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1、第二章 沟道水力学,第一节 沟道中的水流情况,1沟道的分布特点 类似于河流，由支管收集排水后汇集成干管，干管再汇集成主干管。如住宅街坊街道城市主干管河流或污水处理厂2沟道中的水流状态 1）重力流 沟道中水流依靠重力的作用从高处流向低处。沟道内水流流量和流速是经常变化的，不是均匀流。流速一般较小，流速小时管中杂物易沉积，流速大时杂物被冲走，故需要有一定的自净流速。2）压力流 沟道中流体在有压状态下流动（如水泵出水管），可高处低处或低处高处。,第二节 污水沟道水力学设计的原则,1不溢流 污水溢流到地面将污染环境，所以设计时要保证不溢流，则水力学计算时所采用的设计流量应是可能出现的最大流量。2不淤积
2、 污水中含有固体杂质，流速慢时易沉积于沟道内，降低沟道输送能力，甚至造成堵塞。所以水流流速应有一个最低限值，保证杂质不沉积，叫自净流速。最小流速：污水管道为0.6m/s，明沟为0.4m/s。,3不冲刷 沟道内流速过大时就会冲刷和损坏沟道内壁，因此水流流速应有一个最高限值，保证杂质不沉积。最大流速：金属管道为10m/s；非金属管道为5m/s。4注意通风 生活污水、工业废水、管内淤积物在沟道中会散发有毒（H2S等）或可燃气体（甲烷气或其它气体），会伤害下沟养护沟道的工人或引起爆炸，故污水沟道按不满流设计，使管道上方留有空间通风排气，并可保证不溢流。其最大设计充满度按教材表2-2。,第三节 沟道水力
3、学的计算公式,1基本概念 a.水力学的计算意义：通过计算确定沟道的断面形式和尺寸、坡度、检查井处的管道连接、沟道底标高。b.设计沟段：一般将两个检查井间的沟道段作为设计对象，称设计沟段。2计算公式 特点：沟道内水流不是均匀流，但当管段不长且管内没有大量沉积物时可视为均匀流，采用均匀流水力学计算公式：,1）流量公式,式中：设计段的流量，m3/s；设计段的过水断面面积，m2；设计段过水断面的平均流速，m/s；,2）流速公式,式中：n沟道壁粗糙系数，取值参见教材表2-1；R沟道水力半径，m；（过水断面面积/湿周）I 水力坡度；,第四节 水力学计算图,由于计算公式中有6个水力参数，在设计中除 和n已知
4、外，其它为未知数，所以依靠计算公式计算非常复杂，所以工程设计中一般依靠水力学计算图或水力学计算表来进行计算。水力学计算图分类：a.不满流圆形沟道；b.满流圆形沟道；c.满流矩形沟道；d.不满流矩形沟道（明渠流）四种水力学计算图。,1.不满流圆形沟道水力学计算图,水力学计算图参见教材附图117。a.适用范围：n=0.014，管径2001500，500以下每50mm一档，500以上每100mm一档。b.计算图特点：1）每张图中管径D和沟道壁粗糙系数n已知（在图的右下角），曲线表示、（充满度，R的函数）之间的关系，四个因素中只要知道两个就可通过计算图查出另两个。2）每张图上有四组线条，竖线代表流量、
5、横线代表坡度、从左向右倾斜的表示流速、从右向左倾斜的表示充满度。,c.举例例题1已知n=0.014，D=300mm，i=0.0024，qv=25.5l/s，求v和h/D。例题2已知n=0.014，D=300mm，i=0.003，qv=26l/s，求v和h/D。,查图得v=0.65m/s，h/D=0.55,图1,查图得v=0.71m/s，h/D=0.52,图2,图3,2.满流圆形沟道水力学计算图,a.适用范围：n=0.013，管径1502000，。b.计算图特点：1）图中为钢筋混凝土圆管，沟道壁粗糙系数n已知（在图的右下角），曲线表示、管径之间的关系，四个因素中只要知道两个就可通过计算图查出另两
6、个。2）每张图上有四组线条，竖线代表流量、横线代表坡度、从左向右倾斜的表示流速、从右向左倾斜的表示管径。3）使用方法同不满流,图4,3.不满流圆形沟道的水力学算图 不满流圆形沟道的水力学算图也可用于满流圆形沟道的计算，因为：在无水压圆管中，充满度h/D=0.8时的流量和满流（h/D=1.0)时的流量近似相等，所以不满流圆形沟道的水力学算图、算表也可用于满流圆形沟道的计算。,第五节 沟道水力学设计依据,一设计依据1设计充满度 污水按不满流设计，雨水管道和合流管道应按满流计算。明渠超高不小于0.2m。2设计流速 最小流速：污水管道为0.6m/s，明沟为0.4m/s。最大流速：金属管道为10m/s；
7、非金属管道为5m/s。,3最小管径 上游部分污水流量较小，根据流量计算其管径也较小，但管径小易堵塞，不易疏通，所以必须规定一个最小管径，当计算管径小于最小管径时采用最小管径，大于最小管径时采用计算值。街坊和厂区内最小管径DN200、最小坡度i=0.004；街道下最小管径DN300、最小坡度i=0.003。4最小设计坡度 同最小设计流速相应的坡度叫最小设计坡度 街坊和厂区内最小坡度i=0.004；街道下最小坡度i=0.003。,5沟道的埋设深度和覆土深度 1）埋设深度：沟道内底至地面的距离。埋设深度影响系统的造价和施工，埋设深度越深，造价越贵，施工期越长；反之，埋设深度越浅，造价越便宜，施工期越
8、短。根据技术指标和施工方法，沟道的最大埋深：干燥土壤中不超过78m；在多水、流沙、石灰岩地层中不超过5m。2）覆土深度：沟道顶外壁到地面的距离。沟道的覆土厚度有一个最小限值，称最小覆土厚度。最小覆土厚度决定于下列三个因素：必须防止沟道中的污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏沟道；必须防止沟壁被车辆造成的活荷重压坏；必须满足支沟在衔接上的要求。,图5,室外排水设计规范对最小覆土厚度的规定：在车行道下，沟顶最小覆土厚度一般不宜小于0.7m。在保证沟道不会受外部荷重损坏时，最小覆土厚度可适当减小。街道下的污水沟道一定要能承接街区或厂区内的污水沟道，因此，它的最小覆土厚度就受街区或厂区内的污水沟道埋深的控制
9、。房屋排出管的最小埋深通常采用0.550.65 m。,最小覆土厚度的计算：,街沟最小覆土厚度的计算见左图，街沟的最小覆土厚度可用下式计算：式中：d街沟的最小覆土厚度，m；h街区或厂区内的污水沟道起端的最小埋深，m；i街区或厂区内的污水沟道和连接支管的坡度；L街区或厂区内的污水沟道和连接支管的总长度，m h1街沟窨井处地面高程，m；h2一街区或厂区内的污水沟道起点窨井处地面高程，m。,在上式的推算中，采用了连接支管的沟底与街沟沟顶相平的连接方式，这仅是为了便于表达。,第六节 沟段的衔接,检查井上、下游的沟段在衔接时应遵循下述原则：尽可能提高下游沟段的高程，以减少埋深、降低造价；避免在上游沟段中形
10、成回水而造成淤积；不允许下游沟段的沟底高于上游沟段的沟底。沟段的衔接方法分三种：通常采用沟顶平接(见图2-7，a)，有时也采用水面平接(见图2-7，b)。在特殊情况下需要采用沟底平接(见图2-7，c)。,a.沟顶平接,指在水力学计算中使上、下游沟段的沟顶内壁的高程相同。特点：上游段不易回水，但下游埋深加大。,b.水面平接,是指在水力学计算中，使上、下游沟段的水面高程相同。特点：流量出现变化时上游易产生回水，但下游沟道的埋深可以浅些。,c.沟底平接,指在水力学计中，要使上、下游沟段的沟底内壁的高程同。,三种连接方式的应用条件：,室外排水设计规范第3.3.1条规定：各种不同管径的管道在检查井内的连
11、接，宜采用水面或管顶平接。沟顶平接：在一般情况下，异管径沟段采用沟顶平接。有时，当上下游沟段管径相同而下游沟段的充盈深小于上游沟段的充盈深时，(由小坡度转入较陡的坡度时，可能出现这种情况)，也可采用沟顶平接。,水面平接：通常，同管径沟段往往是下游沟段的充盈深大于上游沟段的充盈深。为了避免在上游沟段中形成回水而采用水面平接。在平坦地区，为了减少沟道埋深，异管径的沟段有时也采用水面平接或充满度0.8处平接。沟底平接:在特殊情况下，下游沟段的管径小于上游沟段的管径(坡度突然变陡时，可能出现这种情况)，而不能采用沟顶平接或水面平接时，应采用沟底平接以防下游沟段的沟底高于上游沟段的沟底。为了减少沟道系统
12、的埋深，虽然下游沟管管径大于上游沟管管径，有时也可采用沟底平接。,总之，沟段的衔接是以尽量减少沟道埋深为前提，而且在检查井处不应发生以下两种情况：下游沟底高于上游沟底；下游水位高于上游水位。,第七节 沟段水力学计算举例,一水力学计算所需条件 计算沟段的设计流量、沟段长度、检查井处的地面高程，根据地面高程和沟段长度可以算出地面坡度。计算从上游开始，所以计算时上游沟段的口径、高程、埋深等是已知的。通常设计沟段的坡度在数值上与地面坡度相近，沟段口径则与上游沟段口径相近。现举例说明：,例2-4已知设计沟段长度L为240m；地面坡度I为0.0024；流量qV为40L/s，上游沟段管径D300，充满度h/
13、D为0.55，沟底高程为44.22 m，地面高程为46.06 m，覆土厚度为1.54 m(参看图2-8)。求：设计沟段的口径和沟底高程。,例2-5 已知设计沟段长度L=130m，地面坡度I=0.0014，流量qv=56L/s，上游沟段口径D=350mm，充满度h/D=0.59，沟底高程为43.67 m，地面高程为45.48mm。求：设计沟段的口径与沟底高程。,例2-6已知L=190m，qv=66L/s，I=0.008(上端地面高程44.50 m，下端地面高程42.98 m)，上游沟段D=400mmh/D=0.61，其下端沟底高程为43.40 m，覆土厚度0.7 m。如图2-9所示。,第八节 倒
14、虹管水力学计算举例,【例】倒虹管进水井上游沟道中流量qv=500L/s，口径D=1000 mm，坡度I=0.00062，流速v=0.78m/s，充满度h/D=0.75，水面高程+0.75 m，沟底高程0.00m。倒虹管出水井下游沟道中的各水力学要素数值与上游沟道相同，试设计直管式倒虹管，并求下游沟道沟底高程。,倒虹管中水流流速应大于上游沟道，以防淤积，故管径采用800mm。(1)查满流沟管水力学算图(附录一图18)，得：当qv=500L/s，D=800mm时，I=0.00143，v=1.0m/s(图上查出1m/s，限于精度，采用1.0 m/s)。(2)确定下游沟底高程 倒虹管进水井上游沟管与出水井下游沟管间的水位差：(2-4)采用0.2(m)，以改善倒虹管水力学条件。下游沟底高程=0.75-0.2-0.75=-0.20(m),
