第二章-排水管渠水力计算.课件.ppt

1、第一章 复习要点 1、排水体制的种类及其特点。 2、排水系统组成及其功能。 3、对管道和渠道的要求。 4、管道的种类及各类的特点。 5、管渠系统上各种构筑物的适用场合、 功能、构造特点。第二章 排水管渠水力计算本章主要内容1 1、污水管渠水力设计的原、污水管渠水力设计的原则则2 2、管渠水力计算基本公式、管渠水力计算基本公式3 3、水力学算图、水力学算图4 4、管渠水力设计主要参数、管渠水力设计主要参数5 5、管段的衔接、管段的衔接6 6、管段水力计算、管段水力计算7 7、倒虹管水力计算、倒虹管水力计算管渠分布类似河流管渠分布类似河流树枝状树枝状 管道中水流受到重力作用从高处流向低处；污管道中

2、水流受到重力作用从高处流向低处；污水中含有固体杂质，污水流动滞缓时，杂质下沉；水中含有固体杂质，污水流动滞缓时，杂质下沉；流速增大时，亦有冲刷现象，可能破坏管道。流速增大时，亦有冲刷现象，可能破坏管道。 水流在管道流动时，水流上方是大气，具有自水流在管道流动时，水流上方是大气，具有自由的表面，而其他三个方向受到管道固体界面的由的表面，而其他三个方向受到管道固体界面的限制，称明渠流或重力流。限制，称明渠流或重力流。 管道有时在水压下流动，这时的水流方式称管管道有时在水压下流动，这时的水流方式称管流或压力流。流或压力流。 排水管渠水力计算的任务是：根据管段的设计流量，排水管渠水力计算的任务是：根据

3、管段的设计流量，选定既能防止淤积又不会引起冲刷的流速，确定排水管渠选定既能防止淤积又不会引起冲刷的流速，确定排水管渠的断面尺寸和高程，并使管渠的敷设经济合理的断面尺寸和高程，并使管渠的敷设经济合理。计算计算确定确定管径管径坡度坡度高程高程水力学计算要水力学计算要满足下列要求满足下列要求不溢流不溢流不淤积不淤积不冲洗管壁不冲洗管壁通风通风第一节第一节 污水管渠水力设计原则污水管渠水力设计原则第二节第二节 管渠水力计算基本公式管渠水力计算基本公式 设计管段是相邻的两个检查井间的管段。设计管段是相邻的两个检查井间的管段。 当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时，当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡

4、度时，可以合并为一条设计管段。可以合并为一条设计管段。流量公式：流量公式：AvqV流速公式：流速公式：21321IRnv qv设计管段的设计流量，设计管段的设计流量，m3/s； A设计管段的过水断面面设计管段的过水断面面积，积，m2 ；v设计管段过水断面的平均设计管段过水断面的平均流速，流速，m/s ；R水力半径（过水断面面水力半径（过水断面面积与湿周的比值），积与湿周的比值），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管壁粗糙系数。表管壁粗糙系数。表2-1第三节第三节 水力学算图水力学算图 水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、水力学算图有不满

5、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。图和明渠流用的水力学算图等。六个水力要素：六个水力要素：D-管径、管径、n-粗造系数粗造系数h/D-充满度、充满度、i-坡度坡度 、qv-流量、流量、V-流速流速D、 n已知，只要知道两个就可求出另已知，只要知道两个就可求出另两个两个 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，采用教材中图采用教材中图2-2。 （2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，）这张图有四组线条：

6、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，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。先从纵轴字代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度表示坡度)上的上的数字中找数字中找0.0024，从而找出代表，从而找出代表i0.0024的横线。的横线。 （3）从横轴）从横轴(表示流量表示流量)上找出代表上找出代表qV25.5L/s的的那根竖线。那根竖线。 （4）代表坡度）代表坡度0.0024的横线和代表流量的横线和代表流量25.5L/s的的竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速竖线相交

7、，得一点，这一点正好落在代表流速0.65m/s的那根斜线上，并靠近代表充满度的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的的那根斜线上。因此求得那根斜线上。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，采用教材图采用教材图2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV26L/s的那根竖线。的那根竖线。 （3） 找出代表找出代表i0.003的那根横线。的那根横线。 （4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表找出这两根线的交点，这交点落在代表v0.7m/s和和v0.75m/s的两

8、根斜线之间。假如有一根和的两根斜线之间。假如有一根和以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线代表代表v=0.71m/s。求得。求得v0.71m/s。 （5）这交点又落在代表）这交点又落在代表h/D0.50和和0.55两根斜线之两根斜线之间，估计间，估计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，采用教材图采用教材图2-2 。 （2）找出代表）找出代表qV38L/s的那根竖线。的那根竖线。 （3）找出

9、代表）找出代表v1.0m/s的那根斜线。的那根斜线。 （4）这两根线的交点落在代表）这两根线的交点落在代表i0.0057的横线的横线上，求得上，求得i0.0057。 （5）这交点又落在）这交点又落在h/D0.53的斜线上，求得的斜线上，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。练练 习习1 1、已知：、已知： n=0.014，D=400mm，i=0.0018，qv=35L/s。 求求v和和h/D。第四节第四节 管渠水力设计主要参数管渠水力设计主要参数 充满度示意设计充满度设计充满度 管道中的水深管道中

10、的水深h和管径和管径D（或渠或渠深深H）的比值。的比值。一、设计充满度一、设计充满度 管道是按不满流的情况进行设计的。在设计管道是按不满流的情况进行设计的。在设计流量下，管道中的水深流量下，管道中的水深h和管径和管径D（或渠深或渠深H）的的比值比值c称为设计充满度。称为设计充满度。0.7510000.705009000.653504500.55200300最大设计充满度最大设计充满度(h/D或或h/H)管径或渠高管径或渠高/mm最大设计充满度最大设计充满度二、设计流速二、设计流速 设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流速度。速度。 污水管渠的最小设计流

11、速为污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明渠的最；明渠的最小设计流速为小设计流速为0.4m/s。最大设计流速非金属管为。最大设计流速非金属管为5m/s，钢管为，钢管为10m/s 。 防止淤积所需的管渠设计流速的最小限值同废防止淤积所需的管渠设计流速的最小限值同废水中夹带的悬浮物的性质水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度颗粒大小、相对密度)有有关。关。 各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐渐增加的。渐增加的。三、三、 最小管径最小管径最小管径和最小设计坡度最小管径和最小设计坡度管道类别管道类别最小管径最小管径/mm最小设计坡度最小设计坡度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雨水口连接管雨水口连接管2000.01重力输泥管重力输泥管2000.01四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度 坡度和流速存在一定的关系坡度和流速存在一定的关系( )，同，同最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。21321IRnv 因设计流量很小而采用的最小管径的设计管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。段称为不计算管段。五、管道的埋设深度和覆土厚度五、

13、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。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在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超过78m；在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。 管道的覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。管道的覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。决定最小覆土决定最小覆土厚度的因素厚度的因素 必须防止管道中的污水冰冻和因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必须防止管壁被车辆造成的活荷载压坏载压坏 必须满足支管在衔接上的

14、要求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。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业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于0.15m。 管顶最小覆土厚度一般不宜小于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？可用下式计算：可用下式计算：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；图图2-62-6 h h街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m m； i i街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度；街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度； L L街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，街区或厂区内的污水管道和连接支管的总长度，m m； h h1 1街管检查井处地面高程，街管检查井处地面高程，m m； h h2 2街区或厂区内的污水管道起点检查井处地面高程，街区或厂区内的污水管道起点检查井处地面高程，m m。第五节第五节 管段的衔接管段的衔接 衔接原则：衔接原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减

16、少埋深，）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；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；）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。）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。衔接衔接方法方法管顶平接管顶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应不应发生发生第六节第六节 管段水力计算管段水力计算应知条件：应知条件： 流量流量Q、设计沟段长度、设计沟段长度L，上游沟段口径上游沟段口径D、沟底高程、埋深

17、、窨井处地面高程、地面坡沟底高程、埋深、窨井处地面高程、地面坡度度I（可根据高程推算出）可根据高程推算出）基本原则：基本原则： 沟底坡度沟底坡度地面坡度地面坡度 口径与上游口径相近口径与上游口径相近(一般相等或大于上段口一般相等或大于上段口径一个级别径一个级别) 例例 2-4 已知设计管段长度已知设计管段长度L为为240m；地面坡度；地面坡度I为为0.0024；流量；流量qV为为40L/s，上游管段管径，上游管段管径D300mm，充满度充满度h/D为为0.55，管底高程为，管底高程为44.22m，地面高程为，地面高程为46.06m，覆土厚度为，覆土厚度为1.54m。 求：设计管段的口径和管底高

18、程。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。坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。 （1）令）令D300mm，查图，当查图，当D300mm，qV40L/s，h/D=0.55时，时，i0.0058I0.0024，不符合本题应尽量减少不符合本题应尽量减少埋深的原则；令埋深的原则；令v0.6m/s时，时，h/D0.900.55，也不符合要，也不符合要求。求。 （2）令）令D350mm，查图，当查图，当D350mm，qV40L/s，令令v0.6m/s时，时，h/D0.660.65，也不符合要，也不符合

19、要求。求。 令令h/D=0.65时，时，i0.00150.65不合格。当不合格。当h/D0.65时，时，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。，不很理想。 （2）令）令D400mm,查图查图,当当D400mm，qV56L/s，v0.60m/s时，时，i0.0012，但，但h/D0.700.65，不符合规定；，不符合规定；当当h/D0.65时，时，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。采用管顶平接采用管顶平接:设计管段的上端管底高程：设计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)设计管段的上端管底高程设计管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.35043.650(m)设计管段下端管底高程设计管段下端管底高程: 43.650-130 0.003043.260(m)设计管段的下端管底高程设计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)检验：检验：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，虽不符合要求，但可接受，虽不

21、符合要求，但可接受(下端管底下端管底施工高程略低于计算值施工高程略低于计算值)。设计管段上端水面高程：设计管段上端水面高程：43.620+0.65 0.40043.880(m) （3）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第）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二答案便宜；但是，后面的管段都将落下0.172m。假。假如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，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如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度大于大于0.7m较多时，宜采用第二答案。较多时，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，其下端管底高程为，其下端管底高程为43.40m，覆，覆土厚度土厚度0.7m。如下图所示：。如下图所示： 求：管径与管底高程。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。将小于地面坡度，且口径可小于上游管段

23、。 （1）令）令D400mm，i0.008，h/D0.65时，查时，查图得图得qV133L/s66L/s。 （2）令）令D350mm，iI0.008，h/D0.65时，时，查图得查图得qV91L/s66L/s。 （3）令）令D300mm， iI0.008，h/D0.55时，时，查图得查图得qV47L/s66L/s。 （4）可以选用）可以选用D350mm， i0.008。规范规定，在地。规范规定，在地面坡度变陡处，管道管径可以较上游小面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或或2级。下面计算级。下面计算管底高程。管底高程。 D=350mm，qV=66L/s，I0.008 时，查图得：时，查图得：h/

24、D 0.53, v=1.28m/s，合格。，合格。 （5）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减少，并且设计管段上端大流速，这时管道设计坡度必须减少，并且设计管段上端检查井应采用跌水井。检查井应采用跌水井。采用管底平接采用管底平接:设计管段上端管底高程上游管段下端管底高程设计管段上端管底高程上游管段下端管底高程43.40(m)设计管段下端管底高程设计管段下端管底高程: 43.40-190 0.00841.88(m)第七节第七节 倒虹管水力学计算举例倒虹管水力学计算举例 倒虹管进水井上游管道中流量倒虹管进水井上游管

25、道中流量qV500L/s，口径，口径D1000mm，坡度，坡度i0.00062，流速，流速v0.78m/s，充满度，充满度h/D0.75，水面高程，水面高程+0.75m，管底高程，管底高程0.00m。倒虹管出。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，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。试设计直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。 （1） 确定倒虹管口径确定倒虹管口径 倒虹管中水流流速应大于上游管道，以防淤积，故倒虹管中水流流速应大于上游管道，以防淤积，故管径采用管径采用800mm。 查满流管水力学算图，得：查满流管水力学算图，得：当当qV500L/s，D800mm时，时，i0.00143，v1.0m/s。 （2） 确定下游管底高程确定下游管底高程倒虹管进水井上游管段与出水井下游管段间的水位差：倒虹管进水井上游管段与出水井下游管段间的水位差：gviLH25 . 12)m(146. 081. 9215 . 1500014. 02H采用采用0.20m，以改善倒虹管水力学条件。，以改善倒虹管水力学条件。下游管底高程：下游管底高程：0.75-0.20-0.75-0.2（m）