第二排水管渠水力計算

1、第一章 復(fù)習要點 1、排水體制的種類及其特點。 2、排水系統(tǒng)組成及其功能。 3、對管道和渠道的要求。 4、管道的種類及各類的特點。 5、管渠系統(tǒng)上各種構(gòu)筑物的適用場合、 功能、構(gòu)造特點。第二章 排水管渠水力計算本章主要內(nèi)容1 1、污水管渠水力設(shè)計的原、污水管渠水力設(shè)計的原則則2 2、管渠水力計算基本公式、管渠水力計算基本公式3 3、水力學算圖、水力學算圖4 4、管渠水力設(shè)計主要參數(shù)、管渠水力設(shè)計主要參數(shù)5 5、管段的銜接、管段的銜接6 6、管段水力計算、管段水力計算7 7、倒虹管水力計算、倒虹管水力計算管渠分布類似河流管渠分布類似河流樹枝狀樹枝狀 管道中水流受到重力作用從高處流向低處；污管道中

2、水流受到重力作用從高處流向低處；污水中含有固體雜質(zhì)，污水流動滯緩時，雜質(zhì)下沉；水中含有固體雜質(zhì)，污水流動滯緩時，雜質(zhì)下沉；流速增大時，亦有沖刷現(xiàn)象，可能破壞管道。流速增大時，亦有沖刷現(xiàn)象，可能破壞管道。 水流在管道流動時，水流上方是大氣，具有自水流在管道流動時，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個方向受到管道固體界面的由的表面，而其他三個方向受到管道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。限制，稱明渠流或重力流。 管道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管管道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管流或壓力流。流或壓力流。 排水管渠水力計算的任務(wù)是：根據(jù)管段的設(shè)計流量，排水管渠水力計算的任務(wù)是：根據(jù)

3、管段的設(shè)計流量，選定既能防止淤積又不會引起沖刷的流速，確定排水管渠選定既能防止淤積又不會引起沖刷的流速，確定排水管渠的斷面尺寸和高程，并使管渠的敷設(shè)經(jīng)濟合理的斷面尺寸和高程，并使管渠的敷設(shè)經(jīng)濟合理。計算計算確定確定管徑管徑坡度坡度高程高程水力學計算要水力學計算要滿足下列要求滿足下列要求不溢流不溢流不淤積不淤積不沖洗管壁不沖洗管壁通風通風第一節(jié)第一節(jié) 污水管渠水力設(shè)計原則污水管渠水力設(shè)計原則第二節(jié)第二節(jié) 管渠水力計算基本公式管渠水力計算基本公式 設(shè)計管段是相鄰的兩個檢查井間的管段。設(shè)計管段是相鄰的兩個檢查井間的管段。 當相鄰的設(shè)計管段能采用同樣的口徑和坡度時，當相鄰的設(shè)計管段能采用同樣的口徑和坡

4、度時，可以合并為一條設(shè)計管段?？梢院喜橐粭l設(shè)計管段。流量公式：流量公式：AvqV流速公式：流速公式：21321IRnv qv設(shè)計管段的設(shè)計流量，設(shè)計管段的設(shè)計流量，m3/s； A設(shè)計管段的過水斷面面設(shè)計管段的過水斷面面積，積，m2 ；v設(shè)計管段過水斷面的平均設(shè)計管段過水斷面的平均流速，流速，m/s ；R水力半徑（過水斷面面水力半徑（過水斷面面積與濕周的比值），積與濕周的比值），m ；I水力坡度（即水面坡度，水力坡度（即水面坡度，也等于管底坡度也等于管底坡度i） ；n管壁粗糙系數(shù)。表管壁粗糙系數(shù)。表2-1第三節(jié)第三節(jié) 水力學算圖水力學算圖 水力學算圖有不滿流圓形管道水力學算圖、水力學算圖有不滿

5、流圓形管道水力學算圖、滿流圓形管道水力學算圖、滿流矩形水力學算滿流圓形管道水力學算圖、滿流矩形水力學算圖和明渠流用的水力學算圖等。圖和明渠流用的水力學算圖等。六個水力要素：六個水力要素：D-管徑、管徑、n-粗造系數(shù)粗造系數(shù)h/D-充滿度、充滿度、i-坡度坡度 、qv-流量、流量、V-流速流速D、 n已知，只要知道兩個就可求出另已知，只要知道兩個就可求出另兩個兩個 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） D300mm，采用教材中圖采用教材中圖2-2。 （2）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，）這張圖有四組線條：

6、豎的線條代表流量，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，從左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數(shù)目從左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數(shù)目字代表相應(yīng)要素的值。先從縱軸字代表相應(yīng)要素的值。先從縱軸(表示坡度表示坡度)上的上的數(shù)字中找數(shù)字中找0.0024，從而找出代表，從而找出代表i0.0024的橫線。的橫線。 （3）從橫軸）從橫軸(表示流量表示流量)上找出代表上找出代表qV25.5L/s的的那根豎線。那根豎線。 （4）代表坡度）代表坡度0.0024的橫線和代表流量的橫線和代表流量25.5L/s的的豎線相交，得一點，這一點正好落在代表流速豎線相交

7、，得一點，這一點正好落在代表流速0.65m/s的那根斜線上，并靠近代表充滿度的那根斜線上，并靠近代表充滿度0.55的的那根斜線上。因此求得那根斜線上。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，采用教材圖采用教材圖2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV26L/s的那根豎線。的那根豎線。 （3） 找出代表找出代表i0.003的那根橫線。的那根橫線。 （4） 找出這兩根線的交點，這交點落在代表找出這兩根線的交點，這交點落在代表v0.7m/s和和v0.75m/s的兩

8、根斜線之間。假如有一根和的兩根斜線之間。假如有一根和以上兩根斜線平行的線正好穿過這交點，估計這根線以上兩根斜線平行的線正好穿過這交點，估計這根線代表代表v=0.71m/s。求得。求得v0.71m/s。 （5）這交點又落在代表）這交點又落在代表h/D0.50和和0.55兩根斜線之兩根斜線之間，估計間，估計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，采用教材圖采用教材圖2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV38L/s的那根豎線。的那根豎線。 （3）找出

9、代表）找出代表v1.0m/s的那根斜線。的那根斜線。 （4）這兩根線的交點落在代表）這兩根線的交點落在代表i0.0057的橫線的橫線上，求得上，求得i0.0057。 （5）這交點又落在）這交點又落在h/D0.53的斜線上，求得的斜線上，求得h/D0.53。2 2、已知：已知： n=0.014，D=600mm， qv=62L/s，v =0.85m/s。 求求i和和h/D。練練 習習1 1、已知：、已知： n=0.014，D=400mm，i=0.0018，qv=35L/s。 求求v和和h/D。第四節(jié)第四節(jié) 管渠水力設(shè)計主要參數(shù)管渠水力設(shè)計主要參數(shù) 充滿度示意設(shè)計充滿度設(shè)計充滿度 管道中的水深管道中

10、的水深h和管徑和管徑D（或渠或渠深深H）的比值。的比值。一、設(shè)計充滿度一、設(shè)計充滿度 管道是按不滿流的情況進行設(shè)計的。在設(shè)計管道是按不滿流的情況進行設(shè)計的。在設(shè)計流量下，管道中的水深流量下，管道中的水深h和管徑和管徑D（或渠深或渠深H）的的比值比值c稱為設(shè)計充滿度。稱為設(shè)計充滿度。0.7510000.705009000.653504500.55200300最大設(shè)計充滿度最大設(shè)計充滿度(h/D或或h/H)管徑或渠高管徑或渠高/mm最大設(shè)計充滿度最大設(shè)計充滿度二、設(shè)計流速二、設(shè)計流速 設(shè)計流速是管渠中流量到達設(shè)計流量時的水流設(shè)計流速是管渠中流量到達設(shè)計流量時的水流速度。速度。 污水管渠的最小設(shè)計流

11、速為污水管渠的最小設(shè)計流速為0.6m/s；明渠的最；明渠的最小設(shè)計流速為小設(shè)計流速為0.4m/s。最大設(shè)計流速非金屬管為。最大設(shè)計流速非金屬管為5m/s，鋼管為，鋼管為10m/s 。 防止淤積所需的管渠設(shè)計流速的最小限值同廢防止淤積所需的管渠設(shè)計流速的最小限值同廢水中夾帶的懸浮物的性質(zhì)水中夾帶的懸浮物的性質(zhì)(顆粒大小、相對密度顆粒大小、相對密度)有有關(guān)。關(guān)。 各設(shè)計管段的設(shè)計流速從上游到下游最好是逐各設(shè)計管段的設(shè)計流速從上游到下游最好是逐漸增加的。漸增加的。三、三、 最小管徑最小管徑最小管徑和最小設(shè)計坡度最小管徑和最小設(shè)計坡度管道類別管道類別最小管徑最小管徑/mm最小設(shè)計坡度最小設(shè)計坡度i污水

12、管污水管300塑料管塑料管0.002，其他，其他0.003雨水管和合流雨水管和合流管管300塑料管塑料管0.002，其他，其他0.003雨水口連接管雨水口連接管2000.01重力輸泥管重力輸泥管2000.01四、最小設(shè)計坡度和不計算管段的最小設(shè)計坡度四、最小設(shè)計坡度和不計算管段的最小設(shè)計坡度 坡度和流速存在一定的關(guān)系坡度和流速存在一定的關(guān)系( )，同，同最小設(shè)計流速相應(yīng)的坡度就是最小設(shè)計坡度。最小設(shè)計流速相應(yīng)的坡度就是最小設(shè)計坡度。21321IRnv 因設(shè)計流量很小而采用的最小管徑的設(shè)計管因設(shè)計流量很小而采用的最小管徑的設(shè)計管段稱為不計算管段。段稱為不計算管段。五、管道的埋設(shè)深度和覆土厚度五、

13、管道的埋設(shè)深度和覆土厚度 管道的埋設(shè)深度是指管底的內(nèi)壁到地面的距離。管道的埋設(shè)深度是指管底的內(nèi)壁到地面的距離。 在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超過在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超過78m；在多水、流沙、石灰?guī)r地層中，一般不超過在多水、流沙、石灰?guī)r地層中，一般不超過5m。 管道的覆土厚度是指管頂?shù)耐獗诘降孛娴木嚯x。管道的覆土厚度是指管頂?shù)耐獗诘降孛娴木嚯x。決定最小覆土決定最小覆土厚度的因素厚度的因素 必須防止管道中的污水冰凍和因必須防止管道中的污水冰凍和因土壤冰凍膨脹而損壞管道土壤冰凍膨脹而損壞管道 必須防止管壁被車輛造成的活荷必須防止管壁被車輛造成的活荷載壓壞載壓壞 必須滿足支管在銜接上的

14、要求必須滿足支管在銜接上的要求 污水在管道中冰凍的可能與污水的水溫和土壤的污水在管道中冰凍的可能與污水的水溫和土壤的冰凍深度等因素有關(guān)。冰凍深度等因素有關(guān)。 無保溫措施的生活污水管道或水溫和它接近的工無保溫措施的生活污水管道或水溫和它接近的工業(yè)廢水管道，管底在冰凍線之上的距離不得大于業(yè)廢水管道，管底在冰凍線之上的距離不得大于0.15m。 管頂最小覆土厚度一般不宜小于管頂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房屋排出管的最小埋深通常采用0.550.65m。街管的最小覆土厚度？街管的最小覆土厚度？可用下式計算：可用下式計算：21hhiLhd式中：式中：d d街管的最小覆土

15、厚度，街管的最小覆土厚度，m m；圖圖2-62-6 h h街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起端的最小埋深，街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起端的最小埋深，m m； i i街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的坡度；街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的坡度； L L街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的總長度，街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道和連接支管的總長度，m m； h h1 1街管檢查井處地面高程，街管檢查井處地面高程，m m； h h2 2街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起點檢查井處地面高程，街區(qū)或廠區(qū)內(nèi)的污水管道起點檢查井處地面高程，m m。第五節(jié)第五節(jié) 管段的銜接管段的銜接 銜接原則：銜接原則： （1）盡可能提高下游管段的高程，以減

16、少埋深，）盡可能提高下游管段的高程，以減少埋深，從而降低造價，在平坦地區(qū)這點尤其重要；從而降低造價，在平坦地區(qū)這點尤其重要； （2）避免在上游管段中形成回水而造成淤積；）避免在上游管段中形成回水而造成淤積； （3）不允許下游管段的管底高于上游管段的管底。）不允許下游管段的管底高于上游管段的管底。銜接銜接方法方法管頂平接管頂平接水面平接水面平接管底平接管底平接下游管底高于上游管底下游管底高于上游管底下游水位高于上游水位下游水位高于上游水位不應(yīng)不應(yīng)發(fā)生發(fā)生第六節(jié)第六節(jié) 管段水力計算管段水力計算應(yīng)知條件：應(yīng)知條件： 流量流量Q、設(shè)計溝段長度、設(shè)計溝段長度L，上游溝段口徑上游溝段口徑D、溝底高程、埋深

17、、窨井處地面高程、地面坡溝底高程、埋深、窨井處地面高程、地面坡度度I（可根據(jù)高程推算出）可根據(jù)高程推算出）基本原則：基本原則： 溝底坡度溝底坡度地面坡度地面坡度 口徑與上游口徑相近口徑與上游口徑相近(一般相等或大于上段口一般相等或大于上段口徑一個級別徑一個級別) 例例 2-4 已知設(shè)計管段長度已知設(shè)計管段長度L為為240m；地面坡度；地面坡度I為為0.0024；流量；流量qV為為40L/s，上游管段管徑，上游管段管徑D300mm，充滿度充滿度h/D為為0.55，管底高程為，管底高程為44.22m，地面高程為，地面高程為46.06m，覆土厚度為，覆土厚度為1.54m。 求：設(shè)計管段的口徑和管底高

18、程。求：設(shè)計管段的口徑和管底高程。 解：由于上游管段的覆土厚度較大，設(shè)計管段解：由于上游管段的覆土厚度較大，設(shè)計管段坡度應(yīng)盡量小于地面坡度以減少埋深。坡度應(yīng)盡量小于地面坡度以減少埋深。 （1）令）令D300mm，查圖，當查圖，當D300mm，qV40L/s，h/D=0.55時，時，i0.0058I0.0024，不符合本題應(yīng)盡量減少不符合本題應(yīng)盡量減少埋深的原則；令埋深的原則；令v0.6m/s時，時，h/D0.900.55，也不符合要，也不符合要求。求。 （2）令）令D350mm，查圖，當查圖，當D350mm，qV40L/s，令令v0.6m/s時，時，h/D0.660.65，也不符合要，也不符合

19、要求。求。 令令h/D=0.65時，時，i0.00150.65不合格。當不合格。當h/D0.65時，時，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。，不很理想。 （2）令）令D400mm,查圖查圖,當當D400mm，qV56L/s，v0.60m/s時，時，i0.0012，但，但h/D0.700.65，不符合規(guī)定；，不符合規(guī)定；當當h/D0.65時，時，i0.00145，v0.65m/s,符合要求。管段符合要求。管段坡度接近地面坡度坡度接近地面坡度I0.0014。采用管頂平接采用管頂平接:設(shè)計管段的上端管底高程：設(shè)計管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.40043.620

20、(m)采用水面平接采用水面平接:上游管段的下端管底高程上游管段的下端管底高程: 43.67+0.350 0.5943.877(m)設(shè)計管段的上端管底高程設(shè)計管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)設(shè)計管段下端管底高程設(shè)計管段下端管底高程: 43.650-130 0.003043.260(m)設(shè)計管段的下端管底高程設(shè)計管段的下端管底高程: 43.620-130 0.0014543.43(m)施工高程：施工高程：43.43(m)檢驗：檢驗：上游管段下端水面高程：上游管段下端水面高程：43.877(m) 43.880高于高于43.877，雖不符合要求，但可接受，雖不

21、符合要求，但可接受(下端管底下端管底施工高程略低于計算值施工高程略低于計算值)。設(shè)計管段上端水面高程：設(shè)計管段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）從本設(shè)計管段的造價而論，第一答案可能比第）從本設(shè)計管段的造價而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的管段都將落下二答案便宜；但是，后面的管段都將落下0.172m。假。假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的管段以及覆土厚度如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的管段以及覆土厚度大于大于0.7m較多時，宜采用第二答案。較多時，宜采用第二

22、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)，上游管段，上游管段D400m，和，和h/D0.61，其下端管底高程為，其下端管底高程為43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下圖所示：。如下圖所示： 求：管徑與管底高程。求：管徑與管底高程。 解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游管解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游管段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設(shè)計管段坡度段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設(shè)計管段坡度將小于地面坡度，且口徑可小于上游管段。將小于地面坡度，且口徑可小于上游管段

23、。 （1）令）令D400mm，i0.008，h/D0.65時，查時，查圖得圖得qV133L/s66L/s。 （2）令）令D350mm，iI0.008，h/D0.65時，時，查圖得查圖得qV91L/s66L/s。 （3）令）令D300mm， iI0.008，h/D0.55時，時，查圖得查圖得qV47L/s66L/s。 （4）可以選用）可以選用D350mm， i0.008。規(guī)范規(guī)定，在地。規(guī)范規(guī)定，在地面坡度變陡處，管道管徑可以較上游小面坡度變陡處，管道管徑可以較上游小1或或2級。下面計算級。下面計算管底高程。管底高程。 D=350mm，qV=66L/s，I0.008 時，查圖得：時，查圖得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。，合格。 （5）如果采用地面坡度作為設(shè)計坡度，設(shè)計流速超過最