水污染控制工程第二章排水管渠水力計算

1、第一節(jié)第一節(jié) 污水溝道水力學設計的原則污水溝道水力學設計的原則第二節(jié)第二節(jié) 溝道水力學計算用的基本公式溝道水力學計算用的基本公式第三節(jié)第三節(jié) 水力學算圖水力學算圖第四節(jié)第四節(jié) 溝道水力學設計參數(shù)溝道水力學設計參數(shù)第五節(jié)第五節(jié) 溝段的銜接溝段的銜接第六節(jié)第六節(jié) 溝段水力學計算溝段水力學計算第七節(jié)第七節(jié) 倒虹管水力學計算倒虹管水力學計算v溝道的分布類似河流，呈樹枝狀。支溝匯集成干溝，干溝匯集成主干溝，由小到大，水流亦有肯定不變的方向。水流在溝道流動時，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其它3方面受到固體界面的限制，這種水流方式在水力學中稱明渠流，或重力流。v溝道中水流受到重力作用從高處流向低處；污

2、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，可能破壞溝道。v溝道有時在水壓下流動，稱為管流或壓力流。 水流在溝道流動時，水流上方是大氣，具有水流在溝道流動時，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個方向受到溝道固體界面自由的表面，而其他三個方向受到溝道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。的限制，稱明渠流或重力流。 溝道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱溝道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管流或壓力流。管流或壓力流。第一節(jié)第一節(jié) 污水溝道水力學污水溝道水力學設計的原則設計的原則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

3、流不溢流不淤積不淤積不沖洗管壁不沖洗管壁要通風要通風（充滿度h/D）（Vmin）（Vmax）（充滿度h/D）第二節(jié)第二節(jié) 溝道水力學計算用的溝道水力學計算用的基本公式基本公式 設計管段是相鄰的兩個窨井間的溝段。設計管段是相鄰的兩個窨井間的溝段。 當相鄰的設計管段能采用同樣的口徑和坡度時，當相鄰的設計管段能采用同樣的口徑和坡度時，可以合并為一條設計溝段。可以合并為一條設計溝段。流量公式：流量公式：AvqV流速公式：流速公式：21321IRnv qv設計溝段的設計流量，設計溝段的設計流量，m3/s； A設計溝段的過水斷面面設計溝段的過水斷面面積，積，m2 ；v設計溝段過水斷面的平均設計溝段過水斷面

4、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，也等于溝底坡度也等于溝底坡度i） ；n溝壁粗糙系數(shù)。溝壁粗糙系數(shù)。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溝道水力學算圖、水力學算圖有不滿流圓形溝道水力學算圖、滿流圓形溝道水力學算圖、滿流矩形水力學算滿流圓形溝道水力學算圖、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。 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） D

5、300mm，采用教材中圖采用教材中圖2-2。 在具體的計算中，已知設計流量q以及管道粗糙系數(shù)n，需要求管徑 D、充滿度h/D，管道坡度I 和流速 v ，兩個方程式，因此采用水力計算圖。21321IRAnq21321IRnv水力計算示意圖水力計算示意圖 h/D 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.750.00800.00600.00500.00400.0030 i0.00200.00150.00100.00087 8 9 10 15 20 30 40 50 60 70 qv /(L.s-1) （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：豎的線條代表流量，橫的代

6、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)目字代表相應要素的值。先從縱軸字代表相應要素的值。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，得一點，這一點正好落在

7、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的兩根斜線之間。假如有一根和

8、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）找出代表）找出代表v1.0m

9、/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。第四節(jié)第四節(jié) 溝道水力學設計參數(shù)溝道水力學設計參數(shù)1.設計充滿度(h/D)2.設計流速(Vmin、Vmax)3.最小管徑(Dmin)4.最小設計坡度(Imin)5.污水管道的埋設深度注：參照室外給排水設計規(guī)范(GBJ14-87 1997)1.設計充滿度設計充滿度(1)概念概念：在設計流量下，污水管道中的水深h和管道直徑D的比值稱為設計充滿度(或水深比)，當h/D為1

10、時稱為滿流，I0.0024，不符合本題應盡量減少不符合本題應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。采用溝頂平接采用溝頂平接:設計溝段上端溝底高程：設計溝段上端溝底高程：44.220+0.300-0.35044.170(m)設計溝段的下端溝底高程：設計溝段的下端溝底高程：44.170-240 0.001543.810(m)檢驗：檢驗：44.398m高于高于44.385m，不符合要求，應采用水面平接。，不符合要求，應采用水面平接。上游溝段下端水面高程：上游溝段下端水面高程： 44.220+0.300 0.5544.385(m

11、)設計溝段上端水面高程：設計溝段上端水面高程： 44.170+0.65 0.35044.398(m) （2）令）令D400 mm,查圖查圖,當當D400mm，qV40L/s，v0.6m/s時，時，h/D0.53，i0.00145。與。與D350mm相比相比較，溝管設計坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝較，溝管設計坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝管埋深反而增加管埋深反而增加0.05m。另外，溝管口徑一般不跳級增加，。另外，溝管口徑一般不跳級增加，所以所以D350mm，i0.0015的設計為好。的設計為好。 （3）溝底高程修正：采用水面平接。）溝底高程修正：采用水面平接。上流溝段的下端水面高

12、程上流溝段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.5544.385(m)設計溝段的上端溝底高程設計溝段的上端溝底高程: 44.385-0.35 0.6544.158(m)設計溝段的下端溝底高程設計溝段的下端溝底高程: 44.158-240 0.001543.798(m) 例例 2-5 已知設計溝段長度已知設計溝段長度L130m，地面坡度，地面坡度I0.0014，流量，流量qV56L/s，上游溝段口徑，上游溝段口徑D350mm，充滿度充滿度h/D0.59，溝底高程為，溝底高程為43.67m，地面高程為，地面高程為45.48m。 求：設計溝段的口徑與溝底高程。求：設計溝段的口徑與溝底高程。 解：

13、覆土厚度為解：覆土厚度為45.48-43.67-0.351.46m。離最小。離最小覆土厚度允許值覆土厚度允許值0.7m較大，因此設計時應盡量使設較大，因此設計時應盡量使設計溝段坡度小于地面坡度。計溝段坡度小于地面坡度。 （1）令）令D350m，查圖，當，查圖，當D350mm，qV56L/s，v0.60m/s時，時，i0.0015，但，但h/D0.950.65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.

14、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。溝管符合要求。溝管坡度接近地面坡度坡度接近地面坡度I0.0014。采用溝頂平接采用溝頂平接:設計溝段的上端溝底高程：設計溝段的上端溝底高程：43.67+0.350-0.40043.620(m)采用水面平接采用水面平接:設計溝段的下端溝底高程設計溝段的下端溝底高程: 43.67+0.350 0.5943.877(m)設計溝段的上端溝底高程設計溝段的上端溝底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)設計溝段下端溝底高程設計溝段下端溝底高程: 43.650-130 0.0

15、03043.260(m)設計溝段的下端溝底高程設計溝段的下端溝底高程: 43.620-130 0.0014543.43(m)施工高程：施工高程：43.43(m)檢驗：檢驗：上游溝段下端水面高程：上游溝段下端水面高程：43.877(m) 43.880高于高于43.877，雖不符合要求，但可接受，雖不符合要求，但可接受(下端溝底下端溝底施工高程略低于計算值施工高程略低于計算值)。設計溝段上端水面高程：設計溝段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）從本設計溝段的造價而論，第一答案可能比第）從本設計溝段的造價而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的溝管都將落下

16、二答案便宜；但是，后面的溝管都將落下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)，以后還有很長的溝段以及覆土厚度如在平坦的地區(qū)，以后還有很長的溝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)，上游溝段，上游溝段D400m，和，和h/D0.61，其下端溝底高程為，其下端溝底高程為43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下圖所示：。如下圖所

17、示： 求：管徑與溝底高程。求：管徑與溝底高程。 解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游溝解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游溝段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設計溝段坡度段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設計溝段坡度將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。 （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/

18、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，溝道管徑可以較上游小面坡度變陡處，溝道管徑可以較上游小1或或2級。下面計算級。下面計算溝底高程。溝底高程。 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計坡度，設計流速超過最）如果采用地面坡度作為設計坡度，設計流速超過最大流速，這時溝道設計坡度必須減少，并且設計溝段上端大流速，這時溝道設計坡度必須減少，并且設計溝段上端窨井應采用跌水井。窨井應采用跌水井。采用溝底平接采用溝底平接:設計溝段上端溝底高程上游溝段下端溝底高程設計溝段上端溝底高程上游溝段下端溝底高程43.40(m)設計溝段下端溝底高程