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1、第十二章 排水管道的设计计算,污水管道的设计计算 雨水管渠的设计计算 截流式合流制排水管渠的设计 排水管道接口与基础 排水管道平面图和纵剖面图的绘制,污水管道的设计计算,污水管道系统由污水管道及管道系统上的附属构筑物组成 污水管道设计的主要内容 本节内容 设计管段设计流量的确定污水管道的水力计算污水管道的埋设深度污水管道的衔接污水管道设计计算实例,设计管段设计流量的确定,设计管段的划分 两个检查井之间的管段，如果采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，则称它为设计管段。设计管段的起止点应依次编上号码。设计管段的设计流量的确定 如图121，每一设计管段的污水设计流量可能包括以下几种流量：本段
2、流量q1是从本管段沿线街坊流来的污水量；_ 集中流量q2是从上游管段和旁侧管段流来的污水量；转输流量q3是从工业企业或公共建筑流来的污水量。计算式,污水管段设计流量计算式,q1=qsF（12-1）q1-本段流量，L/s；F-本段服务面积，ha;qs-比流量，L/(sha)。qs=n/86400（12-2）n-生活污水定额，L/（人 d）-人口密度，人/ha 某一设计管段的设计流量qij(L/s)为：qij=(q1+q2)Kz+q3（12-3）Kz-生活污水总变化系数。,污水管道的水力计算,污水管道中的水流情况 假定管道内的水流是均匀流 水力计算的基本公式 采用水力学中有关均匀流理论与公式：Q=
3、v（12-4）v=（1/n）R2/3 I1/2（12-5）Q-流量，m3/s；-过水断面面积，m2；v-流速，m/s；R-水力半径，m；I-水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）；n-管壁粗糙系数（见表12-1）。混凝土和钢筋混凝土污水管道的管壁粗糙系数一般采用0.014，雨水管道一般采用0.013。水力计算的设计数据污水管道的水力计算方法,水力计算的设计数据,设计充满度 表12-2中所列的最大充满度是污水管道 设计的最大限值。另外最小充满度不宜小于0.25。设计流速 同设计流量、设计充满度相应的管内水流平均速度叫做设计流速。最小管径和最小设计坡度,在设计流量下，污水管道中的水深h与管道直径D的
4、比值称为设计充满度，用h/D表示。当 h/D=1时称为满流；当h/D1时称为不满流。在我国按不满流设计。,最小流速是保证管道内不致发生淤积的流速。根据国内国外经验定为 0.6m/s。最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。金属：10m/s，非金属5m/s。,最小管径和最小设计坡度,一般在污水管道的上游部分，设计流量很小，若根据流量计算，则管径会很小，易堵塞，使养护费用增加。而小口径管道直径相差一号在同样埋深下，施工费用相差不多。此外采用较大的管径，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和减小管道的埋深，常有一个最小管径的规定。相应于管内最小设计流速时的坡度叫做最小设计坡度
5、。表12-3规定了最小管径及相应的最小设计坡度 最小管径和最小设计坡度 表12-3 注：管道坡度不能满足上述要求时，可酌情减小，但应有防淤、清淤措施。,在污水管道的上游，由于设计管段服务的排水面积较小。如果某设计管段的设计流量小于在最小管径、最小设计坡度、充满度为0.5时管道通过的流量时，这个管段可以不必进行详细的水力计算，直接选用最小管径和最小设计坡度，该管段称为不计算管段。在有冲洗水源时，这些管段可考虑设置冲洗井，定期冲洗，以免堵塞。,污水管道的水力计算方法,在污水管道的水力计算中，已知设计流量Q及管道粗糙系数n，需要求管径D、充满度h/D、管道坡度I和流速v。在两个方程式（式12-4、1
6、2-5）中，有四个未知数，因此必须先假定2个求其他2个，这样的数学计算极为复杂。为了简化计算，常采用水力计算图进行计算（见附录12-1）。附录12-1水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数n=0.014。每张图适用于一个指定的管径。例 已知n=0.014、D=400mm、Q=41L/s、v=0.9m/s，求I和 h/D。解 采用D=400mm的水力计算图（附录12-1附图5）找出Q=41L/s的那条竖线和V=0.9m/s的那条斜线。这两线的交点落在代表I=0.0043的那条横线上，I=0.0043；并落在h/D=0.35与0.4两条斜线之间，可内插得出h/D=0.39。,表12-1
7、 排水管渠粗糙系数表,表12-2 最大设计充满度,注：在计算污水管道充满度时，不包括沐浴或短时间内突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。,污水管道的埋设深度,在污水管道工程中，土方工程在工程造价中占相当比重。管道的埋设深度愈大，工程造价愈高，施工期愈长。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，若能设法减小管道埋深，对于降低工程造价尤为明显。确定污水管道埋设深度时，必须考虑下列因素：必须防止管内污水冰冻或土壤冰冻而损坏管道 必须保证管道不致因为地面荷载而破坏 必须满足街坊污水管衔接的要求,影响污水管道埋设深度的另一个因素是街坊污水
8、管衔接的需要，此值受建筑物污水出户管埋深的控制。从安装技术方面考虑，建筑物污水出户管的最小埋深一般在0.50.6m之间，以保证底层建筑污水的排出。所以街坊污水管道的起端埋深最小也应有0.60.7m,由此值可计算出街道污水管道的最小埋设深度。可由式12-6计算：H=h+IL-（Z2-Z1）+h 即 H=h+IL+Z1-Z2+h H-街道污水管道起点的最小埋设深度，m；h-街坊污水管道起点的最小埋设深度，m；Z1-街道污水管起点检查井处地面标高，m；Z2-街坊污水管起点检查井处地面标高，m；I-街坊污水管和连接支管的坡度；L-街坊污水管和连接支管的总长度，m；h-连接支管与街道污水管的管内底高差，
9、m。,对每一管道来说，从上面三个不同的要求来看，可以得到三个不同的管道埋深。这三个值中，最大的一个即是管道的最小设计埋深。污水管道除要考虑上述最小埋深限值外，还要考虑最大埋深的限值。一般在土壤干燥的地区，管道的最大埋深不超过78；在土质差、地下水位较高的地区，一般不超过5。当管道的埋深超过了当地的最大限度值时应考虑设置排水泵站提升，以提高下游管道的设计高程，使排水管道继续向前延伸。,污水管道的衔接,管道在衔接时应遵循两个原则：1.尽可能提高下游管段的高程，以减小管道埋深，降低造价；2.避免上游管段中形成回水而造成淤积。管道的衔接方法，主要有水面平接、管顶平接两种，如图12-4所示。图12-4
10、污水管道的衔接,无论采用哪种衔接方法，下游管段起端的水面和管内底标高都不得高于上游管段终端的水面和管内底标高。此外，当管道敷设地区的地面坡度很大时，为调整管内流速所采用的管道坡度将会小于地面坡度。为了保证下游管段的最小覆土厚度和上游管段的埋深，可根据地面坡度采用跌水连接。在旁侧管段与干管交汇处，若旁侧管道的管内底标高比干管的管内底标高大很多时，为保证干管有良好的水力条件，最好在旁侧管道上先设跌水井后再与干管相接。,污水管道设计计算实例,已知条件 图12-5为某一个区的街坊平面图。居住区人口密度为350人/，综合生活污水定额为100L/（人）。工厂排除的废水设计流量为25L/。生活污水和经过局部
11、处理后的工业废水全部送往污水厂处理。工厂废水排出口的管底埋深为2，该市冰冻深度为1.40。试进行该区污水管道系统的设计计算（要求达到初步设计深度）设计方法和步骤在进行管道的水力计算时应注意的问题,设计方法和步骤,在街坊平面图上布置污水管道（如图12-6所示）街坊编号并计算其面积（见表12-4），并标出各街坊污水排出的方向。划分设计管段，计算设计流量管渠材料的选择 由于生活污水对管材无特殊要求，且管道的敷设条件较好，故在本设计中，DN400mm的管道采用混凝土管，DN400mm以上的管道采用钢筋混凝土管。各管段的水力计算 在各设计管段的设计流量确定后，便可按照污水管道水力计算的方法，从上游管段开
12、始依次进行各设计管段的水力计算。本例为初步设计，只进行主干管和干管的水力计算，其结果见表12-6和表12-7。绘制管道平面图和纵剖面图（如图12-7所示）。,划分设计管段，计算设计流量,根据设计管段的定义和划分方法，将各干管和主干管有本段流量进入的点（一般定为街坊两端）、集中流量及旁侧支管进入的点，作为设计管段的起止点的检查井并编上号码。如图12-6所示。各设计管段的设计流量应列表进行计算。本例中，居住区人口密度为350人/ha，综合污水定额为100L/（人d），则生活污水比流量为：qs=（100350）/86400=0.405L/(sha)本例中有一个集中流量，在检查井1处进入管道，设计流量
13、为25L/s。各管段的设计流量计算，见表12-5。,在进行管道的水力计算时应注意的问题,必须慎重确定设计地区的控制点。在地面坡度太大的地区或当地面由陡坡突然变缓时，宜设跌水井。,必须细致研究管道敷设坡度与管线经过的地面坡度之间的关系，使确定的管道坡度在满足最小设计流速的前提下，既不使管道的埋深过大，又便于旁侧支管接入。水力计算自上游管段依次下游管段进行，一般情况下，随着设计流量逐段增加，设计流速也应相应增加。如流量保持不变，流速不应减小。,水流通过检查井时，常引起局部水头损失。为了尽量降低这项损失，检查井底部在直线管段上要严格采用直线，在转弯处要采用匀称的曲线。通常直线检查井可不考虑局部水头损
14、失。在旁侧管与干管的连接点上，要考虑干管的已定埋深是否允许旁侧管接入。同时为避免旁侧管和干管产生逆水和回水，旁侧管中的设计流速不应大于干管中的设计流速。初步设计时，只进行干管和主干管的水力计算。技术设计时要进行所有管道的水力计算。,雨水管渠的设计计算,雨水管渠系统设计的必要性 雨水管渠系统的组成及任务 雨水管渠设计的主要内容 本节内容 管段设计流量的确定设计暴雨强度q的确定雨水管渠的水力计算雨水管渠系统的设计方法和步骤雨水管渠设计计算实例排洪沟设计概述,管段设计流量的确定,前已述及雨水设计流量的计算公式，现举例说明如何利用该公式来确定管段设计流量。如图12-8所示，雨水从各汇水面积上最远点分别
15、流入雨水口a、b、c、d的地面集水时间均为1，并假设：1.汇水面积随集水时间的增加而均匀增加；2.降雨历时t等于或大于汇水面积上最远点的雨水流达设计断面的集水时间0；3.径流系数为定值。,图12-8 四个街坊雨水管道示意及计算,设计管段1-2的雨水设计流量 Q1-2=q1F1(L/s)q1-管段1-2的设计暴雨强度L/(s ha)，相应的降雨历时t=1。设计管段2-3的雨水设计流量 Q2-3=q2(F1+F2)(L/s)q2-管段2-3的设计暴雨强度L/(s ha)，相应的降雨历时t=1+t1-2。设计管段3-4的雨水设计流量 Q3-4=q3(F1+F2+F3)(L/s)q3-管段3-4的设计
16、暴雨强度L/(s ha)，相应的降雨历时t=1+t1-2+t2-3。设计管段4-5的雨水设计流量 Q4-5=q4(F1+F2+F3+F4)(L/s)q4-管段4-5的设计暴雨强度L/(s ha)，相应的降雨历时t=1+t1-2+t2-3+t3-4。,设计暴雨强度q的确定,设计重现期P的确定 重现期一般选用0.53.0a，重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般选用25a，并应与道路设计协调。对于特别重要地区和次要地区可酌情增减。设计降雨历时t的确定 t=t1+mt2(12-7)地面集水时间 t1的确定 管渠内雨水流行时间t2的确定 折减系数m的确定,地面集水时间t1的确定,地
17、面集水时间(min)是指雨水从汇水面积上最远点流到雨水口的地面流行时间。影响因素有地形坡度、地面铺砌、地面植被情况、距离长短等。在工程实践中，此值通常不予计算，一般采用515min。按照经验，一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口布置较密的地区，宜采用较小值，取t1=58min。反之，取t2=1015min。在设计工作中，应结合当地具体条件，合理的选定t1值。,管渠内雨水流行时间t2的确定,t2是指雨水在管渠内的流行时间 t2=L/（60v）(12-8)t2-管渠内雨水流行时间，min；L-各设计管段的长度，m；v-各设计管段满流时的流速，m/s；60-单位换算系数。,折减系数的m确定,折减系数
18、m的提出原因 雨水管渠按满流设计，但降雨时，管渠中的水流并非一开始就达到设计流速，而是随着降雨历时的增长逐渐达到设计流速的。这样按式（12-8）算出的管渠流行时间t2将比实际时间偏小。各管段的最大流量不大可能在同一时间发生。当任一管段出现设计流量时，其他管段不一定都是满流，管渠内有一部分空隙容量，可设想利用该空隙容量暂时贮存一部分雨水，起到调蓄管段内最大流量的作用，从而削减其高峰流量。为了利用管道的这种调蓄能力，应使管内水流实际流速低于设计流速，故要延缓管内流行时间t2.考虑到以上两个原因，在设计降雨历时计算时引入了折减系数m，延缓了管内流行时间，使之更接近于实际情况，并达到折减管段设计流量，
19、减小管渠断面尺寸的目的，规范规定：暗管m=2，明渠m=1.2，在陡坡地区的暗管m=1.22。,雨水管渠的水力计算,水力计算的基本公式 Q=v（12-9）v=（1/n）R2/3 I1/2（12-10）水力计算的设计数据 水力计算的方法,雨水管渠水力计算仍按均匀流考虑，其水力计算公式与污水管道相同：,水力计算的设计数据,为使雨水管渠正常工作，避免发生淤积、冲刷等现象，对雨水管渠水力计算的设计数据作如下规定：设计充满度 按满流考虑，即h/D=1。明渠则应有不小于0.20m的超高。设计流速 规范规定满流时管道的最小设计流速为0.75m/s；明渠最小设计流速为0.4m/s。雨水管渠的最大设计流速为：金属
20、管道为10m/s；非金属管道为5m/s；明渠按表12-8采用。最小管径和最小设计坡度 雨水管道的最小管径为300mm，相应的最小坡度为0.003；雨水口连接管的最小管径为200mm，相应的最小坡度为0.01。最小埋深和最大埋深 在冰冻地区，雨水管道正常使用是在雨季，冬季一般不降雨，若该地区使雨水管内不贮留水，且地下水位较深时，其最小埋深可不考虑冰冻影响，但应满足最小覆土厚度的要求。其他具体规定同污水管道。,水力计算的方法,在实际计算中，通常根据式12-9、12-10制成的水力计算图（见附录12-1附图13），按满流计算。在工程设计中，通常在选定管材后，为已知数，设计流量Q也是经计算后求得的已知
21、数，剩下三个未知数D、v和I。在实际应用水力计算图时，可参照地面坡度假定管底坡度I，查水力计算图求得D和v值，并使所求得的D、v和I各值符合水力计算设计数据的规定。例题已知n=0.013，设计流量Q=200L/S，该管段处的地面坡度为0.004，试计算该管段的管径D、流速v和管底坡度I。解 设计采用n=0.013的满流水力计算图(附录12-1附图13)。设采用D=400mm，则将Q=200L/s的竖线与D=400mm的斜线相交，该交点处的I=0.0092、v=1.60m/s。此结果v符合设计规定，而I与地面坡度相差较大，势必增大管道的埋深，不宜采用。若采用D=500mm时，将Q=200L/s的
22、竖线与D=500mm的斜线相交，该交点处的I=0.0028、V=1.02m/s。此结果合适，故采用。,雨水管渠系统的设计方法和步骤,设计前要收集相关资料，然后，根据具体情况进行设计。一般雨水管道的设计方法和步骤如下：划分排水流域，进行管道定线 划分设计管段 确定各设计管段的汇水面积 确定各排水流域的径流系数 确定设计重现期P和地面集水时间t1 求单位面积径流量q0(L/(sha)即：q0=q=167A1(1+cP)/(t1+mt2+b)n(12-11)管渠材料的选择 雨水管道的水力计算 绘制雨水管道的平面图和纵剖面图,雨水管道设计计算实例,题意图12-10为某区一部分街坊的雨水管道布置平面图，
23、该街区采用暗管排除雨水。该市的暴雨强度公式为 Q=500(1+1.38P)/t0.65 L/(sha)，重现期采用1a。各类地面面积见表12-9。管道起点处地面集水时间为8.5min。管道起点埋深 1.40m。试进行雨水干管的水力计算。解本例设计管段的划分如图12-10所示。将设计管段的检查井依次编上号码，各检查井的地面标高见表12-10。每一设计管段的长度在200mm以内为宜，各设计管段的长度见表12-11。每一设计管段所承担的汇水面积可按就近排入附近雨水管道的原则划分。将每块汇水面积的编号、面积数、雨水流向标注在图中（见图12-10）。表12-12为各设计管段的汇水面积计算表。平均径流系数
24、av=(Fii)/F=(2.560.90+1.440.90+0.80 0.15+0.60 0.30)/5.40=0.717 本设计的雨水管道管径小于400mm采用圆形断面的混凝土管，管径大于400mm采用钢筋混凝土管，n值取0.013。水力计算结果见表12-13。,表12-9 街坊及街道各类面积,表12-10 图12-10中地面标高汇总表,表12-11 图12-10中管道长度汇总表,表12-12 汇水面积计算表,q0=500(1+1.381)/(8.5+2t2)0.65 0.717=358.5/(8.5+2t2)0.65 L/(sha),排水管道平面图和纵剖面图的绘制,平面图和纵剖面图是排水管
25、道设计的主要组成部分。污水管道设计和雨水管道设计均应绘制相应的管道平面图和纵剖面图，二者在绘制要求上基本上是一致的。平面图的绘制 平面图是管道的平面布置图，应反映出管道的总体布置和流域范围，不同设计阶段的平面图，其要求的内容也不同。初步设计阶段，一般只绘出管道平面图。采用的比例尺通常为1/50001/10000，图上应有地形、地物、河流、风向玫瑰或指北针等。技术设计（或扩大初步设计）和施工图设计阶段，采用的比例尺通常为1/5001/5000，图上内容除反映初步设计的要求外，要求更加具体、详尽。纵剖面图的绘制 纵剖面图是管道的高程布置图，应反映出管道沿线的高程位置，它和平面图是相互对应的。初步设计一般不绘制剖面图。在剖面图的下方要画一表格 纵剖面图的比例尺，常采用横向1/5001/2000，纵向1/501/200。图12-24为某市污水管道扩大初步设计阶段的部分管道的平、剖面图，设计时可做参考 除管道的平、剖面图外，技术设计和施工图设计中，还应包括管道附属构筑物的详图、管道交叉点特殊处理的平、剖面图等。附属构筑物可在给水排水标准图集中选用。,
