给排水管道系统的水力计算

2.3.2.1　污水在管道内的流动特点

污水中含有很多杂质，其中有有机物和无机物，这些物质有的溶于水中，有的混于水中。混于水中的较轻物质浮漂于水面，较重些的悬浮于水中，最重的如泥沙等存于管底部随水移动。当水流速度较小时，这些较重物质即会沉淀，阻碍水流，甚至堵塞管道；如水流过快，水中杂物还可能冲刷磨损管道，这是污水与生活饮用水流动时的不同点。水中虽含有很多杂质，但所占比例很小，生活污水中主要是水，一般水在生活污水中占有99%以上，因此可将污水按一般水看待，符合一般水力学的水流运动规律。

污水在管道中流动，流量是变化的。又由于流动时水流转弯、交叉、变径、跌水等水流状态的变化，流速也在不断变化。因此污水在管道内流行是不均匀流，流量、流速均发生变化。但在直线管段上，当流量没有很大变化和没有沉淀物时，污水的流动状态接近于均匀流。因此在污水管网设计中采用均匀流计算，使计算工作大为简化。

2.3.2.2　水力计算基本公式

设计污水管道，必须经过水力计算来决定管道直径和管道坡度，然后由此计算管道的埋设深度及检查井的井底高度等。污水在管道中的流动，可以采用水力学中无压均匀流公式计算。

1.流量公式

式中 Q——污水流量，m3/s；

ω——过水断面面积，m2；

v——过水断面平均流速，m/s。

2.流速公式

式中 n——管壁粗糙系数，见表2.3.4；

R——水力半径（过水断面面积与湿周的比值），m；

i——管渠坡度（即管渠底起讫点的高差h与管段长度L之比，i=h/L），与水力坡度相同。

表2.3.4　管渠粗糙系数

2.3.2.3　污水管道水力计算的设计数据

为了保证排水管渠正常工作，避免在管渠内产生淤积、冲刷、溢流及保证排水通畅，在进行水力计算时，采用的设计充满度、流速、坡度、管径等问题在我国《室外排水设计规范》中做了规定，以此作为设计数据。

1.设计充满度

在设计流量下，管道中的水深h与管径D的比值h/D称为设计充满度。当h/D=1时称为满流；当h/D＜1时称为不满流。

《室外排水设计规范》规定，雨水管道及合流管道应按满流计算，污水管道应按不满流计算，其允许最大设计充满度见表2.3.5，明渠超高不得小于0.2m。

表2.3.5　最大设计充满度

注 在计算污水管道充满度时，不包括短时间突然增加的污水量，但当管径不大于300mm时，应按满流复核。

表2.3.5所规定的最大设计充满度是排水管渠设计的最大限值。在进行水力计算时，所选用的实际充满度应不大于表中规定。但是如果所取充满度过小，也是不经济的。一般情况下设计充满度最好不小于0.5，特别是大尺寸的管渠，设计充满度最好接近最大允许充满度，以发挥最大效益。

2.设计流速

与管道设计流量、设计充满度相应的水流平均流速称为设计流速。如果污水在管道中流速过小，则污水中的部分杂质就会在重力作用下沉淀在管底，从而造成管道淤积；如果管内流速过大，又会使管壁受到冲刷磨损，而降低管道的使用年限，因此对设计流速应予以限制。《室外排水设计规范》规定，污水管道在设计充满度下，最小设计流速为0.6m/s，含有金属矿物固体或重油杂质的生产污水管道，流速应适当加大；雨水管道及合流管道在满流时流速为0.75m/s，明渠为0.4m/s。

排水管渠的最大设计流速与管渠材料有关，《室外排水设计规范》中规定：金属管道为10m/s；非金属管道为5m/s。

明渠最大设计流速，当水深h为0.4～1.0m时，按表2.3.6确定；当水深h在0.4～1.0m范围以外时，按表中最大流速乘以下列系数：h＜0.4m时，系数为0.85；1.0m＜h＜2.0m时，系数为1.25；h≥2.0m时，系数为1.40。

表2.3.6　明渠最大设计流速

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规定的最小设计流速，是保证管内不致发生淤积的流速。在这个流速下，污水中的杂质能够随水流一起运动，所以又称自净流速。从实际运行情况看，流速是防止管渠水中杂质沉淀的重要因素，但不是唯一因素，管渠内水深的大小对杂质沉淀也有很大影响，因此选用较大的充满度对防止管渠淤积有一定的意义。

3.最小管径

城市污水管道系统中，起端管段的设计流量很小，所以计算所得的管径就很小。管径过小的管道极易阻塞，且不易清通。调查表明，在同等条件下，管径150mm的阻塞次数是管径200mm阻塞次数的两倍，而两种管径的工程总造价相当。据此经验，《室外排水设计规范》规定了污水管道的最小管径，见表2.3.7。当按设计流量计算确定的管径小于最小管径时，应按表2.3.7最小管径采用。

表2.3.7　最小管径和最小设计坡度

4.最小设计坡度和不计算管段

流速和坡度间存在一定关系，相应于最小允许流速的坡度就是最小设计坡度。最小设计坡度也与水力半径有关，而水力半径是过水断面面积与湿周的比值。所以不同管径的污水管道，由于水力半径不同应有不同的最小设计坡度。相同直径的管道因充满度不同，其水力半径也不同，所以也应有不同的最小设计坡度。但是通常对同一直径的管道只规定一个最小坡度，以充满度为0.5时的最小坡度作为最小设计坡度，见表2.3.7。

在污水管渠设计中，由于管网系统起端管段的服务面积较小，所以计算的设计流量较小。如果设计流量小于最小管径的最小设计坡度，在充满度为0.5的流量时，这个管段可不进行水力计算，而直接采用最小管径和相应的最小坡度，故这种管段称为不计算管段，这些管段在日常维护中要有必要的冲洗设施，可设置冲洗井进行冲洗。

2.3.2.4　污水管道埋深和覆土厚度

管道埋设深度是指管底内壁到地面的距离，如图2.3.1所示。管道的埋设深度对整个管道系统的造价和施工影响很大。管道埋深越大，造价越高，施工期越长。有的管道埋深增加2～3m，成本将增加1倍以上。管道的埋深有一个最大限值，称为最大埋深。一般应据技术经济指标及施工方法确定。在干燥土壤中，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。

管道的覆土厚度指管道外壁顶部到地面的距离，如图2.3.1所示。尽管管道埋深越小越好，但管道的覆土厚度有一个最小限值，叫最小覆土厚度，其值取决于以下3个因素：

（1）在寒冷地区，必须防止管内污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏管道。污水在管道中冰冻的可能性与土壤的冰冻深度、污水水温、流量及管道坡度等因素有关。因污水水温冬季也在4℃以上，所以没有必要把各个管道埋在冰冻线下，没有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，管底可埋在冰冻线以上0.15m。近年来的实践证明，设计时加大1～2号管径，并适当放大坡度，污水管道还可以提高埋深0.6～0.8m。有保温措施或水温较高的污水管，其管底标高还可加大。

图2.3.1　覆土厚度

（2）为防止管壁被地面荷载压坏，管顶需一定的覆土厚度，其取决于管道的强度、荷载的大小及覆土的密实程度等。规定车行道下最小覆土厚度不小于0.7m。在管道保证不受外部重压损坏时，可适当减小。

（3）必须满足管道之间的衔接要求。在气候温暖的平坦地区，管道的最小覆土厚度往往决定于房屋排出管在衔接上的要求。房屋污水出户管的最小埋深，通常0.5～0.6m，所以污水支管起点埋深一般不小于0.6～0.7m。街道污水管起点埋深（图2.3.2），可按下式计算：

式中 H——街道污水管的最小埋深，m；

h——街区污水管道起端的最小埋深，m；

Z1——街道污水管检查井处地面标高，m；

Z2——街区污水管起端检查井处地面标高，m；

i——街区污水管和连接支管的坡度，m；

图2.3.2　街道污水管最小埋深示意图

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管内底高差，m。

对一个具体管段，从上述3个因素出发，可以得到3个不同的管底埋深或管顶覆土厚度值，这3个数值中的最大一个值就是这一管道的允许最小覆土厚度。

根据经验，最大覆土不宜大于6m；在满足各方面要求的前提下，理想覆土厚度为1～2m。

2.3.2.5　污水管道水力计算的方法

排水管道采用式（2.3.11）、式（2.3.12）进行水力计算，在这两个公式中含有参数流量Q、流速v、管材粗糙系数n、管道水力半径R（与管道充满度h/D和管道直径有关）和坡度i。两个方程中含有6个参数，通常只有流量Q和管材粗糙系数n已知，其余4个参数是未知的。因此，必须先假定两个参数，才能求出另外两个参数。直接应用式（2.3.11）、式（2.3.12）进行水力计算比较麻烦，为了简化计算，可直接使用水力计算图表。水力计算图表是按式（2.3.11）、式（2.3.12）编制的。附图1为钢筋混凝土圆管（不满流n=0.014）水力计算图。每一张图的管径D和粗糙系数n值是一定的，图中有流量Q、流速v、充满度h/D、坡度i4个参数，在使用时知道其中两个，便可从图中查得另外两个参数。