城镇污水管道水力计算

3.5.1.1 污水管道管段设计流量计算

1.设计管段的确定

两个检查井之间的管段采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，称为设计管段。在确定设计管段时，为了简化计算，不需把每个检查井都作为设计管段的起讫点。因为在直线管段上，为了疏通需要，需在一定距离处设置检查井。估计可以采用同样管径和坡度的连续管段，就可作为一个设计管段。根据管道平面布置图，凡有集中流量进入，有旁侧管道接入的检查井均作为设计管段的起讫点。设计管段的起讫点应编上号码，然后计算每一设计管段的设计流量。

2.管段设计流量的计算

每一设计管段的污水设计流量可能包括以下几种流量（图3.14）。

（1）本段流量q1。是从管段沿线街坊流来的污水量。

（2）转输流量q2。是从上游管段和旁侧管段流来的污水量。

（3）集中流量q3。是从工业企业或其他大型公共建筑物流来的污水量。

对于某一设计管段而言，本段流量q1是沿线变化的，但为了计算的方便，通常假定本段流量集中在起点进入设计管段。从上游管段和旁侧管段流来的污水流量以及集中流量对于设计管段是不变的。

只有本段流量的设计管段设计流量可用式（3.1）计算：

图3.14　设计管段的设计流量

式中 q1——设计管段的本段流量，L/s；

F——设计管段服务的街坊面积，hm2；

Kz——生活污水量总变化系数；

q0——单位面积的平均流量，即比流量，L/（s·hm2），计算见式（3.2）；

n——居住区生活污水定额，L/（cap·d）；

p——人口密度，cap/hm2。

具有本段流量q1、转输流量q2以及集中流量q3的设计管段设计流量Q可用式（3.3）计算：

式中 Q——设计管段的设计流量，L/s；

F——设计管段和上游管段的街坊总服务面积，hm2。

上述计算在初步设计时，只计算干管和主干管的流量。在技术设计时，应计算全部管道的流量。

3.5.1.2 污水管道设计参数

1.设计充满度

设计流量下，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度，如图3.15所示。当h/D=1时称为满流；当h/D＜1时称为非满流。

图3.15　污水管充满度

由于污水流量时刻在变化，很难精确计算，而且雨水或地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，有必要保留一部分管道断面，为未预见水量的增长留有余地，避免污水溢出妨碍环境。另外，污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体，如污水中可能含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能形成爆炸性气体。故需留出适当的空间，以利管道的通风，排除有害气体，对防止管道爆炸有良好效果。因此，《室外排水设计规范》（GB50014—2006）规定，污水管道应按非满流进行设计，其最大设计充满度见表3.1。对于明渠，设计规范规定设计超高（即渠中水面到渠顶的高度）不小于0.2m。

表3.1　最大设计充满度

在计算污水管道充满度时，不包括淋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。

2.设计流速

和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度称为设计流速。为了防止管道中产生淤积或冲刷，设计流速不宜过小或过大，应在最大和最小设计流速范围之内。最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的流速。《室外排水设计规范》（GB50014—2006）规定污水管道在设计充满度下的最小设计流速定为0.6m/s，明渠的最小设计流速为0.4m/s。最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材料有关，金属管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s。

3.最小管径

在污水管道系统的上游部分，设计污水流量很小，若根据流量计算，则管径会很小，而管径过小极易堵塞；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，常规定一个允许的最小管径。在街坊和厂区内污水管道最小管径为200mm，街道下为300mm。

在污水管道系统上游管段，由于管段服务的排水面积较小，因而设计流量小，按此流量计算得出的管径小于最小管径时，应采用最小管径值。

4.最小设计坡度

在污水管道设计时，应尽可能减小管道敷设坡度以降低管道埋深。但管道坡度造成的流速应等于或大于最小设计流速，以防止管道产生沉淀。因此，将相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度称为最小设计坡度。

不同管径的污水管道有不同的最小坡度。管径相同的管道，因充满度不同，其最小坡度也不同。在给定设计充满度条件下，管径越大，相应的最小设计坡度值越小。《室外排水设计规范》（GB50014—2006）只规定最小管径对应的最小设计坡度，街坊内污水管道的最小管径为200mm，相应的最小设计坡度为0.004；街道下为300mm，相应的最小设计坡度为0.003。若管径增大，相应于该管径的最小坡度由最小设计流速保证。

3.5.1.3 污水管道水力计算内容和方法

污水管道的水力计算自上游依次向下游管段进行，水力计算的主要内容是确定污水管道管径、管道坡度以及污水管道标高和埋深。

1.污水管道管径和管道坡度的确定

在设计管段具体计算中，通常采用水力计算图表进行计算。在水力计算中，由于Q、v、h/D、i、D各水力要素之间存在相互制约的关系，因此在查水力计算图时实际存在一个试算过程。

污水管道起始管段的水力计算，首先应考虑不计算管段问题，合理确定不计算管段的管径和坡度。

管道坡度应参照地面坡度和保证自净流速的最小坡度的规定确定。一方面要使管道尽可能与地面坡度平行敷设，以减小管道埋深。但同时管道坡度又不能小于最小设计坡度的规定，以免管道内流速达不到最小设计流速而产生淤积。当然也应避免若管道坡度太大而使流速大于最大设计流速，从而导致管壁受冲刷。

对于下游其他管段的水力计算，管道坡度的确定原则同上。通常随着设计流量的增加，下一管段的管径一般会增大一级或两级，或保持不变，但当管道坡度骤然增大时，下游管段的管径可以减小，但缩小的范围不得超过50～100mm。这样可根据流量的变化确定管径。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，只有在管道坡度由大骤然变小的情况下，设计流速才允许减小。管道的设计充满度不能超过最大充满度要求。综合考虑以上几方面因素，通过试算完全可以合理地确定污水管道的管径和坡度。(www.xing528.com)

2.污水管道标高和埋深的确定

污水管道标高和埋深的确定也应自上游依次向下游管段进行。首先应合理确定整个管道系统的控制点，作为主干管的起始点。按确定最小埋深的3个途径分别计算起点埋深，从而确定起始点最小埋深。根据管径和充满度计算管段的水深，根据设计管段长度和管道坡度计算设计管段降落量，最后确定起始管段起讫点的标高和埋深。

根据管段在检查井处采用的衔接方法，可确定下游管段的标高和埋深。在旁侧管与干管或主干管的连接点处，要考虑干管的已定埋深是否允许旁侧管接入。若连接处旁侧管的埋深大于干管埋深，则需在连接处的干管上设置跌水井，以使旁侧管能接入干管。另一方面，若连接处旁侧管的管底标高比干管的管底标高高出许多，为使干管有较好的水力条件，需在连接处前的旁侧管上设置跌水井。

3.5.1.4 污水管道的设计计算实例

已知某城镇居住区街坊人口密度为350cap/hm2，居民生活污水定额为120L/（cap·d）。火车站和公共浴室的设计污水量分别为3L/s和4L/s。工厂甲和工厂乙的工业废水设计流量分别为25L/s与6L/s。生活污水及经过局部处理后的工业废水全部送至污水处理厂。工厂甲废水排出口的管底埋深为2m。

1.在街坊平面图上布置污水管道

从街坊平面图可知该区地势自北向南倾斜，坡度较小，无明显分水线、可划分为一个排水流域。街道支管布置在街坊地势较低一侧，干管基本上与等高线垂直布置，主干管布置在市区南面河岸处，基本与等高线平行。整个管道系统呈截流式型式布置，如图3.16所示。

图3.16　某城镇区污水管道平面布置

2.街坊编号并计算其面积

将各街坊编上号码，并按各街坊的平面范围计算他们的面积，列入表3.2中。用箭头标出各街坊污水排出的方向。

表3.2　街坊面积

续表

3.划分设计管段，计算设计流量

将各干管和主干管中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，作为设计管段起讫点的检查井并编上号码。本例中主干管为1～7，可划分为1～2、2～3、3～4、4～5、5～6、6～7等6个设计管段，干管为8～2、11～4和16～6，其余为支管。

各设计管段的设计流量应列表进行计算。在初步设计中只计算干管和主干管的设计流量，见表3.3。

表3.3　污水干管设计流量计算

根据居住区人口密度350cap/hm2和居民生活污水定额120L/（cap·d），计算1hm2街坊面积的生活污水平均流量（比流量）为

有4个集中流量，在检查井1、5、11、13分别进入管道，相应的设计流量分别为25L/s、6L/s、3L/s和4L/s。

根据管网定线图进行设计流量计算，设计管段1～2为主干管的起始管段，只有工厂甲的集中流量（经处理后排出的工业废水）25L/s流入，故设计流量为25L/s。设计管段2～3除接纳街坊24排入的本段污水流量，还转输管段1～2的集中流量25L/s和管段8～2的生活污水。街坊24的汇水面积为2.2hm2（见街坊面积表3.2），故本段流量q1=q0F=0.486×2.2=1.07（L/s）；管段8～9～10～2流来的生活污水平均流量，其值为q2=q0F=0.486×（1.21+1.7+1.43+2.21+1.21+2.28）=0.486×10.04=4.88（L/s）；居住区生活污水合计平均流量为q1+q2=1.07+4.88=5.95（L/s）。查表计算得总变化系数Kz=2.2。则该管段的生活污水设计流量Q1=5.95×2.2=13.09（L/s）。总设计流量Q=13.09+25=38.09（L/s）。

其余管段的设计流量计算方法相同。

4.水力计算

在确定设计管段设计流量后，便可从上游管段开始依次进行主干管各设计管段的水力计算，一般列表计算，见表3.4。

表3.4　污水主干管水力计算

注 管内底标高计算至小数点后3位，埋设深度计算至小数点后2位。

水力计算步骤如下：

（1）从管道平面布置图（图3.16）上量出每一设计管段的长度，列入表3.4中第2项。

（2）将各设计管段设计流量列入表3.4中第3项。设计管段起讫点检查井处的地面标高列入表3.4中第10、11项。

（3）计算每一设计管段的地面坡度（地面坡度=），作为确定管道坡度时参考。

（4）确定起始管段的管径以及设计流速v、设计坡度i、设计充满度h/D。首先拟采用最小管径300mm，查附录3.1的图。本例中由于管段的地面坡度很小，为不使整个管道系统的埋深过大，宜采用最小设计坡度为设定数据。相应于300mm管径的最小设计坡度为0.003。查附录3.1的图确定的管径D、坡度i、流速v、充满度h/D分别列入表3.4的第4～7项。

（5）确定其他管段的管径D、设计流速v、设计充满度h/D和管道坡度i，将计算结果填入表3.4中相应项内。

（6）计算各管段上端、下端的水面、管底标高及其埋设深度。

1）根据设计管段长度和管道坡度求降落量。

2）根据管径和充满度求管段的水深。

3）确定管网系统的控制点。本例中离污水处理厂最远的干管起点有8、11、16及工厂出水口1点，这些点都可能成为管道系统的控制点。8、11、16三点的埋深可用最小覆土厚度的限值确定，由北至南地面坡度约0.0035，可取干管坡度与地面坡度近似，因此干管埋深不会增加太多，整个管线上又有个别低洼点，故8、11、16三点的埋深不能控制整个主干管的埋设深度。对主干管埋深起决定作用的控制点则是1点。

1点是主干管的起始点，一般应按确定最小埋深的三条原则分别计算起点埋深，由于1点的埋深受工厂排出口埋深的控制，埋深为2.0m，将该值列入表3.4中16项。

4）求设计管段上、下端的管内底标高、水面标高及埋设深度。

1点的管内底标高等于1点的地面标高减1点的埋深，为66.200-2.000=64.200（m），列入表3.4中第14项。2点的管内底标高等于1点管内底标高减降落量，为64.200-0.330=63.870（m），列入表3.4中第15项。2点的埋设深度等于2点的地面标高减2点的管内底标高，为66.100-63.870=2.230（m），列入表3.4中第17项。

管段上、下端水面标高等于相应点的管内底标高加水深。

根据管段在检查井处采用的衔接方法，可确定下游管段的管内底标高。采用管顶平接时，应检查各检查井上、下游的水面标高，若下游水面标高高于上游水面标高时，则应该用水面平接。如管段2～3与3～4管径相同，可采用水面平接。即管段2～3与3～4中的3点的水面标高相同。然后用3点的水面标高减去降落量，求得4点的水面标高。将3、4点的水面标高减去水深求出相应点的管底标高。进一步求出3、4点的埋深。

5.绘制管道平面图和纵剖面图

本例设计深度仅为初步设计，因此，在水力计算结束后将计算所得的管径、坡度等数据标注在图3.16上，该图即是本例题的管道平面图。在进行水力计算的同时，绘制主干管的纵剖面图，本例主干管的纵剖面图如图3.17所示。