最小坡度而不再进行水力计算。这种管段称为不计算管段。在这些管段中，当有适当的冲洗水源时，可考虑设置冲洗井。

第十八页第十九页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算4．最小设计坡度在污水管道系统设计时，通常使管道埋设坡度与设计地区的地面坡度基本一致，但管道坡度造成的流速应等于或大于最小设计流速，以防止管道内产生沉淀。这一点在地势平坦或管道走向与地面坡度相反时尤为重要。将相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度叫做最小设计坡度。

第十九页第二十页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算从水力计算公式（2—9）看出，设计坡度与设计流速的平方成正比，与水力半径的2/3次方成反比。由于水力半径是过水断面积与湿周的比值，因此不同管径的污水管道应有不同的最小坡度。管径相同的管道，因充满度不同，其最小坡度也不同。当在给定设计充满度条件下，管径越大，相应的最小设计坡度值也就越小。所以只需规定最小管径的最小设计坡度值即可。具体规定见新规范表4.2.10：第二十页第二十一页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算四、污水管道的埋设深度通常，污水管网占污水工程总投资的50％~75％，而构成污水管道造价的挖填沟槽，沟槽支撑，湿土排水，管道基础，管道铺设各部分的比重，与管道的埋设深度及开槽支撑方式有很大关系。在实际工程中，同一直径的管道，采用的管材、接口和基础型式均相同，因其埋设深度不同，管道单位长度的工程费用相差较大。因此，合理地确定管道埋深对于降低工程造价是十分重要的。在土质较差、地下水位较高的地区，若能设法减小管道埋深，对于降低工程造价尤为明显。第二十一页第二十二页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算管道埋设深度有两个意义：

1．覆土厚度——指管道外壁顶部到地面的距离（图2—4）；

2．埋设深度——指管道内壁底到地面的距离。这两个数值都能说明管道的埋设深度。为了降低造价，缩短施工期，管道埋设深度愈小愈好。但覆土厚度应有一个最小的限值，否则就不能满足技术上的要求。这个最小限值称为最小覆土厚度。

第二十二页第二十三页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算污水管道的最小覆土厚度，一般应满足下述三个因素的要求：1．必须防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道第二十三页第二十四页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算2．必须防止管壁因地面荷载而受到破坏第二十四页第二十五页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算3．必须满足街区污水连接管衔接的要求

第二十五页第二十六页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算式中H——街道污水管网起点的最小埋深（m）；h——街区污水管起点的最小埋深（m）；Z1——街道污水管起点检查井处地面标高（m）；Z2——街区污水管起点检查井处地面标高（m）；I——街区污水管和连接支管的坡度；L——街区污水管和连接支管的总长度（m）；Δh——连接支管与街道污水管的管内底高差（m）。第二十六页第二十七页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算对每一个具体管道，从上述三个不同的因素出发，可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这一管道的允许最小覆土厚度或最小埋设深度。

第二十七页第二十八页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）第3节污水管道的水力计算除考虑管道的最小埋深外，还应考虑最大埋深问题。污水在管道中依靠重力从高处流向低处。当管道的坡度大于地面坡度时，管道的埋深就愈来愈大，尤其在地形平坦的地区更为突出。埋深愈大，则造价愈高，施工期也愈长。管道埋深允许的最大值称为最大允许埋深。该值的确定应根据技术经济指标及施工方法而定，一般在干燥土壤中，最大埋深不超过7—8m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5m。

第二十八页第二十九页，共32页。第二章污水管道系统的设计（单元5）五、污水管道水力计算的方法污水管道水力计算的目的在于合理、经济的选择管道断面尺寸、