第四章(2)排水管渠水力计算

（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。
第四节 管渠水力学设计数据
设计充满度
管渠中的水深h和管径D（或渠
深H）的比值。
充满度示意
一、设计充满度
管渠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。
坡度和流速存在一定的关系( v 1 R2 3I1 2 )，同 最小设计流速相应的坡度就是最小设计n 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。
设计管段是相邻的两个窨井间的管段。
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 Av
v 1 R2 3I1 2 n
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
44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。
（2）令D＝400 mm,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 段埋深反而增加0.05m。另外，管段口径一般不跳级增加， 所以还是使用D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。
（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。因此建议管道取 350mm，qV＝40L/s， h/D=0.65， 查水力图i ＝0.0015< I＝0.0024， 符合要求
管渠中的水流情况
水流在管渠流动时，水流上方是大气，具有 自由的表面，而其他三个方向受到管渠固体界面 的限制，称明渠流或重力流。
管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。
污水管渠水力学设计的原则
计算 确定
水力学计算要 满足下列要求
管径 坡度 高程
不溢流 不淤积 不冲洗管壁
通风
第二节 管渠水力学计算用的 基本公式
第四章（2）排水管渠水力计算
第一节 管道中的水流情况
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
污水管道水力学设计的原则 管道水力学计算用的基本公式 水力学算图 管道水力学设计数据 管段的衔接 管段水力学计算举例 倒虹管水力学计算举例 常用排水泵 排水泵站水力学计算举例
第一节 管渠中的水流情况 与管渠水力设计原则
设计管段下端管底高程: 43.40-190 0.008＝41.88(m)
（5）如果采用D=400mm，地面坡度作为设计坡度，显 然设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减少， 并且设计管段上端窨井应采用跌水井。这就加大了成本。
第七节 倒虹管水力学计算举例
倒虹管进水井上游管道中流量qV＝500L/s，口径D＝ 1000mm，坡度i＝0.00062，流速v＝0.78m/s，充满度h/D ＝0.75，水面高程+0.75m，管底高程±0.00m。倒虹管出 水井下游管道中的各水力学要素数值与上游管道相同， 试设计直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。
管底平接
第六节 管段水力学计算举例
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。
（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，采用上个水力计算图。 （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。
采用管顶平接: 设计管段上端ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)
设计管段的下端管底高程：44.170-240 0.0015＝43.810(m)
检验：
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)
最大设计充满度
管径或渠高/mm 200~300 350~450 500~900 1000
最大设计充满度(h/D或h/H) 0.55 0.65 0.70 0.75
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；明管的最 小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为 5m/s，钢管为10m/s 。
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。
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。
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。
例 2-1 已知n＝0.014，D＝300mm，i＝ 0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。
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)。
（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。
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。
（4）可以选用D＝350mm， i＝0.008。规范规定，在地 面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或2级。下面计算 管底高程。
D=350mm，qV=66L/s，I＝0.008 时，查图得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。
管底平接
因此采用管底平接:
设计管段上端管底高程＝上游管段下端管底高程＝43.40(m)
解：（1） D＝300mm，采用下图。
（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。
（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。
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：
d h iL h1 h2
式中：d——街管的最小覆土厚度，m； h——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——街区或产区内的污水管道和连接支管的总长度，m； h1——街管窨井处地面高程，m； h2——街区或厂区内的污水管道起点窨井处地面高程，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
不应 发生
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
管顶平接
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42.98m)，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。