第四章(2)排水管渠水力计算
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积与湿周的比值），m ；
I——水力坡度（即水面坡度，
也等于管底坡度i） ；
n——管壁粗糙系数。
第三节 水力学算图
水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、 满流圆形管道水力学算图、满流矩形水力学算 图和明渠流用的水力学算图等。
例 2-1 已知n＝0.014，D＝300mm，i＝ 0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。
管渠中的水流情况
水流在管渠流动时，水流上方是大气，具有 自由的表面，而其他三个方向受到管渠固体界面 的限制，称明渠流或重力流。
管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。
污水管渠水力学设计的原则
计算 确定
水力学计算要 满足下列要求
管径 坡度 高程
不溢流 不淤积 不冲洗管壁
通风
第二节 管渠水力学计算用的 基本公式
求：设计管段的口径与管底高程。
解：覆土厚度为45.48-43.67-0.35＝1.46m。离最小 覆土厚度允许值0.7m较大，因此设计时应尽量使设计 管段坡度小于地面坡度。
（1）令D＝350m，查图，当D＝350mm，qV＝ 56L/s，v＝0.60m/s时，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65 不合格。当h/D＝0.65时，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝ 0.0014，不很理想。
管底平接
第六节 管段水力学计算举例
例 2-4 已知设计管段长度L为240m；地面坡度I为 0.0024；流量qV为40L/s，上游管段管径D＝300mm， 充满度h/D为0.55，管底高程为44.22m，地面高程为 46.06m，覆土厚度为1.54m。
求：设计管段的口径和管底高程。
解：由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段 坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。
（5）这交点又落在代表h/D＝0.50和0.55两根斜线之 间，估计h/D＝0.52。于是，求得h/D＝0.52。
例 2-3 已知n＝0.014，D＝300mm，qV＝ 38L/s，v＝1.0m/s，求i和h/D。
解：（1） D＝300mm，采用上个水力计算图。 （2）找出代表qV＝38L/s的那根竖线。 （3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜线。
坡度和流速存在一定的关系( v 1 R2 3I1 2 )，同 最小设计流速相应的坡度就是最小设计n 坡度。
因设计流量很小而采用的最小管径的设计管 段称为不计算管段。
五、管道的埋设深度和覆土厚度
管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。 在干燥土壤中，管道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。
解：（1）D＝300mm，采用上图。
（2）找出代表qV＝26L/s的那根竖线。
（3） 找出代表i＝0.003的那根横线。
（4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表v＝ 0.7m/s和v＝0.75m/s的两根斜线之间。假如有一根和 以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线 代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。
采用管顶平接: 设计管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)
设计管段的下端管底高程: 43.620-130 0.00145＝43.43(m)
施工高程：
43.43(m)
检验：
上游管段下端水面高程：43.877(m)
设计管段上端水面高程：43.620+0.65 0.400＝43.880(m)
设计管段下端管底高程: 43.40-190 0.008＝41.88(m)
（5）如果采用D=400mm，地面坡度作为设计坡度，显 然设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减少， 并且设计管段上端窨井应采用跌水井。这就加大了成本。
第七节 倒虹管水力学计算举例
倒虹管进水井上游管道中流量qV＝500L/s，口径D＝ 1000mm，坡度i＝0.00062，流速v＝0.78m/s，充满度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学要素数值与上游管道相同， 试设计直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。
采用管顶平接: 设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)
设计管段的下端管底高程：44.170-240 0.0015＝43.810(m)
检验：
上游管段下端水面高程： 44.220+0.3000.55＝44.385(m) 设计管段上端水面高程： 44.170+0.650.350＝44.398(m)
管顶最小覆土厚度一般不宜小于0.7m。
房屋排出管的最小埋深通常采用0.55~0.65m。
街管的最小覆土厚度可用下式计算：
d h iL Baidu Nhomakorabea1 h2
式中：d——街管的最小覆土厚度，m； h——街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m； i——街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度； L——街区或产区内的污水管道和连接支管的总长度，m； h1——街管窨井处地面高程，m； h2——街区或厂区内的污水管道起点窨井处地面高程，m。
（3）管底高程修正：采用水面平接。
上流管段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.55＝44.385(m)
设计管段的上端管底高程: 44.385-0.35 0.65＝44.158(m) 设计管段的下端管底高程: 44.158-240 0.0015＝43.798(m)
例 2-5 已知设计管段长度L＝130m，地面坡度I＝ 0.0014，流量qV＝56L/s，上游管段口径D＝350mm， 充满度h/D＝0.59，管底高程为43.67m，地面高程为 45.48m。
第四章（2）排水管渠水力计算
第一节 管道中的水流情况
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
污水管道水力学设计的原则 管道水力学计算用的基本公式 水力学算图 管道水力学设计数据 管段的衔接 管段水力学计算举例 倒虹管水力学计算举例 常用排水泵 排水泵站水力学计算举例
第一节 管渠中的水流情况 与管渠水力设计原则
（4）可以选用D＝350mm， i＝0.008。规范规定，在地 面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或2级。下面计算 管底高程。
D=350mm，qV=66L/s，I＝0.008 时，查图得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。
管底平接
因此采用管底平接:
设计管段上端管底高程＝上游管段下端管底高程＝43.40(m)
防止淤积所需的管道设计流速的最小限值同废 水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有 关。
各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐 渐增加的。
三、 最小管径
污水管渠的最小管径和最小设计坡度
管渠位置
在街坊和厂区内 在街道下
最小管径 /mm 200 300
最小设计坡度i
0.004 0.003
四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度
（4）这两根线的交点落在代表i＝0.0057的横线 上，求得i＝0.0057。
（5）这交点又落在h/D＝0.53的斜线上，求得 h/D＝0.53。
第四节 管渠水力学设计数据
设计充满度
管渠中的水深h和管径D（或渠
深H）的比值。
充满度示意
一、设计充满度
管渠是按不满流的情况进行设计的。在设计流 量下，管道中的水深h和管径D（或渠深H）的比 值c称为设计充满度。
（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65时，查 图得qV＝133L/s>66L/s。
（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65时， 查图得qV＝91L/s>66L/s。
（3）令D＝300mm， i＝I＝0.008，h/D＝0.55时， 查图得qV＝47L/s<66L/s。
最大设计充满度
管径或渠高/mm 200~300 350~450 500~900 1000
最大设计充满度(h/D或h/H) 0.55 0.65 0.70 0.75
二、设计流速
设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流 速度。
污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明管的最 小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为 5m/s，钢管为10m/s 。
（1）令D＝300mm， 查图，当D＝300mm， qV＝40L/s，h/D=0.55时， i＝0.0058>I＝0.0024， 不符合本题应尽量减少 埋深的原则；令v＝ 0.6m/s时，h/D＝ 0.90>0.55，也不符合要 求。因此建议管道取 350mm，qV＝40L/s， h/D=0.65， 查水力图i ＝0.0015< I＝0.0024， 符合要求
（4）代表坡度0.0024的横线和代表流量25.5L/s的 竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速 0.65m/s的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的 那根斜线上。因此求得v＝0.65m/s，h/D＝0.55。
例 2-2 已知n＝0.014，D＝300mm， qV ＝26L/s，i ＝0.003，求v和h/D。
设计管段是相邻的两个窨井间的管段。
当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时， 可以合并为一条设计管段。
流量公式： 流速公式：
qV Av
v 1 R2 3I1 2 n
qv——设计管段的设计流量， m3/s；
A——设计管段的过水断面面
积，m2 ；
v——设计管段过水断面的平均
流速，m/s ；
R——水力半径（过水断面面
管道的覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。
决定最小覆土 厚度的因素
必须防止管道中的污水冰冻和因 土壤冰冻膨胀而损坏管道
必须防止管壁被车辆造成的活荷 载压坏
必须满足支管在衔接上的要求
污水在管道中冰冻的可能与污水的水温和土壤的 冰冻深度等因素有关。
无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工 业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于 0.15m。
采用水面平接:
设计管段的下端管底高程: 43.67+0.350 0.59＝43.877(m)
设计管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.350＝43.650(m)
设计管段下端管底高程: 43.650-130 0.0030＝43.260(m)
（2）令D＝400mm,查图,当D＝400mm，qV＝56L/s， v＝0.60m/s时，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合规 定；当h/D＝0.65时，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。 管段坡度接近地面坡度I＝0.0014。
第五节 管段的衔接
衔接原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减少埋深， 从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要；
（2）避免在上游管段中形成回水而造成淤积；
（3）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。
衔接 方法
不应 发生
管顶平接 水面平接 管底平接 下游管底高于上游管底
下游水位高于上游水位
管顶平接
43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端管底 施工高程略低于计算值)。
（3）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第 二答案便宜；但是，后面的管段都将落下0.172m。假 如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假 如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度 大于0.7m较多时，宜采用第二答案。
44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。
（2）令D＝400 mm,查图,当D＝400mm，qV＝40L/s， v＝0.6m/s时，h/D＝0.53，i＝0.00145。与D＝350mm相比 较，管段设计坡度基本相同，管段容积未充分利用，管 段埋深反而增加0.05m。另外，管段口径一般不跳级增加， 所以还是使用D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。
解：（1） D＝300mm，采用下图。
（2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量， 横的代表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度， 从左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数目 字代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度)上的 数字中找0.0024，从而找出代表i＝0.0024的横线。
（3）从横轴(表示流量)上找出代表qV＝25.5L/s的 那根竖线。
例 2-6 已知L＝190m，qV＝66L/s，I＝0.008(上端 地面高程44.50m，下端地面高程42.98m)，上游管段D ＝400m，和h/D＝0.61，其下端管底高程为43.40m，覆 土厚度0.7m。如下图所示：
求：管径与管底高程。
解：本例的特点是地面坡度充分，偏大。上游管 段下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计管段坡度 将小于地面坡度，且口径可小于上游管段。
I——水力坡度（即水面坡度，
也等于管底坡度i） ；
n——管壁粗糙系数。
第三节 水力学算图
水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、 满流圆形管道水力学算图、满流矩形水力学算 图和明渠流用的水力学算图等。
例 2-1 已知n＝0.014，D＝300mm，i＝ 0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。
管渠中的水流情况
水流在管渠流动时，水流上方是大气，具有 自由的表面，而其他三个方向受到管渠固体界面 的限制，称明渠流或重力流。
管渠有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。
污水管渠水力学设计的原则
计算 确定
水力学计算要 满足下列要求
管径 坡度 高程
不溢流 不淤积 不冲洗管壁
通风
第二节 管渠水力学计算用的 基本公式
求：设计管段的口径与管底高程。
解：覆土厚度为45.48-43.67-0.35＝1.46m。离最小 覆土厚度允许值0.7m较大，因此设计时应尽量使设计 管段坡度小于地面坡度。
（1）令D＝350m，查图，当D＝350mm，qV＝ 56L/s，v＝0.60m/s时，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65 不合格。当h/D＝0.65时，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝ 0.0014，不很理想。
管底平接
第六节 管段水力学计算举例
例 2-4 已知设计管段长度L为240m；地面坡度I为 0.0024；流量qV为40L/s，上游管段管径D＝300mm， 充满度h/D为0.55，管底高程为44.22m，地面高程为 46.06m，覆土厚度为1.54m。
求：设计管段的口径和管底高程。
解：由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段 坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。
（5）这交点又落在代表h/D＝0.50和0.55两根斜线之 间，估计h/D＝0.52。于是，求得h/D＝0.52。
例 2-3 已知n＝0.014，D＝300mm，qV＝ 38L/s，v＝1.0m/s，求i和h/D。
解：（1） D＝300mm，采用上个水力计算图。 （2）找出代表qV＝38L/s的那根竖线。 （3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜线。
坡度和流速存在一定的关系( v 1 R2 3I1 2 )，同 最小设计流速相应的坡度就是最小设计n 坡度。
因设计流量很小而采用的最小管径的设计管 段称为不计算管段。
五、管道的埋设深度和覆土厚度
管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。 在干燥土壤中，管道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。
解：（1）D＝300mm，采用上图。
（2）找出代表qV＝26L/s的那根竖线。
（3） 找出代表i＝0.003的那根横线。
（4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表v＝ 0.7m/s和v＝0.75m/s的两根斜线之间。假如有一根和 以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线 代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。
采用管顶平接: 设计管段的上端管底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)
设计管段的下端管底高程: 43.620-130 0.00145＝43.43(m)
施工高程：
43.43(m)
检验：
上游管段下端水面高程：43.877(m)
设计管段上端水面高程：43.620+0.65 0.400＝43.880(m)
设计管段下端管底高程: 43.40-190 0.008＝41.88(m)
（5）如果采用D=400mm，地面坡度作为设计坡度，显 然设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减少， 并且设计管段上端窨井应采用跌水井。这就加大了成本。
第七节 倒虹管水力学计算举例
倒虹管进水井上游管道中流量qV＝500L/s，口径D＝ 1000mm，坡度i＝0.00062，流速v＝0.78m/s，充满度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学要素数值与上游管道相同， 试设计直管式倒虹管，并求下游管道管底高程。
采用管顶平接: 设计管段上端管底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)
设计管段的下端管底高程：44.170-240 0.0015＝43.810(m)
检验：
上游管段下端水面高程： 44.220+0.3000.55＝44.385(m) 设计管段上端水面高程： 44.170+0.650.350＝44.398(m)
管顶最小覆土厚度一般不宜小于0.7m。
房屋排出管的最小埋深通常采用0.55~0.65m。
街管的最小覆土厚度可用下式计算：
d h iL Baidu Nhomakorabea1 h2
式中：d——街管的最小覆土厚度，m； h——街区或厂区内的污水管道起端的最小埋深，m； i——街区或厂区内的污水管道和连接支管的坡度； L——街区或产区内的污水管道和连接支管的总长度，m； h1——街管窨井处地面高程，m； h2——街区或厂区内的污水管道起点窨井处地面高程，m。
（3）管底高程修正：采用水面平接。
上流管段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.55＝44.385(m)
设计管段的上端管底高程: 44.385-0.35 0.65＝44.158(m) 设计管段的下端管底高程: 44.158-240 0.0015＝43.798(m)
例 2-5 已知设计管段长度L＝130m，地面坡度I＝ 0.0014，流量qV＝56L/s，上游管段口径D＝350mm， 充满度h/D＝0.59，管底高程为43.67m，地面高程为 45.48m。
第四章（2）排水管渠水力计算
第一节 管道中的水流情况
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
污水管道水力学设计的原则 管道水力学计算用的基本公式 水力学算图 管道水力学设计数据 管段的衔接 管段水力学计算举例 倒虹管水力学计算举例 常用排水泵 排水泵站水力学计算举例
第一节 管渠中的水流情况 与管渠水力设计原则
（4）可以选用D＝350mm， i＝0.008。规范规定，在地 面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或2级。下面计算 管底高程。
D=350mm，qV=66L/s，I＝0.008 时，查图得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。
管底平接
因此采用管底平接:
设计管段上端管底高程＝上游管段下端管底高程＝43.40(m)
防止淤积所需的管道设计流速的最小限值同废 水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有 关。
各设计管段的设计流速从上游到下游最好是逐 渐增加的。
三、 最小管径
污水管渠的最小管径和最小设计坡度
管渠位置
在街坊和厂区内 在街道下
最小管径 /mm 200 300
最小设计坡度i
0.004 0.003
四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度
（4）这两根线的交点落在代表i＝0.0057的横线 上，求得i＝0.0057。
（5）这交点又落在h/D＝0.53的斜线上，求得 h/D＝0.53。
第四节 管渠水力学设计数据
设计充满度
管渠中的水深h和管径D（或渠
深H）的比值。
充满度示意
一、设计充满度
管渠是按不满流的情况进行设计的。在设计流 量下，管道中的水深h和管径D（或渠深H）的比 值c称为设计充满度。
（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65时，查 图得qV＝133L/s>66L/s。
（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65时， 查图得qV＝91L/s>66L/s。
（3）令D＝300mm， i＝I＝0.008，h/D＝0.55时， 查图得qV＝47L/s<66L/s。
最大设计充满度
管径或渠高/mm 200~300 350~450 500~900 1000
最大设计充满度(h/D或h/H) 0.55 0.65 0.70 0.75
二、设计流速
设计流速是管渠中流量到达设计流量时的水流 速度。
污水管渠的最小设计流速为0.6m/s；明管的最 小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为 5m/s，钢管为10m/s 。
（1）令D＝300mm， 查图，当D＝300mm， qV＝40L/s，h/D=0.55时， i＝0.0058>I＝0.0024， 不符合本题应尽量减少 埋深的原则；令v＝ 0.6m/s时，h/D＝ 0.90>0.55，也不符合要 求。因此建议管道取 350mm，qV＝40L/s， h/D=0.65， 查水力图i ＝0.0015< I＝0.0024， 符合要求
（4）代表坡度0.0024的横线和代表流量25.5L/s的 竖线相交，得一点，这一点正好落在代表流速 0.65m/s的那根斜线上，并靠近代表充满度0.55的 那根斜线上。因此求得v＝0.65m/s，h/D＝0.55。
例 2-2 已知n＝0.014，D＝300mm， qV ＝26L/s，i ＝0.003，求v和h/D。
设计管段是相邻的两个窨井间的管段。
当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时， 可以合并为一条设计管段。
流量公式： 流速公式：
qV Av
v 1 R2 3I1 2 n
qv——设计管段的设计流量， m3/s；
A——设计管段的过水断面面
积，m2 ；
v——设计管段过水断面的平均
流速，m/s ；
R——水力半径（过水断面面
管道的覆土厚度是指管顶的外壁到地面的距离。
决定最小覆土 厚度的因素
必须防止管道中的污水冰冻和因 土壤冰冻膨胀而损坏管道
必须防止管壁被车辆造成的活荷 载压坏
必须满足支管在衔接上的要求
污水在管道中冰冻的可能与污水的水温和土壤的 冰冻深度等因素有关。
无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工 业废水管道，管底在冰冻线之上的距离不得大于 0.15m。
采用水面平接:
设计管段的下端管底高程: 43.67+0.350 0.59＝43.877(m)
设计管段的上端管底高程: 43.877-0.65 0.350＝43.650(m)
设计管段下端管底高程: 43.650-130 0.0030＝43.260(m)
（2）令D＝400mm,查图,当D＝400mm，qV＝56L/s， v＝0.60m/s时，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合规 定；当h/D＝0.65时，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。 管段坡度接近地面坡度I＝0.0014。
第五节 管段的衔接
衔接原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减少埋深， 从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要；
（2）避免在上游管段中形成回水而造成淤积；
（3）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。
衔接 方法
不应 发生
管顶平接 水面平接 管底平接 下游管底高于上游管底
下游水位高于上游水位
管顶平接
43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端管底 施工高程略低于计算值)。
（3）从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第 二答案便宜；但是，后面的管段都将落下0.172m。假 如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假 如在平坦的地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度 大于0.7m较多时，宜采用第二答案。
44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。
（2）令D＝400 mm,查图,当D＝400mm，qV＝40L/s， v＝0.6m/s时，h/D＝0.53，i＝0.00145。与D＝350mm相比 较，管段设计坡度基本相同，管段容积未充分利用，管 段埋深反而增加0.05m。另外，管段口径一般不跳级增加， 所以还是使用D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。
解：（1） D＝300mm，采用下图。
（2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量， 横的代表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度， 从左向右下倾的斜线代表流速。每条线上的数目 字代表相应要素的值。先从纵轴(表示坡度)上的 数字中找0.0024，从而找出代表i＝0.0024的横线。
（3）从横轴(表示流量)上找出代表qV＝25.5L/s的 那根竖线。
例 2-6 已知L＝190m，qV＝66L/s，I＝0.008(上端 地面高程44.50m，下端地面高程42.98m)，上游管段D ＝400m，和h/D＝0.61，其下端管底高程为43.40m，覆 土厚度0.7m。如下图所示：
求：管径与管底高程。
解：本例的特点是地面坡度充分，偏大。上游管 段下端覆土厚度已为最小容许值。估计设计管段坡度 将小于地面坡度，且口径可小于上游管段。