2022年渠道水力學基礎知識

1、第三章 渠道水力學第一節(jié) 管道中的水流情況第二節(jié) 污水管道水力學設計的原則第三節(jié) 管道水力學計算用的基本公式第四節(jié) 水力學算圖第五節(jié) 管道水力學設計數據第六節(jié) 管段的銜接第七節(jié) 管段水力學計算舉例第八節(jié) 倒虹管水力學計算舉例第九節(jié) 常用排水泵第十節(jié) 排水泵站水力學計算舉例第一節(jié) 管道中的水流情況一、污水管道內水質特點含有一定數量的無機物和有機物，但總的說來，污水中的水分一般在99%以上，因此可假定污水按照一般液體流動的規(guī)律流動。二、污水管道內水流特點 重力流非滿流近似均勻流（管道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管流或壓力流。）第二節(jié) 污水管道水力學設計的原則計算確定管徑坡度高程水力學計算要滿

2、足下列要求不溢流不淤積不沖洗管壁通風第三節(jié) 管道水力學計算用的基本公式設計管段是相鄰的兩個檢查井間的管段。當相鄰的設計管段能采用同樣的口徑和坡度時，可以合并為一條設計管段。n管壁粗糙系數 式中：Q流量，m3/s； A過水斷面面積，m2； v流速，m/s； R水力半徑（過水斷面積與濕周的比值），m； I水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； C流速系數，或謝才系數。C值一般按曼寧公式計算，即管壁粗糙系數n值管渠種類n值UPVC管、PE管、玻璃鋼管0.0090.01陶土管、鑄鐵管0.013混凝土和鋼筋混凝土管0.0130.014石棉水泥管、鋼管0.012水泥砂漿抹面渠道0.0130.014漿砌磚渠

3、道0.015漿砌塊石渠道0.017干砌塊石渠道0.0200.025土明渠（包括帶草皮的）0.0250.030木槽0.0120.014設計充滿度（h/D）設計流速（v）最小管徑（D）最小設計坡度（i）污水管道的埋設深度污水管道的銜接水力設計參數第四節(jié) 水力學算圖水力學算圖有不滿流圓形管道水力學算圖、滿流圓形管道水力學算圖、滿流矩形水力學算圖和明渠流用的水力學算圖。例3-1 已知n=0.014，D=300mm，i=0.0024，Q=25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D=300mm，采用附錄二中附圖2-3。（2）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，從

4、左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數字代表相應要素的值。先從縱軸（表示坡度）上的數字找0.0024，從而找出代表i=0.0024的橫線。（3）從橫軸（表示流量）上找出Q=25.5L/s的那根豎線。（4）代表坡度0.0024的橫線和代表流量25.5L/s的豎線相交，得一點，這一點正好落在代表流速0.65m/s的斜線上，并靠近充滿度0.55的斜線。因此，v= 0.65m/s，h/D=0.55第五節(jié) 管道水力學設計數據一、設計充滿度（h/D）指設計流量下，管道內的有效水深與管徑的比值。h/D =1時，滿流h/D 1時，非滿流室外排水設計規(guī)范規(guī)定，最大設計充滿度為：hD管徑（D）或暗渠高（H） （m

5、m）最大充滿度（h/D）2003003504505009001000 0.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80) 對于明渠流：規(guī)范規(guī)定，設計超高（渠中水面與渠頂間高度）不小于0.2米。為什么要做最大設計充滿度的規(guī)定？（1）預留一定的過水能力，防止水量變化的沖擊，為未預見水量的增長留有余地；（2）有利于管道內的通風；（3）便于管道的疏通和維護管理。一、設計充滿度（h/D）二、設計流速（v）與設計流量和設計充滿度相應的污水平均流速。最小設計流速：是保證管道內不發(fā)生淤積的流速，與污水中所含雜質有關；國外很多專家認為最小流速為0.6-0.75m/s，我國根據試驗結

6、果和運行經驗確定最小流速為0.6m/s。最大設計流速：是保證管道不被沖刷破壞的流速，與管道材料有關；金屬管道的最大流速為10m/s，非金屬管道的最大流速為5m/s。*國內一些城市污水管道長期運行的情況說明，超過上述最高限值，并未發(fā)生沖刷管道的現象。三、最小管徑（D）1.為什么要規(guī)定最小管徑？管徑過小，管道容易堵塞。如： 150mm與200mm的管道比較，前者堵塞的次數有時是后者的2倍，使管道的養(yǎng)護管理費用增加；而在相同的埋深下，施工費用相差不多。若將計算出的150mm改為200mm的管道的話，維護費用減少，而且，管道的坡度可減小，使管道的埋深減小。街坊管最小管徑為200mm，街道管最小管徑為3

7、00mm。三、最小管徑（D）2.什么叫不計算管段？在管道起端由于流量較小，通過水力計算查得的管徑小于最小管徑，對于這樣的管段可不用再進行其他的水力計算，而直接采用最小管徑和相應的最小坡度，這樣的管段稱為不計算管段。200mm，i=0.004，9.19L/s300mm，i=0.003， 14.63L/s四、最小設計坡度（i）相應于最小設計流速的坡度為最小設計坡度，最小設計坡度是保證不發(fā)生淤積時的坡度。（1）（2）（3）規(guī)定：管徑200mm的最小設計坡度為0.004； 管徑300mm的最小設計坡度為0.003； 管徑400mm的最小設計坡度為0.0015。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度管道的埋設

8、深度是指管底的內壁到地面的距離。覆土厚度埋設深度地面管道覆土厚度是指管頂的外壁到地面的距離。1、管網的造價在實際工程中，污水管道的造價由選用的管道材料、管道直徑、施工現場地質條件、管道埋設深度等四個主要因素決定。五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、決定污水管道最小覆土厚度的因素(1)滿足地面荷載的要求車行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非車行道下，污水管的最小覆土厚度可適當減小。(2)冰凍線的要求室外排水設計規(guī)范規(guī)定：無保溫措施的生活污水管道，管底可埋設在冰凍線以上0.15m；有保溫措施或水溫較高的管道，距離可以加大。國外規(guī)范規(guī)定：污水管道最小埋深，應根據當地的養(yǎng)護經驗確定。無養(yǎng)護資料

9、時，采用如下數值：管徑小于500mm，管底在冰凍線上0.3m；管徑大于500mm，為0.5m。2、決定污水管道最小覆土厚度的因素(3)滿足街坊管連接要求H=Z1 （Z2h） IL +h式中：H街道污水管網起點的最小埋深，m； h街坊污水管起點的最小埋深，0.60.7m； Z1街道污水管起點檢查井檢查井處地面標高，m； Z2街坊污水管起點檢查井檢查井處地面標高，m； I街坊污水管和連接支管的坡度； L街坊污水管和連接支管的總長度，m； h連接支管與街道污水管的管內底高差，m。 五、污水管道的埋深深度和覆土厚度2、決定污水管道最小覆土厚度的因素對于每一個具體的設計管段，從上述三個不同的因素出發(fā)，可

10、以得到三個不同的管底埋深或管頂覆土厚度值，這三個數值中的最大一個值就是該管段的允許最小埋設深度或最小覆土厚度。除考慮最小埋深外，還應考慮最大埋深： 在干燥土壤中，一般不超過78 m； 在多水、流砂、石灰?guī)r地層中，一般不超過5 m。第六節(jié) 管段的銜接一、銜接的原則(1)盡可能提高下游管段的高程，以減小埋深，從而降低造價，在平坦地區(qū)這點尤其重要(2)避免在上游管段中形成回水而造成淤積(3)不允許下游管段的管底高于上游管段的管底。二、銜接的方式注意：（1）不應發(fā)生下游管底高于上游；（2）不應發(fā)生下游水位高于上游。管頂平接水面平接管底平接第七節(jié) 管段水力學計算舉例例3-2 已知設計管段長度L為240m

11、；地面坡度I為0.0024；流量Q為40L/s，上游管段管徑D為300mm，充滿度h/D為0.55，管底高程為44.220m，地面高程為46.060m，覆土厚度為1.54m。求：設計管段的口徑和管底高程。解：由于上游管段的覆土厚度較大，設計管段坡度應盡量小于地面坡度以減小管段埋深。（1）令D=300mm，查圖，當D=300mm，Q=40L/s，h/D=0.55時，i=0.00580.0024，不符合減小埋深的原則；令v=0.6m/s時，h/D=0.900.55，也不符合要求。（2）令D=350mm，查圖，當D=350mm，Q=40L/s，h/D=0.65時，i=0.00150.0024，v=0

12、.61m/s0.6m/s，符合要求。采用管頂平接設計管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350=44.170m設計管段下端管底高程：44.170-2400.0015=43.810m檢驗上游管段下端水面高程：44.220+0.3000.55=44.385m設計管段上端水面高程：44.170+0.650.350=44.398m44.398m高于44.385，不符合要求，應采用水面平接。（3）令D=400mm，查圖，當D=400mm，Q=40L/s，v=0.6m/s時，h/D=0.53，i=0.00145。與D=350mm比較，管段設計坡度基本相同，管段容積未充分利用，管段埋深反而增加0

13、.05m。另外，管段口徑一般不跳級增加，所以，D=350mm，i=0.0015的設計為好。（4）管底高程修正：采用水面平接。上游管段的下端水面高程：44.22+0.30.55=44.385m設計管段的上端管底高程：44.385-0.350.65=44.158m設計管段的下端管底高程：44.158-2400.0015=43.798m例3-3 已知設計管段長度L為130m；地面坡度I為0.0014；流量Q為56L/s，上游管段管徑D為350mm，充滿度h/D為0.59，管底高程為43.67m，地面高程為45.48m。求：設計管段的口徑和管底高程。解：覆土厚度為45.38-43.67-0.35=1.

14、46m。離最小覆土厚度允許值0.7m差距較大，因此設計時應盡量使設計管段坡度小于地面坡度。（1）令D=350mm，查圖，當D=350mm，Q=56L/s，v=0.6m/s時，i=0.0015，但h/D=0.950.65，不合格。當h/D=0.65時，v=0.85m/s，i=0.00300.0014，不很理想。上游管段的水面高程：43.67+0.350.59=43.877m采用水面平接設計管段的上端管底高程：43.877-0.350.65=43.650m設計管段的下端管底高程：43.65-1300.0030=43.260m（2）令D=400mm，查圖，當D=400mm，Q=56L/s， v=0.

15、6m/s時，i=0.0012，但h/D=0.700.65，不符合規(guī)定；當h/D=0.65時，i=0.00145，v=0.65m/s，符合要求。管底坡度接近地面坡度i=0.0014。采用管頂平接設計管段的上端管底高程：43.67+0.35-0.4=43.62m設計管段的下端管底高程：43.62-1300.00145=43.432m上游管段下端水面高程：43.877m檢驗設計管段上端水面高程：43.62+0.650.4=43.88m43.88m略高于43.877m，雖不符合要求，但可接受（下端管底施工高程43.432m略低于計算值）。（3）究竟采用D=350mm，i=0.0030，還是采用D=40

16、0mm，i=0.00145，在前一組答案里下端管底高程是43.26m，比后一組答案里的高程43.432m，低0.172m。從本設計管段的造價而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的管段都將落下0.172m。假如下游的地區(qū)有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦地區(qū)，以后還有很長的管段以及覆土厚度大于0.7m較多時，宜采用第二答案。例3-4 已知設計管段長度L為190m；Q=66L/s，I為0.008（上端地面高程44.50m，下端地面高程42.98m），上游管段管徑D為400mm，充滿度h/D為0.61，下端管底高程為43.40m，覆土厚度0.7m。求：管徑和管底高程。解：本例的特點是

17、地面坡度充分，偏大。上游管段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設計管段坡度將小于地面坡度，其口徑可小于上游管段。（1）令D=400mm，i=I=0.008，h/D=0.65時，查圖得Q=133L/s66L/s。（2）令D=350mm，i=I=0.008，h/D=0.65時，查圖得Q=91L/s66L/s。（3）令D=300mm，i=I=0.008，h/D=0.55時，查圖得Q=47L/s66L/s。（4）可以選用D=350mm，i=0.008。規(guī)范規(guī)定，在地面坡度變陡處，管道管徑可以較上游小1或2級。下面計算管底高程。D=350mm，Q=66L/s，I=0.008時，查圖得：h/D0.53，v=

18、1.28m/s，合格。采用管底平接：設計管段上端管底高程=上游管段下端管底高程=43.40m設計管段下端管底高程：43.40-1900.008=41.88m（5）如果采用地面坡度作為設計坡度，設計流速超過最大流速，這時管道設計坡度必須減小，并且設計管段上端檢查井采用跌水井。第八節(jié) 倒虹管水力學計算舉例例3-5 倒虹管進水井上游管道中流量Q=500L/s，口徑D=1000mm，坡度i=0.00062，流速v=0.78m/s，充滿度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學要素數值與上游管道相同。試設計直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。（1）確定

19、倒虹管口徑倒虹管中水流流速應大于上游管道，以防淤積，故管徑采用800mm。查滿流管道水力學算圖，得：當Q=500L/s，D=800mm時，i=0.00143，v=1.0m/s。（2）確定下游管底高程倒虹管進水井上游管段與出水井下游管段間的水位差：采用0.20m，以改善倒虹管水力學條件。下游管底高程：0.75-0.20-0.75=-0.2m第九節(jié) 常用排水泵常用的排水泵包括：離心泵、混流泵、軸流泵、螺旋泵、螺桿泵以及潛水/污泵（離心、軸流、混流、螺旋）和氣提泵等。一、幾種常用的排水泵1、離心泵分臥式和立式兩種形式立式優(yōu)點：（1）占地面積小，能節(jié)省造價；（2）水泵和電動機可以分別安放在適宜的地方。

20、立式缺點：（1）對安裝技術和機件精度要求都較高；（2）檢修不及臥式泵方便。一、幾種常用的排水泵2、混流泵泵內主流方向介乎輻射與軸向之間一、幾種常用的排水泵3、軸流泵主流方向和泵軸平行一、幾種常用的排水泵4、螺旋泵特點：（1）沒有阻塞問題；（2）結構簡單，可自行制造；（3）無需輔助設備；（4）無需正規(guī)泵站；（5）基建投資??；（6）低速運行，機械磨損小，維修方便；（7）電能消耗少；（8）運行費用低；（9）占地較大。提升絮體易碎的回流活性污泥螺旋泵外形一、幾種常用的排水泵5、空氣提升泵用于提升回流活性污泥結構簡單，管理方便，當壓縮空氣有現成來源時，可以考慮使用一、幾種常用的排水泵6、潛污泵無需正規(guī)泵

21、站，占地面積?。还苈泛唵?，配套設備少潛污泵安裝圖二、排水泵站的工作特性1、離心泵流量較小，揚程較高，用于提升污水；其最高效率點兩側下降較緩，比較容易控制在高效率狀況下運行；水泵的軸功率曲線表明，Qp=0時，軸功率最小，所以應閉閘啟動，以減少電動機的啟動電流。二、排水泵站的工作特性2、軸流泵流量大，揚程低，額定點功率較高，吸水高度很低，僅有12m。應在出水閘門開啟時啟動，以減小電動機的啟動電流。二、排水泵站的工作特性3、螺旋泵揚程低，轉速低，流量范圍大，效率穩(wěn)定，適用于提升回流活性污泥當進水水位達到泵軸心管邊緣螺旋葉片處時，提升水量達到最大值三、排水泵引水設備1、真空泵系統(tǒng)啟動迅速，效率高，尤其

22、適用于大、中型水泵和吸水管較長的水泵系統(tǒng)；但操作較繁，自控復雜。三、排水泵引水設備2、水射器（泵）適用于小型泵站，具有結構簡單、占地小、安裝容易、工作可靠等特點。第十節(jié) 排水泵站水力學計算舉例以水力學原理為基礎，設計所需揚水量和揚程需要知道最大設計流量，最小設計流量，確定泵的臺數和型號布置泵的位置和出水管的線路，并確定水管的口徑核算所選水泵是否合用，是否需要修正管線水頭計算方法水流通過管件時有局部水頭損失，局部損失的計算公式如下：為簡化計算，?；芗橹惫埽c直管一起計算水頭損失。直管水頭損失公式為：管件的相當長度公式：當粗糙系數n=0.013時，得：系數的值例3-6 某一工業(yè)城鎮(zhèn)的人口6000人，居住區(qū)生活污水的平均流量為8.5L/s，總變化系數為2.1，則設計流量約為18L/s。工廠甲三班制工作，設計流量為26L/s。工廠乙一班制工作，生活污水和工業(yè)廢水在8h當中均勻排出，設計流量為6L/s。在終點泵站處的地面高程為41.50m。泵站入流管道的管徑為350mm，水面高程為36.45m，管底高程為36.24m。試根據上述條件，作泵站水力設計。解：（1）泵站的最大入流量為18+26+6=50L/s。居住區(qū)的生活污水的最小時流量估計為平時日流量的1.0%，則最小入流量等于8