第二章溝道水力學第一節溝道中的水流情況第二節污水溝道水力學設計的原則第三節溝道水力學計算用的基本公式第四節水力學算圖第五節溝道水力學設計數據第六節溝段的銜接第七節溝段水力學計算舉例第八節倒虹管水力學計算舉例第九節常用排水泵第十節排水泵站水力學計算舉例第一節溝道中的水流情況水流在溝道流動時，水流上方是大氣，具有自由的表面，而其他三個方向受到溝道固體界面的限制，稱明渠流或重力流。溝道有時在水壓下流動，這時的水流方式稱管流或壓力流。第二節污水溝道水力學設計的原則計算確定管徑坡度高程水力學計算要滿足下列要求不溢流不淤積不沖洗溝壁通風第三節溝道水力學計算用的基本公式設計管段是相鄰的兩個窨井間的溝段。當相鄰的設計管段能采用同樣的口徑和坡度時，可以合并為一條設計溝段。流量公式：流速公式：qv——設計溝段的設計流量，m3/s；A——設計溝段的過水斷面面積，m2；v——設計溝段過水斷面的平均流速，m/s；R——水力半徑（過水斷面面積與濕周的比值），m；I——水力坡度（即水面坡度，也等于溝底坡度i）；n——溝壁粗糙系數。第四節水力學算圖水力學算圖有不滿流圓形溝道水力學算圖、滿流圓形溝道水力學算圖、滿流矩形水力學算圖和明渠流用的水力學算圖等。例2-1已知n＝0.014，D＝300mm，i＝0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。解：（1）D＝300mm，采用教材中圖2-2。（2）這張圖有四組線條：豎的線條代表流量，橫的代表坡度，從右向左下傾的斜線代表充滿度，從左向右下傾的斜線代表流速。每條線上的數目字代表相應要素的值。先從縱軸(表示坡度)上的數字中找0.0024，從而找出代表i＝0.0024的橫線。（3）從橫軸(表示流量)上找出代表qV＝25.5L/s的那根豎線。（4）代表坡度0.0024的橫線和代表流量25.5L/s的豎線相交，得一點，這一點正好落在代表流速0.65m/s的那根斜線上，并靠近代表充滿度0.55的那根斜線上。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。解：（1）D＝300mm，采用教材圖2-2。（2）找出代表qV＝26L/s的那根豎線。（3）找出代表i＝0.003的那根橫線。（4）找出這兩根線的交點，這交點落在代表v＝0.7m/s和v＝0.75m/s的兩根斜線之間。假如有一根和以上兩根斜線平行的線正好穿過這交點，估計這根線代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。（5）這交點又落在代表h/D＝0.50和0.55兩根斜線之間，估計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，采用教材圖2-2。（2）找出代表qV＝38L/s的那根豎線。（3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜線。（4）這兩根線的交點落在代表i＝0.0057的橫線上，求得i＝0.0057。（5）這交點又落在h/D＝0.53的斜線上，求得h/D＝0.53。第五節溝道水力學設計數據充滿度示意設計充滿度溝道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值。一、設計充滿度溝道是按不滿流的情況進行設計的。在設計流量下，溝道中的水深h和管徑D（或渠深H）的比值c稱為設計充滿度。0.7510000.70500~9000.65350~4500.55200~300最大設計充滿度(h/D或h/H)管徑或渠高/mm最大設計充滿度二、設計流速設計流速是溝道中流量到達設計流量時的水流速度。污水溝道的最小設計流速為0.6m/s；明溝的最小設計流速為0.4m/s。最大設計流速混凝土管為5m/s，鋼管為10m/s。防止淤積所需的溝道設計流速的最小限值同廢水中夾帶的懸浮物的性質(顆粒大小、相對密度)有關。各設計溝段的設計流速從上游到下游最好是逐漸增加的。三、最小管徑污水溝管的最小管徑和最小設計坡度溝道位置最小管徑/mm最小設計坡度i在街坊和廠區內2000.004在街道下3000.003四、最小設計坡度和不計算管段的最小設計坡度坡度和流速存在一定的關系()，同最小設計流速相應的坡度就是最小設計坡度。因設計流量很小而采用的最小管徑的設計溝段稱為不計算溝段。五、溝道的埋設深度和覆土厚度溝道的埋設深度是指溝底的內壁到地面的距離。在干燥土壤中，溝道最大埋深一般不超過7~8m；在多水、流沙、石灰巖地層中，一般不超過5m。溝道的覆土厚度是指溝頂的外壁到地面的距離。決定最小覆土厚度的因素必須防止溝道中的污水冰凍和因土壤冰凍膨脹而損壞溝道必須防止溝壁被車輛造成的活荷載壓壞必須滿足支溝在銜接上的要求污水在溝道中冰凍的可能與污水的水溫和土壤的冰凍深度等因素有關。無保溫措施的生活污水溝道或水溫和它接近的工業廢水溝道，溝底在冰凍線之上的距離不得大于0.15m。溝頂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。街溝的最小覆土厚度可用下式計算：式中：d——街溝的最小覆土厚度，m；h——街區或廠區內的污水溝道起端的最小埋深，m；i——街區或廠區內的污水溝道和連接支管的坡度；L——街區或產區內的污水溝道和連接支管的總長度，m；h1——街溝窨井處地面高程，m；h2——街區或廠區內的污水溝道起點窨井處地面高程，m。第六節溝段的銜接銜接原則：（1）盡可能提高下游溝段的高程，以減少埋深，從而降低造價，在平坦地區這點尤其重要；（2）避免在上游溝段中形成回水而造成淤積；（3）不允許下游溝段的溝底高于上游溝段的溝底。銜接方法溝頂平接水面平接溝底平接下游溝底高于上游溝底下游水位高于上游水位不應發生第七節溝段水力學計算舉例例2-4已知設計溝段長度L為240m；地面坡度I為0.0024；流量qV為40L/s，上游溝段管徑D＝300mm，充滿度h/D為0.55，溝底高程為44.22m，地面高程為46.06m，覆土厚度為1.54m。求：設計溝段的口徑和溝底高程。解：由于上游溝段的覆土厚度較大，設計溝段坡度應盡量小于地面坡度以減少埋深。（1）令D＝300mm，查圖，當D＝300mm，qV＝40L/s，h/D=0.55時，i＝0.0058>I＝0.0024，不符合本題應盡量減少埋深的原則；令v＝0.6m/s時，h/D＝0.90>0.55，也不符合要求。采用溝頂平接:設計溝段上端溝底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)設計溝段的下端溝底高程：44.170-2400.0015＝43.810(m)檢驗：44.398m高于44.385m，不符合要求，應采用水面平接。上游溝段下端水面高程：44.220+0.3000.55＝44.385(m)設計溝段上端水面高程：44.170+0.650.350＝44.398(m)（2）令D＝400mm,查圖,當D＝400mm，qV＝40L/s，v＝0.6m/s時，h/D＝0.53，i＝0.00145。與D＝350mm相比較，溝管設計坡度基本相同，溝管容積未充分利用，溝管埋深反而增加0.05m。另外，溝管口徑一般不跳級增加，所以D＝350mm，i＝0.0015的設計為好。（3）溝底高程修正：采用水面平接。上流溝段的下端水面高程:44.22+0.30.55＝44.385(m)設計溝段的上端溝底高程:44.385-0.350.65＝44.158(m)設計溝段的下端溝底高程:44.158-2400.0015＝43.798(m)例2-5已知設計溝段長度L＝130m，地面坡度I＝0.0014，流量qV＝56L/s，上游溝段口徑D＝350mm，充滿度h/D＝0.59，溝底高程為43.67m，地面高程為45.48m。求：設計溝段的口徑與溝底高程。解：覆土厚度為45.48-43.67-0.35＝1.46m。離最小覆土厚度允許值0.7m較大，因此設計時應盡量使設計溝段坡度小于地面坡度。（1）令D＝350m，查圖，當D＝350mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65不合格。當h/D＝0.65時，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝0.0014，不很理想。（2）令D＝400mm,查圖,當D＝400mm，qV＝56L/s，v＝0.60m/s時，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合規定；當h/D＝0.65時，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。溝管坡度接近地面坡度I＝0.0014。采用溝頂平接:設計溝段的上端溝底高程：43.67+0.350-0.400＝43.620(m)采用水面平接:設計溝段的下端溝底高程:43.67+0.3500.59＝43.877(m)設計溝段的上端溝底高程:43.877-0.650.350＝43.650(m)設計溝段下端溝底高程:43.650-1300.0030＝43.260(m)設計溝段的下端溝底高程:43.620-1300.00145＝43.43(m)施工高程：43.43(m)檢驗：上游溝段下端水面高程：43.877(m)43.880高于43.877，雖不符合要求，但可接受(下端溝底施工高程略低于計算值)。設計溝段上端水面高程：43.620+0.650.400＝43.880(m)（3）從本設計溝段的造價而論，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的溝管都將落下0.172m。假如下游的地區有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦的地區，以后還有很長的溝段以及覆土厚度大于0.7m較多時，宜采用第二答案。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43.40m)，上游溝段D＝400m，和h/D＝0.61，其下端溝底高程為43.40m，覆土厚度0.7m。如下圖所示：求：管徑與溝底高程。解：本例的特點是地面坡度充分，偏大。上游溝段下端覆土厚度已為最小容許值。估計設計溝段坡度將小于地面坡度，且口徑可小于上游溝段。（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65時，查圖得qV＝133L/s>66L/s。（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65時，查圖得qV＝91L/s>66L/s。（3）令D＝300mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.55時，查圖得qV＝47L/s>66L/s。（4）可以選用D＝350mm，i＝0.008。規范規定，在地面坡度變陡處，溝道管徑可以較上游小1或2級。下面計算溝底高程。D=350mm，qV=66L/s，I＝0.008時，查圖得：h/D0.53,v=1.28m/s，合格。（5）如果采用地面坡度作為設計坡度，設計流速超過最大流速，這時溝道設計坡度必須減少，并且設計溝段上端窨井應采用跌水井。采用溝底平接:設計溝段上端溝底高程＝上游溝段下端溝底高程＝43.40(m)設計溝段下端溝底高程:43.40-1900.008＝41.88(m)第八節倒虹管水力學計算舉例倒虹管進水井上游溝道中流量qV＝500L/s，口徑D＝1000mm，坡度i＝0.00062，流速v＝0.78m/s，充滿度h/D＝0.75，水面高程+0.75m，溝底高程±0.00m。倒虹管出水井下游溝道中的各水力學要素數值與上游溝道相同，試設計直管式倒虹管，并求下游溝道溝底高程。（1）確定倒虹管口徑倒虹管中水流流速應大于上游溝道，以防淤積，故管徑采用800mm。查滿流溝管水力學算圖，得：當qV＝500L/s，D＝800mm時，i＝0.00143，v＝1.0m/s。（2）確定下游溝底高程倒虹管進水井上游溝管與出水井下游溝管間的水位差：采用0.20m，以改善倒虹管水力學條件。下游溝底高程：0.75-0.20-0.75＝-0.2（m）第九節常用排水泵常用的排水泵離心泵混流泵軸流泵螺旋泵潛污泵立式優點它占地面積較小，能節省造價水泵和電動機可以分別安放在適宜的地方一、幾種常用排水泵1．離心泵離心泵分臥式和立式兩種形式立式缺點對安裝技術和機件精度要求都較高檢修不及臥式泵方便２．混流泵泵內主流方向介乎輻射與軸向之間３．軸流泵主流方向和泵軸平行４．螺旋泵特點提升絮體易碎的回流活性污泥沒有阻塞問題結構簡單，可自行制造無需輔助設備無需正規泵站基建投資省低速運行，機械磨損小，維修方便電能消耗少運行費用低占地較大螺旋泵示意圖螺旋泵外形５．空氣提升泵用于提升回流活性污泥。

結構簡單，管理方便，當壓縮空氣有現成來源時，可以采用。６．潛污泵無需正規的泵站，占地面積小；管路簡單，配套設備少。潛污泵安裝圖二、排水泵站的工作特性１．離心泵流量較小，揚程較高，用于提升污水。其最高效率點兩側下降較緩，比較容易控制在高效率狀況下運行；水泵的軸功率曲線表明，qV＝0時，軸功率最小，所以應閉閘啟動，以減少電動機的起動電流。２．軸流泵流量大，揚程低，額定點效率較高，吸水高度很低，僅有1~2m。應在出水閘門開啟時啟動，以減小電動機的起動電流。３．螺旋泵揚程低，轉速低，流量范圍大，效率穩定，適用于提升回流活性污泥。當進水水位達到泵軸心管邊緣螺旋葉片處時，提升水量qV達到最大值。三、排水泵引水設備１．真空泵系統啟動迅速，效率高，尤其適用于大、中型水泵和吸水管較長的水泵系統；但操作較繁，自控復雜。２．水射器(泵)適用于小型泵站，具有結構簡單、占地少、安裝容易、工作可靠等特點。第十節排水泵站水力學計算舉例以水力學原理為基礎，設計所需揚水量和揚程知最大設計流量，最小設計流量，確定泵的臺數和型號布置泵的位置和出水管的線路，并確定水管的口徑核算所選水泵是否合用，要否修正管線水頭計算方法水流通過管件時有局部水頭損失，局部損失的計算公式如下：為簡化計算，常化管件為直管，與直管一起計算水頭損失。直管水頭損失的公式為：管件的相當長度公式：當粗糙系數n＝0.013時，得：81.5150029.570011.735060.6120024.06009.530047.5100018.85007.525041.290016.44505.620035.580014.04003.8150αDαDαD系數α的值例2-7某一工業城鎮的人口6000人，居住區生活污水的平均流量為8.5L/s，總變化系數為2.1，則設計流量約為18L/s。工廠甲三班制工作，設計流量為26L/s。工廠乙一班制工作，生活污水和工業廢水在8h當中均勻排出，設計流量為6L/s。在終點泵站處的地面高程為41.50m。泵站入流溝管的管徑為350mm，水面高程為36.45m，溝底高程為36.24m。試根據上述條件，進行泵站的水力學設計。解：（1）泵站的最大入流量為50(18+26+6)L/s。居住區的生活污水的最小時流量估計為平時日流量的1.0％，則最小入流量等于8.5864000.0136002L/s。故泵站的最小入流量為2+26＝28L/s。泵站的汲水能力應能適應28~50L/s(100~180m3/h)之間的任何入流量。（2）污水處理廠第一個水池(沉砂池)水面高程假定為45.50m。泵站進水池中的最低水位在入流溝管底下1.50m左右，假定為34.85m，泵站進水池中的最高水位比入流溝管中的水位低0.08~0.15m(水流過柵時的水頭損失)，定為36.35m，故凈揚程在9.15~10.65m之間。（3）根據入流量和凈揚程數據并加上估計的管線水頭損失2.0m和自由水頭1.0m，選用4PW型水泵三臺,轉速n＝960r/min，其中一臺備用。其高效工作段的流量為20L/s~33L/s,總揚程為12.0~10.5m(讀自特性曲線)。（4）進水池容積采用相當于一臺泵5min的揚水量:有效水深為1.5m，則進水池面積為6.7m2。（5）泵站建筑和水泵及管線布置采用類似教材中圖3-16所示的形式。管線布置情況如下圖所示。管徑是根據流速范圍決定的，必要時可以修改。（6）管道水頭損失計算總計異徑三通喇叭口單向閘閘門彎頭直管部件相當長度αξ件數管線并聯后管線并聯前539191.2--5.60.12