有关污水管渠设计的计算原则

发布于：2022-08-29 10:38:29 来自：给排水工程/市政给排水 [复制转发]

本节内容主要讲解课本第三章污水管渠的水力计算方面内容，主要从4部分讲解：①污水在管渠中的流动特点；②水力计算的基本公式；③污水管道水力计算参数；④污水管道的埋设深度和覆土厚度。本节内容仍旧是《排水工程》案例高频考点，务必要掌握。

01 污水在管渠中的流动特点

本部分内容需要掌握以下几个点：

①排水管渠系统的设计应以重力流为主，尽量不设泵站，而只有在无法采用重力流或者重力流不经济的时候才设置泵站。在这里肯定有考友有疑问：“为什么重力流还不经济？难道靠重力输送污水还会比靠泵输送花费更高？”考虑这个问题不能仅看运行费用，要综合考虑前期施工和后期运行，如果施工难度特别大或者花费特别高的时候，重力流就不如压力流合适了。

②污水管道和给水管道在形式上正好相反，给水是通过干管输送到支管在到达用水点，而污水是通过支管汇集到干管，在统一收集到污水厂处理，再有给水管网有枝状网、环状网两种形式，而污水管网仅有枝状网一种形式。

③正常运行情况下污水管道内部是非满流，也即有自由水面，其充满度h/D＜1，此处的污水管道特指分流制污水管道，不包括合流管道和分流制雨水管道，后两者设计充满度按照1计算。

④污水可以恒定流水力计算的理论依据：污水含水率99%以上，可以假定其遵循一般水流流动规律，并且可以认定在直线管段管道内水流为均匀流，因此可以认定为恒定流。注意一定是要在直线管段上，才会有如此结论，所以以下所有关于污水水利计算公式，都是建立在直线管段基础上，假如非直线管段则以下结论都不成立。

02 水力计算的基本公式

教材中的本部分一共有5个公式，但是我们只需要重点掌握两个即可：

①流量公式

这个公式是个万能公式，不论给水、排水和建水上面的流量计算，只要是恒定均匀流，此公式都适用。不过这个公式没啥难度，只需要注意1点即可，就是流速v的选择，流速v具有最小流速和最大流速的限制。

最小设计流速参见《室外排水设计规范》4.2.7条，排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定：

污水管道在设计充满度下为0.6m/s；
雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s；
明渠为0.4m/s。

最大设计流速参考《室外排水设计规范》4.2.5和4.2.6条，应当注意的是4.2.6明渠的最大设计流速当水流深度在0.4~1.0m范围以外时，表4.2.6所列最大设计流速宜乘以下列系数（这里最容易出坑）：

h（水流深度）＜0.4m，0.85；
1.0＜h（水流深度）＜2.0m，1.25；
h（水流深度）≥2.0m，1.40。

②排水灌渠的流速公式（注意应用此公式同样是在恒定均匀流条件下才行）

v——流速（m/s）；
n——排水灌渠粗糙系数；
R——水力半径（过水断面面积与湿周的比值，m）；
I——水力坡度（至于是水面坡度还是管底坡度需要看题意）。

这个公式的重要性，可以说是贯穿了《排水工程》全篇，应该给与百分之一百二的重视，该公式涉及所有参数详细解释见03节。

03 污水管道水力计算参数

这里不按照课本说法来讲，课本上所列的那几项在案例题中很少考到，都是在知识题当中考核，而对于案例题来说，v（设计流速）、n（粗糙系数）、R（水力半径）、I（水力坡度）、h/D（充满度）这五个参数是非常重要的，所以考生弄明白这五个参数中分别涉及到的知识点即可。

①v（设计流速），其意义是与设计流量、设计充满度相应的水流平均速度。排水管道设计流速的取值，一般情况下随着设计流量的逐段增加，设计流速也逐段相应增加或者保持不变，如果流量不变，流速不应该减小。只有管道坡度由大骤然变小的情况下，设计流速才允许减小。

设计流速和管径相关，随着设计流量的逐段增加，设计管径应相应增加，一般会增大一级或者两级（50mm为一级），但是当管道坡度骤然增大时，下游管段的管径可以减小，但管径的减小范围不得超过两级，也就是说管径减小不能超过100mm。这一点非常重要，在案例计算题中，有时会让考生判断最合适的管径和坡度，假如有的选项中管径缩小范围超过100mm了，那就不用计算，直接排除，否则四个选项全部计算，时间绝对会浪费很多。希望考生能够灵活运用这一点。

并且流速有最大设计流速（也叫冲刷流速）和最小设计流速（也叫不淤流速），至于具体数值，本文前部分已经说明，可以回看水力计算基本公式中的流量公式部分内容。

②n（粗糙系数），粗糙系数没难点，会查即可。规范和教材上一共有3处和粗糙系数有关，第一是排水灌渠粗糙系数，查规范表4.2.3；第二是人工渠道的粗糙系数，查教材表5-4；第三是钢筋混凝土满流时粗糙系数一般为0.013，非满流为0.014。

规范表4.2.3

教材P105表5-4

③R（水力半径），水力半径的计算方法为过水断面与湿周的比值，计算过程中的坑点在于湿周的计算，顾名思义，湿周其实就是被水沾湿的长度，没有被水沾湿的不能计算在内，举例一个截面积为正方形的带盖暗渠，假如渠内水位低于渠顶，计算湿周的时候就是正方形截面积的三条边长（不含最顶部），假如渠内水位水头高于渠顶（有压），则计算湿周时就得考虑四条边长，所以在做题时，计算湿周一定要看情况，没接触水的部分就不要计算进去。

如果是圆形管道，计算水力半径时，当充满度为1或者0.5时，R=D/4，当充满度不为1或者0.5时，查教材表格3-10获得。

注意此表可内插，且满流时流速不是最大。

④I（水力坡度），关于水力坡度需要注意的点有3处。

其一是“最小设计坡度”的概念：将相应于最小管径时的管道坡度称为最小设计坡度，而通常管径越大，最小设计坡度越小，所以最小设计坡度就可以理解为当某个系列所有管材采取这个坡度时，其流量都能满足要求的坡度。

其二是排水管道的最小管径与相应最小设计坡度，按表4.2.10取值。

其三是“不计算管段”的概念，说白了不计算管段就是采用最小管径和最小坡度时，按照充满度0.55计算的流量都大过上游设计流量，这时候就不用计算而直接采用最小管段和最小坡度就行，不用计算了当然就是“不计算管段”。

⑤h/D（充满度），合流和雨水管道按照满流设计，也就是充满度为1，而污水管道充满度一定要＜1。为什么污水管道不能满流设计？主要有以下三个方面因素。

为未预见水量的进入留有余地，避免污水溢出进而影响环境卫生；
为排除污水管道内的有害气体；
便于管道的疏通和维护管理。

至于污水管道设计充满度最大值选用多少，《室外排水设计规范》4.2.4给出了依据，原则就是管径越大，设计充满度数值越接近于1。

充满度这个参数的难点在于这个表格后面的三条小注，尤其是第一点容易让人误解。

在计算污水管道充满度时，不包括段时突然增加的污水量，但当管径≤300mm，应按满流复核；
雨水管道和合流管道应按满流计算；
明渠超高不得小于0.2m。

对于第1条，假设某工厂会偶尔排放一股大量污水，在设计该厂污水管道时，设计流量不包括这股突然排水，就只按照正常排水量计算，但是假如该厂排水管道经过计算后管径≤300mm了，这时候正常设计时仍旧不考虑突然增加的水量，但是等选定管径、坡度等参数后要把这股突然增加的水算入总水量，按照充满度=1复核，看看能不能全部通过，毕竟排水系统要优先保证能够快速排除污水，不能快速排除就得增加相应对策。

对于第3条，明渠在设计时，先按照最大设计充满度计算，假如算出来后超高＜0.2m，那就要选取更大渠高，假如算出来后超高≥0.2m，那就按照最大充满度设计即可。

04 污水管道的埋设深度和覆土厚度

注意埋设深度和覆土厚度的定义，埋设深度是指埋地管渠内底至地表面的垂直距离；覆土厚度指埋地管渠外顶至地表面的垂直距离。两者相差一个管径加壁厚的距离（注意是一个壁厚而不是两个壁厚）。

《室外排水设计规范》中有关这部分的内容是4.3.7条：“管顶最小覆土深度，应根据管材强度、外部荷载、土壤冰冻深度和土壤性质等条件，结合当地埋管经验确定。管顶最小覆土深度宜为：人行道下0.6m，车行道下0.7m”，关于这一条款曾经出过案例计算题，一定要注意本条规定的是管顶最小覆土深度，而不是埋设深度。