第2章污水管道系统的设计 1 设计资料的调查及设计方案的确定2 污水设计流量的确定3 污水管道的水力计算4 污水管道的设计5 污水管道的设计计算举例6 污水管道平面图和纵剖面图的绘制7 城市污水回用工程8 排水工程投资估算 2 2 1生活污水设计流量 居住区生活污水设计流量 Q1 居住区生活污水设计流量 L s n 居住区生活污水定额 L cap d N 设计人口数KZ 生活污水量总变化系数 第3节污水管道的水力计算 一 污水管道中污水流动的特点 枝状管网重力流含有有机物和无机物比重小的漂浮 较重的悬浮 最重的沿着管底移动或淤积污水中水分一般在99 以上 可假定污水的流动按照一般液体流动的规律 假定管道内水流是均匀流 但污水管道中实测流速是有变化的 同时流量也在变化 因此污水管道内水流实际不是均匀流 在设计与施工中 注意改善的水力条件 则可使管内水流尽可能的接近均匀流 二 水力计算的基本公式 水力计算的目的 合理的经济的选择管道断面尺寸 坡度和埋深在设计与施工中注意改善管道的水力条件 可使管内污水的流动状态尽可能地接近均匀流 图2 2 以及变速流公式计算的复杂性和污水流动的变化未定 即使采用变速流公式计算也很难保证精确 因此 为了简化计算工作 目前在排水管道的水力计算中仍采用均匀流公式 常用的均匀流基本公式有 式中Q 流量 m3 s A 过水断面面积 m2 v 流速 m s R 水力半径 过水断面面积与湿周的比值 m I 水力坡度 等于水面坡度 也等于管底坡度 C 流速系数或称谢才系数 流量公式流速公式 C值一般按曼宁公式计算 即 换算后得 式中n 管壁粗糙系数 2 3 3污水管道水力计算的设计数据 1 设计充满度 概念 在设计流量下 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 或水深比 说明 h D 1时称为满流 h D l时称为不满流 污水管道的设计有按满流和不满流两种方法 我国按不满流进行设计 污水管道按非满流设计的原因 1 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人污水管道 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卫生 2 污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体 此外 污水中如含有汽油 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 对防止瞥道爆炸有良好效果 3 便于管道的疏通和维护管理 最大设计充满度 2 设计流速 设计流速 和设计流量 设计充满度相应的水流平均速度叫做 最小设计流速 是保证管道内不致发生淤积的流速 这一最低的限值与污水中所含悬浮物的成分和粒度有关 与管道的水力半径 管壁的粗糙系数有关 污水管道的最小设计流速定为0 6m s 含有金屑 矿物固体或重油杂质的生产污水管道 其最小设计流速宜适当加大 其值要根据试验或运行经验确定 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 通常 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 一般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 根据养护经验证明 管径过小极易堵塞 比如150mm支管的堵塞次数 有时达到200mm支管堵塞次数的两倍 使养护管道的费用增加 而200mm与150mm管道在同样埋探下 施工费用相差不多 此外 因采用较大的管径 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 在街区和厂区内最小管径为200mm 在街道下为300mm 在进行管道水力计算时 上游管段由于服务的排水面积小 因而设计流量小 按此流量计算得出的管径小于最小管径 此时就采用最小管径值 因此 一般可根据最小管径在最小设计流速和最大充满度情况下能通过的最大流量值 从而进一步估算出设计管段服务的排水面积 若设计管段服务的排水面积小于此值 即直接采用最小管径和相应的最小坡度而不再进行水力计算 这种管段称为不计算管段 在这些管段中 当有适当的冲洗水源时 可考虑设置冲洗井 4 最小设计坡度 最小设计坡度 指相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度 不同管径的污水管道应有不同的最小坡度 管径相同的管道 因充满度不同 其最小坡度也不同 当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也就越小 所以只需规定最小管径的最小设计坡度值即可 具体规定是 管径200mm的最小设计坡度0 004 管径300mm的最小设计坡度0 003 在给定管径和坡度的圆形管道中 满流与半满流运行时的流速是相等的 处于满流与半满流之间的理论流速则略大一些 而随着水深降至半满流以下 则其流速逐渐下降 详见表2 9 故在确定最小管径的最小坡度时采用的设计充满度为0 5 2 3 4污水管道的埋设深度 污水管网占污水工程总投资的50 一75 而构成污水管道造价的挖填沟槽 沟槽支撑 湿土排水 管道基础 管道铺设各部分的比重 与管道的埋没深度及开槽支撑方式有很大关系 在实际工程中 同一直径的管道 采用的管材 接口和基础型式均相同 因其埋设深度不同 管道单位长度的工程费用相差较大 因此 合理地确定管道埋深对于降低了程造价是十分重要的 在土质较差 地下水位较高的地区 若能设法减小管道理深 对于降低工程造价尤为明显 1 覆土厚度 指管道外壁顶部到地面的距离2 埋设深度 指管道内壁底到地面的距离 最小覆土厚度的确定 1 必须防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道设计时采用的土壤冰冻深度指多年平均值而非最大值 室外排水设计规范 规定 无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道 管底可埋设在冰冻线以上0 15m 有保温措施或水温较高的管道 管底在冰冻线以上的距离可以加大 其数值应根据该地区或条件相似地区的经验确定 2 必须防止管壁因地面荷载而受到破坏静荷载和动荷载 车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0 7m 非车行道下的污水管道若能满足管道衔接的要求以及无动荷载的影响 其最小覆土厚度值也可适当减小 3 必须满足街区污水连接管衔接的要求 Z2 H h I L Z1 Z2 hH 街道污水管网起点的最小埋深 m h 街区污水管起点的最小埋深 m Zl 街道污水管起点检查井处地面标高 m Z2 街区污水管起点检查井处地面标高 m I 街区污水管和连接支管的坡度 L 街区污水管和连接支管的总长度 m h 连接支管与街道污水管的管内底高差 m 最小覆土厚度的确定 取以上三项结果的最大值最大埋深管道埋深允许的最大值称为最大允许埋深 该值的确定应根据技术经济指标及施工方法而定 一般在干燥土壤中 最大埋深不超过7 8m 在多水 流砂 石灰岩地层中 一股不超过5m 管网优化 对于污水管道系统 采用较大管径则坡降较小 采用较小管径则坡降增大 管径大小只影响本管段的造价 坡降则影响其下游的各个管段 上游段增加的埋深可以导致下游各段均相应增加埋深 因此管径的不同选择存在降低本段管道造价与增加本段和下游各段敷设费用的矛盾 需要设计人员根据经验或依据优化理论应用计算机合理地选用管径 五 污水管道水力计算的方法 污水设计流量为已知 需确定管道的断面和敷设的坡度 选择的断面尺寸 在规定的设计流速和充满度情况下 能排泄设计流量 坡度应参照地面坡度和最小坡度 常用计算方法 水力计算图水力计算表 第一段管道 Q 不设计流量 若D 200mm 取I 0 004 h D 0 5 v 0 6m sQ 不设计流量 若D 300mm 取I 0 003 h D 0 5 v 0 6m s之后管段设计见例题 水力计算图法 例题1 已知n 0 014 D 300mm I 0 004 Q 30L s 求v和h D 见p163 V 0 82H D 0 52 例题2 已知n 0 014 D 400mm v 0 9m s Q 41L s 求I和h D 见p165 I 0 0043h D 0 39 例题3 已知n 0 014 Q 85L s 且知上游v 0 8m s 上游D 400mm 求本段D v I和h D 最大充满度 v 0 98过大充满度过大坡度可减小 I 0 0017H D 0 63过大V 0 8不合适 I 0 0023H D 0 59过大V 0 85过大不合适 I 0 002H D 0 52V 0 8合适 求得结果为 I 0 002H D 0 52V 0 8D 500 例题4 已知n 0 014 Q 60L s v 0 8m s 求D I和h D 请同学们自己做 答案 D 400mmI 0 0024H D 0 57D 450I 0 0024H D 0 48 二者都可以 后者更安全 例题5 已知n 0 014 Q 215L s 且知上游v 0 84m s 上游D 600mm 求本段D v I和h D 请同学们自己做 答案 D 800mmI 0 0013H D 0 49V 0 85 水力计算表法 例题1 已知n 0 014 D 300mm I 0 004 Q 30L s 求v和h D 见p39采用内插法计算 第4节污水管道的设计 2 4 1确定排水区界 划分排水流域2 4 2管道定线和平面布置的组合2 4 3控制点的确定和泵站的设置地点2 4 4设计管段及设计流量的确定2 4 5污水管道的衔接2 4 6污水管道在街道上的位置 第2章污水管道系统的设计 第4节污水管道的设计 2 4 1确定排水区界 划分排水流域 1 排水区界 污水排水系统设置的界限2 排水流域划分常见方法 1 按等高线划出分水线适用于 丘陵及地形起伏地区 2 按面积的大小划分适用于 地形平坦无显著的分水线的地区注意 干管要标明水流方向和污水需要抽升的地区某市排水流域划分情况图示如下 2 4 2管道定线和平面布置的组合 1 管道定线在城镇 地区 总平面图上确定污水管道的走向和位置 称污水管道系统的定线 1 管道定线顺序 主干管干管支管 2 原则 尽可能的在管线较短和埋深的情况下 让最大区域的污水能自流排出 3 考虑因素 地形和用地布局 排水体制和线路数目 污水厂和出水口位置 水文地质 道路宽度 地下管线及构筑物的位置 工企业和产生大量污水的建筑分布情况 2 4 2管道定线和平面布置的组合 1 管道定线主要因素 地形 要充分利用地形 一般宜顺坡排水 1 在整个排水区域较低的地方 主干管及干管设在此处 横支管坡度宜与地面坡度一致 2 地形平坦地区 干管与等高线垂直 主干管与等高线平行 3 地形倾向河道的坡度很大时 主干管与等高线垂直 干管与等高线平行 主干管上可设部分跌水井 污水管道一定要有坡度 2 4 2管道定线和平面布置的组合 2 平面布置 1 主要因素 支管 地形及街区建筑特征 便于用户接管排水 1 低边式布置 图2 8 1 2 周边式布置 图2 8 2 3 穿坊式布置 图2 8 3 2 4 2管道定线和平面布置的组合 2 污水主干管的走向取决于污水厂和出水口的位置 因此其数目与布设位置 将影响主干管的数目和走向 3 地质条件 地下构筑物和其他障碍物对管道定线的影响 1 主干管布置在坚硬密实的土壤中 2 尽量避免和减少管道穿越高地 基岩浅露地带 或基质土壤不良地带 3 考虑街道宽度及交通状况 不宜设在交通繁忙而狭窄的街道下 若街道宽度超过40m 设两条平行的污水管道 4 尽量避免和减少管道与河道 山谷 铁路及各种地下构筑物交叉 平行式盾构技术穿越河道 2 4 2管道定线和平面布置的组合 穿越铁路 2 4 2管道定线和平面布置的组合 5 将产生大流量污水的工厂或公共建筑物的污水排出口接入污水干管起端是有利的 为了增大上游干管的直径 减小敷设坡度 以致能减少整个管道系统的埋深 4 总之 管道总平面图 在初步设计中包括干管 主干管的位置 走向和主要泵站 污水厂 出水口等的位置 在技术设计时 包括全部支管 干管 主干管 泵站 污水厂 出水口等的具体位置和资料 2 4 3控制点的确定和泵站的设置地点 1 污水排水区域内 对管道系统的埋深起控制作用的地点称