第2章污水管道系统设计3

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枝状管网重力流含有有机物和无机物比重小的漂浮；较重的悬浮；最重的沿着管底移动或淤积污水中水分一般在99％以上，可假定污水的流动按照一般液体流动的规律，假定管道内水流是均匀流。但污水管道中实测流速是有变化的。同时流量也在变化，因此污水管道内水流实际不是均匀流二、水力计算的基本公式水力计算的目的：合理的经济的选择管道断面尺寸、坡度和埋深在设计与施工中注意改善管道的水力条件，可使管内污水的流动状态尽可能地接近均匀流(图2—2)，由于变速流公式计算的复杂性和污水流动的变化未定，即使采用变速流公式计算也很难保证精确。因此，为了简化计算工作，目前在排水管道的水力计算中仍采用均匀流公式常用的均匀流基本公式有：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。流量公式流速公式vAQIRCvC值一般按曼宁公式计算，即：换算后得：式中n——管壁粗糙系数。三、污水管道水力计算的设计数据1．设计充满度概念：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)。说明：h/D＝1时称为满流,h/D＜l时称为不满流最大设计充满度：污水管道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人污水管道。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。2.设计流速设计流速：和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度。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。污水管道的最小设计流速定为0.6m/s。含有金屑、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大，其值要根据试验或运行经验确定。最大设计流速：是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材科有关，通常，金属管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s。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管道在同样埋探下，施工费用相差不多。此外，因采用较大的管径，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。在街区和厂区内最小管径为200mm，在街道下为300mm。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。4．最小设计坡度最小设计坡度：指相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度。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。具体规定是：管径200mm的最小设计坡度0.004；管径300mm的最小设计坡度0.003。在给定管径和坡度的圆形管道中，满流与半满流运行时的流速是相等的，处于满流与半满流之间的理论流速则略大一些，而随着水深降至半满流以下，则其流速逐渐下降，详见表2—9。故在确定最小管径的最小坡度时采用的设计充满度为0.50四、污水管道的埋设深度污水管网占污水工程总投资的50％一75％，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，与管道的埋没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，若能设法减小管道理深，对于降低工程造价尤为明显。1．覆土厚度——指管道外壁顶部到地面的距离2．埋设深度——指管道内壁底到地面的距离。最小覆土厚度的确定：1．必须防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道–设计时采用的土壤冰冻深度指多年平均值而非最大值–《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。有保温措施或水温较高的管道，管底在冰冻线以上的距离可以加大，其数值应根据该地区或条件相似地区的经验确定2．必须防止管壁因地面荷载而受到破坏–静荷载和动荷载–车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非车行道下的污水管道若能满足管道衔接的要求以及无动荷载的影响，其最小覆土厚度值也可适当减小。3．必须满足街区污水连接管衔接的要求Z2H=h+I•L+Z1-Z2+Δh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)；Zl——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)最小覆土厚度的确定：取以上三项结果的最大值最大埋深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，一股不超过5m。管网优化对于污水管道系统，采用较大管径则坡降较小，采用较小管径则坡降增大。管径大小只影响本管段的造价，坡降则影响其下游的各个管段，上游段增加的埋深可以导致下游各段均相应增加埋深。因此管径的不同选择存在降低本段管道造价与增加本段和下游各段敷设费用的矛盾，需要设计人员根据经验或依据优化理论应用计算机合理地选用管径。五、污水管道水力计算的方法常用计算方法：水力计算图水力计算表第一段管道：Q不设计流量，若D=200mm,取I=0.004,h/D=0.5，v=0.6m/sQ不设计流量，若D=300mm,取I=0.003,h/D=0.5,v=0.6m/s之后管段设计见例题水力计算图法例题1：已知n=0.014、D＝300mm、I＝0.004、Q＝30L／s，求v和h／D。见p163V=0.82H/D=0.52例题2：已知n=0.014、D＝400mm、v＝0.9m/s、Q＝41L/s，求I和h/D。见p165I=0.0043h/D=0.39例题3：已知n=0.014、本段流量Q＝85L/s，且知上游v＝0.8m/s、上游D=400mm、求本段D、v、I和h/D。最大充满度v=0.98过大充满度过大坡度可减小I=0.0017H/D=0.63过大V=0.8不合适I=0.0023H/D=0.59过大V=0.85过大不合适I=0.002H/D=0.52V=0.8合适求得结果为：I=0.002H/D=0.52V=0.8D=500例题4：已知n=0.014、Q＝60L/s，v＝0.8m/s、求D、I和h/D。请同学们自己做！！答案：D=400mmI=0.0024H/D=0.57D=450I=0.0024H/D=0.48二者都可以，后者更安全例题5：已知n=0.014、本段流量Q＝215L/s、且知上游v＝0.84m/s、上游D=600mm、求本段D、v、I和h/D。请同学们自己做！！答案：D=800mmI=0.0013H/D=0.49V=0.85水力计算表法例题1：已知n=0.014、D＝300mm、I＝0.004、Q＝30L／s，求v和h／D。见p39采用内插法计算