排水横管水力计算

近十几年来，在我国硬聚氯乙烯管材和管件的生产技术和施工技术以及配套的防火措施都有了很大发展。其用量日趋增加，特别是《建筑排水硬聚氯乙烯管道设计规程》(CJJ29-89)简称“规程”的实施，进一步促进了硬聚氯乙烯塑料管的应用。由于“规程”的编写距今已有10年，其在实施过程中尚存在下列问题：
　　(1)对塑料排水立管通水能力的确定值，近年来提出不同观点和结论，但仍然停留在理论分析上。只有今后在有条件的情况下，结合水工试验才能有完善的结论。本文亦不进行该方面的讨论。
　　(2)在塑料横管的水力计算方面，“规程”中提供的方法是无可非议的，但由于出版过程的疏忽，横管计算图附图2.3和2.4的适用管径颠倒。再加上4幅水力计算图制版印刷较粗糙，造成内插不便。另外，有些设计人员忽视了硬聚氯乙烯管和排水铸铁管的水力计算的前提条件n值和约束条件i值的差异，直接使用排水铸铁管的水力计算图表，使其结果失真。鉴于上述情况，本文就硬聚氯乙烯排水横管提出比较精确的计算方法。
1　理论根据
1.1　计算公式
v＝1／nR2／3i1／2　　（1）
Q＝vA　　(2)
式中
　　Q——流量，m3/s；
　　v——流速，m/s；
　　n——塑料管的粗糙系统，n＝0.009；
　　R——水力半径，m；
　　i——水力坡度；
　　A——水流断面积，m2。
qn＝0.12αNp1／2＋qmɑx　　(3)
该式的各项的含义及其公式的适用范围详见“规程”。
1.2　计算公式的约束条件
　　“规程”中确认的管径、最小坡度和最大计算充满度见表1。
表1　“规程”中确定的管径、最小坡度、最大充满度
管径/mm 最小坡度 最大充满度
外径 壁厚
50 2.0 0.012 0.5
75 2.3 0.007 0.5
110 3.2 0.004 0.5
160 4.0 0.002 0.6
　　管道坡度的一般取值，“规程”推荐为0.026，在该推荐i值情况下，其对应流速见表2。
　　从表2可见，后两种管径的相应流速都高于有防噪要求的管道的规定范围。这两种较大口径的排水管多用于高层建筑中的管道转折层中或埋地，作为横管使用时存在天然的防噪音条件，又能兼顾到减小转折层的高度及埋深变化较小的客观要求，故一般情况下仍能使用。




表2　推荐i值对应的流速
管径/mm 充满度(h/D) 流速/m/s
50 0.5 0.91
75 0.5 1.21
110 0.5 1.57
160 0.6 2.50
　　 排水铸铁管和硬聚氯乙烯排水管都有最小坡度的限制(约束条件)，最小坡度的确定都是根据式(1)计算的流速不得小于排水管的最小允许流速0.6m/s为前提。
　　由排水铸铁管的通用坡度，根据式(1)不难导出其不同管径、充满度时相应的流速，其值见表3。
表3　不同管径、充满度时铸铁管相应的流速
管径/mm 充满度(h/D) 通用坡度 流速/m/s
50 0.5 0.035 0.78
75 0.5 0.025 0.86
100 0.5 0.020 0.93
125 0.5 0.015 0.99
150 0.6 0.010 0.94
　　从表3可以看出，排水铸铁管在规定充满度和通用坡度下其流速约在0.8m/s～1.0m/s范围内。由此类推塑料排水横管内污水流速也应处于上述流速范围内，并将其相应的坡度定义为塑料排水管的通用坡度，用于有防噪音要求的空间作横管，其值见表4。
表4　不同充满度、流速下塑料管通用坡度
管径/mm 充满度(h/D) 流速/m/s 通用坡度
50 0.5 0.8 0.020
75 0.5 0.9 0.014
110 0.5 0.9 0.011
160 0.6 1.04 0.006
2　简化计算方法
　　基于上述公式(1)、(2)、(3)和所有约束条件(包括本文提出的)，通过计算制成表5供水力计算使用，可免去查多种图表和数据代入公式运算。











表5　建筑排水塑料横管水力计算综合数据表
外径/mm 50 75 110 160
充满度h/D 0.5 0.5 0.5 0.6
一般
坡度 通用
坡度 最小
坡度 0.026 0.02 0.012 0.026 0.014 0.007 0.026 0.011 0.004 0.026 0.006 0.002
流量qn／L／s 0.75 0.66 0.52 2.39 1.75 1.24 6.62 3.79 2.61 24.65 11.36 6.82
流速v/m/s 0.91 0.80 0.62 1.21 0.9 0.63 1.57 0.90 0.62 2.17 1.04 0.60
最大器具排水量 qmax／L／s 0.33～1.0 1.00 1.5 2.0 1.5 2.0 1.5 2.0 1.5 2.0 1.5 2.0 1.5 2.0
宅α值及当量数 2.0 2.8 2.4 1.9 33.50 9.80 1.00 455.1 370.6 91.0 55.6 21.4 6.5 9304.2 8906.6 1687.8 1521.0 491.1 403.3
2.1 30.40 8.90 0.90 412.8 336.1 79.7 50.5 19.4 5.9 8439.2 8078.6 1530.9 1379.6 445.7 365.8
2.2 27.70 8.10 0.80 376.1 306.3 75.2 46.0 17.7 5.3 7689.4 7360.9 1394.9 1257.0 406.1 333.3
2.3 25.40 7.40 0.80 344.1 280.2 68.8 42.1 16.2 4.9 7035.3 6734.7 1276.2 1150.1 371.5 305.0
2.4 23.30 6.70 0.70 307.5 257.3 63.2 38.6 14.9 4.5 6461.3 6185.2 1172.1 1056.3 341.2 280.1
2.5 21.46 6.30 0.60 291.3 237.2 58.3 35.6 13.7 4.1 5954.7 5700.3 1080.2 974.4 314.5 258.1
宿卫α值及当量数 1.5 2.8 2.4 1.9 59.6 17.4 1.8 809.1 658.8 161.9 98.9 38.0 11.5 16540.8 15834.0 3000.6 2704.0 873.5 717.0
3　结论： (1)任何材料制成的排水横管，水力计算中的重要约束条件之一是控制其坡度或流速。通过式(1)可以看出它们之间的因果关系，只有污水管道的水力坡度达到一定值时才有最小允许流速出现，它是保证正常排水功能的下限值。为此，控制其坡度在施工中易实施，设计中容易表达清楚。
　　(2)管径基本相同的硬聚氯乙烯排水管和排水铸铁管，它们在保证正常使用功能下的坡度和流量差异较大，水力计算时的数据不能相互代用。
　　(3)表5是综合性成果表，能直观、简便和准确达到塑料横管详细按公式和约束条件计算的结果。