第9章污水管网设计与计算.ppt

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第9章污水管网设计与计算9.1污水设计流量计算9.2管段设计流量计算9.3污水管道设计参数9.4污水管网水力计算9.5管道平面图和纵剖面图绘制9.6管道污水处理,第9章污水管网设计与计算,城市区域中的综合生活污水和生产废水，可以统称为城镇污水，其中生活污水占有绝大部分的比例。

生活污水和生产废水的排水量大约为用水量的6080%。

污水管网的主要功能是收集和输送。

排水系统是收集、输送、处理、利用及排放废水的全部工程设施。

污水管网设计的主要任务：

1、设计基础数据（包括设计地区的面积、设计人口数，污水定额，防洪标准等）的确定；2、平面布置（1.4.3；1.5.2；2.4节），设计方案确定；3、污水管网总设计流量及各管段设计流量计算；4、污水管网各管段直径、埋深、衔接设计与水力计算；5、污水提升泵站设计与设计；6、污水管道在街道横断面上位置的确定（2.4节）；7、污水管网施工图绘制等。

9.1污水设计流量计算,911设计污水量定额1）居民生活污水定额和综合生活污水定额室外排水设计规范GB50014-2006规定，可按当地用水定额的8090采用。

对给排水系统完善的地区可按90计，一般地区可按80计。

居民生活污水定额是指居民每人每日所排出的平均污水量。

居民生活污水定额与居民生活用水定额、建筑内给排水设施水平及排水系统普及程度等因素有关。

综合生活污水定额包括公共建筑排放的污水（公共建筑用水量定额建筑给水排水）。

2）工业企业内职工生活污水和淋浴废水定额：

建筑给水排水。

3）工业企业废水量根据工艺特点确定。

912污水量的变化,日变化系数Kd：

设计年限内，最高日污水量与平均日污水量的比值。

时变化系数Kh：

设计年限内，最高日中最大时污水量与该日平均时污水量的比值。

总变化系数Kz：

设计年限内，最高日最高时污水量与平均日平均时污水量的比值。

Kz=KdKh,1）居民生活污水量变化系数,计算公式,式中Qd平均日污水量（L/s）。

在多年观测资料的基础上进行综合分析总结出的计算公式。

它反映了我国总变化系数与平均流量之间的关系。

当流量为中间数值时，总变化系数用内差法求得。

当有实际污水量变化资料时，可按实际数据采用。

工业企业生活污水和淋浴污水量变化系数生活污水：

一般车间3.0，高温车间2.5。

淋浴污水：

下班后1小时使用，不考虑变化。

工业企业生产废水变化系数,913污水设计流量计算,1）居民生活污水设计流量的确定居民生活污水是指居民日常生活中洗涤、冲厕、洗澡等产生的污水。

居民生活污水设计流量可按下式计算：

式中Q1居民生活污水设计流量（L/s）；q1平均日居民生活污水量标准（L/capd）；N1设计人口数（cap）；Kz生活污水量总变化系数。

2）公共建筑污水设计流量（机关、学校、医院等）,q2i各公共建筑最高日污水量标准，L/（用水单位.d）；N2i用水单位数；T2i最高日排水小时数，h；Kh2i污水量时变化系数。

3）工业废水设计流量,4）工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算公式：

5）城市污水设计总流量,【例题】某工业区，居住区人口为4000人，居民生活污水定额（平均日）=80（L/人d），工厂最大班职工人数1000人，其中热车间职工占25%，热车间70%职工淋浴，一般车间10%职工淋浴。

求该工业区生活污水总设计流量。

解：

1.居住区生活污水设计流量,2工业企业生活污水和淋浴污水设计流量,查表得到,3生活污水总设计流量,9.2管段设计流量计算,连接管、污水干管（主干管和干管）、污水支管。

水流为重力流，需满足一定水力坡度。

管道埋深太大时设提升泵站（平坦地区，反坡）；地形坡度较大，为满足污水管道最小埋深，设置跌水井。

9.2.1污水管网的节点与管段,检查井的位置，应设在管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处、跌水处以及直线管段上每隔一定距离处。

检查井在直线管段的最大间距应根据疏通方法等具体情况确定，一般宜按规定取值。

污水管网设计任务：

计算不同地点污水流量、各管段污水流量，确定管径、埋深和衔接方式等。

管段：

污水管网中流量和坡度不变的管道。

管段设计流量：

管段上游端汇入的污水量和该管段收集的污水量。

节点：

管段的上游端和下游端。

节点流量：

该节点下游本段沿线污水流量（生活污水）集中流量（工业废水、工业生活污水与淋浴污水、公建污水）,9.2.2节点设计流量,9.2.3管段设计流量计算,设计管段的划分

（1）设计管段：

两点之间的污水管道，如果采用的设计流量、管径和坡度不变，则称它为设计管段。

（2）划分设计管段：

设计流量、管径和坡度不变的连续管段，可以划作一个设计管段。

根据管道的平面布置图，凡有集中流量流入，有旁侧管接入的检查井均可作为设计管段的起止点。

设计管段的起止点应依次编上号码。

设计管段设计流量的确定,每一设计管段的污水设计流量可能包括以下几种流量：

（1）本段流量q1是从本管段沿线街坊流来的污水量（归为管段上游节点流量）；人口密度和服务面积乘积：

（2）转输流量q2是从上游管段和旁侧管段流来的污水量；（3）集中流量q3是从工业企业或其它产生大量污水的公共建筑流来的污水量。

式中q1设计管段的本段流量（L/s）；A设计管段的本段服务面积（ha）；q0比流量（L/sha）。

比流量是指单位面积上排出的平均污水量。

可用下式计算：

或式中n生活污水定额（L/capd）人口密度（cap/ha）Qd居民平均日生活污水量（L/s）,管段设计流量,管段的设计流量可由下式计算：

式中qij某一设计管段的设计流量（L/s）；q1本段流量（L/s）；q2转输流量（L/s）；q3集中流量（L/s）；kz生活污水总变化系数。

某市一个区的街坊平面图。

居住区街坊人口密度为350人/ha，居民生活污水定额为120L/人d。

火车站和公共浴室的污水设计流量分别为3L/s和4L/s。

工厂甲排除的废水设计流量为25L/s。

工厂乙排除的废水设计流量为6L/s。

生活污水和经过局部处理后的工业废水全部送至污水厂处理。

工厂废水排出口的管底埋深为2m，该市冰冻深度为1.40m。

试进行该区污水管道系统的设计计算。

【例9.2】P217,例题图,设计方法和步骤：

1在街坊平面图上布置污水管道该区地势北高南低，坡度较小，无明显分水线，可划分为一个排水流域。

支管采用低边式布置，干管基本上与等高线垂直，主干管布置在市区南部河岸低处，基本上与等高线平行。

整个管道系统呈截流式布置。

2街坊编号并计算其面积将街坊依次编号并计算其面积，列入表中。

用箭头标出各街坊污水排出的方向。

例题计算图,街坊面积汇总表：

3划分设计管段，计算设计流量根据设计管段的定义和划分方法，将各干管和主干管有本段流量进入的点（一般定为街坊两端）、集中流量及旁侧支管进入的点，作为设计管段的起止点的检查井并编上号码。

各设计管段的设计流量应列表进行计算。

本例中，居住区人口密度为350人/ha，居民污水定额为120L/人d，则生活污水比流量为,（L/sha）,q12=25L/sq89=qsFkz=0.486（1.21+1.70）kz=1.41kz=1.412.3=3.24L/sq910=qsFkz=0.486（1.21+1.70+1.43+2.21）kz=3.18kz=3.182.3=7.31L/sq102=qsFkz=0.486（1.21+1.70+1.43+2.21+1.21+2.28）kz=4.88kz=4.882.3=11.23L/sq23=qsFkz+q甲=（0.4862.20+4.88）kz+q甲=（1.07+4.88）kz+25=5.952.2+25=13.09+25=38.09L/s,污水管道水力计算,过水断面A=A（D，h/D）水力半径R=R（D,h/D）设为均匀流，采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代人并转换：

由流量和流速关系得：

h,D,

（1）水力计算公式（参见：

3.3非满流管渠水力计算）,5个水力参数q、D、h、I、v,已知其中3个才能求出另2个，水力计算较复杂。

非满流水力计算简化方法：

（1）水力计算图表

（2）借助满流水力计算公式并通过一段的比例变换进行计算,流量,坡度,充满度,流速,水力学算图,5个水力参数q、D、h/D、I、v,已知其中3个才能求出另2个水力计算时，一般q已知？

?

室外排水设计规范对一些设计参数作了相应规定,93污水管道设计参数,水力计算的两个基本公式给出了流量Q、流速v、粗糙系数n、水力坡度I、水力半径和过水断面面积A等水力要素之间的关系。

为使污水管渠正常运行，需对这些因素加以考虑和限制。

作为污水管道设计的依据。

931设计充满度1）设计充满度h/D：

在设计流量下，污水管道中的水深h与管道直径D的比值称为设计充满度（或水深比）。

当h/D时称为满流；当h/D1时称为非满流。

2）非满流设计：

污水管道的设计有按满流和非满流两种方法。

在我国，按非满流进行设计。

原因：

污水的流量很难精确确定，而且雨水或地下水可能渗入污水管道增加流量，因此，选用的污水管道断面面积应留有余地，以防污水溢出；污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体，需留出适当的空间，以利管道内的通风，排除有害气体。

便于管道的疏通和维护管理。

3）最大设计充满度：

最大设计充满度的规定如下表：

进行水力计算时，所选用的充满度，应小于或等于表中所规定的数值。

与设计流量和设计充满度相应的污水平均流速。

最小设计流速：

是保证管道内不发生淤积的流速，与污水中所含杂质有关；我国根据试验结果和运行经验确定最小流速为0.6m/s。

最大设计流速：

是保证管道不被冲刷破坏的流速，与管道材料有关；金属管道的最大流速为10m/s，非金属管道的最大流速为5m/s。

932设计流速,933最小管径,不计算管段：

在污水管道的上游，由于设计管段服务的排水面积较小，所以流量较小，由此而计算出的管径也很小。

如果某设计管段的设计流量小于在最小管径、最小设计坡度（最小流速）、充满度为0.5时管道通过的流量时，不必计算而直接选用最小管径和最小设计坡度，该管段称为不计算管段。

有冲洗水源时，这些管段可考虑设置冲洗井定期冲洗以免堵塞。

934最小设计坡度,最小设计坡度：

相应于管内最小设计流速时的坡度叫做最小设计坡度，即保证管道内污物不淤积的坡度。

Imin=f（vmin，R）。

不同管径的污水管道应有不同的最小设计坡度，管径相同的管道，由于充满度不同，也可以有不同的最小设计坡度。

在表9.9（P221）中规定了最小管径管道的最小设计坡度。

934最小设计坡度,规定：

管径200mm的最小设计坡度为0.004；管径300mm的最小设计坡度为0.003。

设计充满度一定时，管径越大，最小设计坡度越小。

935污水管道埋设深度,在污水管道工程中，管道的埋设深度愈大，工程造价愈高，施工期愈长。

含义：

（1）覆土厚度指管外壁顶部到地面的距离；

（2）埋设深度指管内壁底部到地面的距离。

【最小埋深】,确定污水管道最小埋设深度时，必须考虑下列因素：

（1）必须防止管内污水冰冻或土壤冰冻而损坏管道土壤的冰冻深度。

在污水管道工程中，一般所采用的土壤冰冻深度值是当地多年观测的平均值。

室外排水设计规范规定：

无保温措施的生活污水或水温与其接近的工业废水管道，管底可埋设在土壤冰冻线以上0.15m。

有保温措施或水温较高或水流不断、流量较大的污水管道，其管底在冰冻线以上的距离可适当增大，其数值可根据经验确定。

（2）必须保证管道不致因为地面荷载而破坏为保证污水管道不因受外部荷载而破坏，必须有一个覆土厚度的最小限值，被称为最小覆土厚度。

此值取决于管材的强度、地面荷载类型及其传递方式等因素。

室外排水设计规范规定：

在车行道下的排水管道，其最小覆土厚度一般不得小于0.7m。

在对排水管道采取适当加固措施后，最小覆土厚度值可酌减。

（3）必须满足街坊污水管衔接的要求此值受建筑物污水出户管埋深的控制。

从安装技术方面考虑，建筑物污水出户管的最小埋深一般在0.50.7m之间，以保证底层建筑污水的排出。

所以街坊污水管道的起端埋深最小也应有0.60.7m。

由此值可计算出街道污水管道的最小埋设深度。

【最大埋深】管道的最大埋深，应根据设计地区的土质、地下水等自然条件，再结合经济、技术、施工等方面因素确定。

一般在土壤干燥的地区，管道的最大埋深不超过78；在土质差、地下水位较高的地区，一般不超过5。

当管道的埋深超过了当地的最大限度值时，应考虑设置排水泵站提升，以提高下游管道的设计高程，使排水管道继续向前延伸。

936污水管道的衔接,1检查井设置原则：

污水管道在管径、坡度、高程、方向发生变化及支管接入的地方及直线管段每隔一定距离。

2污水管道在检查井中衔接时应遵循原则：

（1）尽可能提高下游管段的高程，以减少管道埋深，降低造价；

（2）避免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。

一般情况下:

异管径管段采用管顶平接。

同管径管段采用水面平接。

特殊情况:

同管径，坡度变陡，管顶平接。

下游管径小于上游管径（坡度变陡），管底平接。

9.4污水管道水力计算,分析设计地区的地形等实际情况考虑规范规定的设计参数,管道坡度的确定,尽可能与地面坡度平行，减小管道埋深；保证合理的设计流速，不淤积和冲刷。

在保证流速和充满度的前提下：

管径大，坡度小；管径小，坡度大。

存在矛盾，需考虑经济性问题。

（1）较大坡度地区管段设计,沿地面坡度敷设，满足最小流速。

流量期望坡度管径，流速（比例换算法）最大充满度流量期望坡度充满度和流速（比例换算法，水力图）管径,

（1）,非满管流计算图,

（2）平坦或反坡地区管段设计,一定流量，管径大，坡度小；管径过大，流速过小。

（2）,（3）,平坦或反坡地区管段设计,流量最大管径充满度，坡度（比例换算法；最小流速水力图）流量管径（附图1）充满度，流速（比例换算法；坡度水力图）,（3）管段衔接设计,污水管网设计流量管径，坡度衔接方式，计算埋深,解：

1、确定管径和坡度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。

（1）比例换算法为减小坡度，流量40L/s最大管径350坡度0.0015（管径300，坡度0.0058，大于地面坡度，不适合）流量40L/s管径350mm流速0.61m/s，充满度0.65坡度0.0015,非满管流计算图,A:

令D300mm，查图.当D300mm，qV40L/s，h/D=0.55时，i0.0058I0.0024，不符合本题应尽量减少埋深的原则；令v0.6m/s时，h/D0.900.55，也不符合要求。

（2）水力计算图,I=0.00580.0024,h/D=0.90.55,B:

令D350mm，查图，当D350mm，q40L/s，v0.6m/s时,h/D=0.660.65，不合格。

令h/D=0.65时，v0.610.6m/s，符合要求。

i=0.00150.0024，比较合适。

h/D=0.660.65不合格,i=0.00150.0024，比较合适,44.220+0.300,44.220+0.300-0.350,2、确定衔接方式和高程,采用管顶平接？

设计管段上端管底高程：

44.220+0.300-0.35044.170（m）设计管段的下端管底高程：

44.170-2400.001543.810（m）,44.170-2400.0015,设计管段350mm，h/D=0.65v0.61m/s，I=0.0015,检验：

44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。

上游管段下端水面高程：

44.220+0.3000.5544.385（m）,下游（设计）管段上端水面高程：

44.170+0.650.35044.398（m）,44.385,44.398,管底高程修正：

采用水面平接。

上游管段的下端水面高程:

44.22+0.300.5544.385（m）,下游（设计）管段的上端管底高程:

44.385-0.350.6544.158（m）,设计管段的下端管底高程:

44.158-2400.001543.798（m）,44.385,44.385,44.158,43.798,设计管段350mm，h/D=0.65v0.61m/s，I=0.0015,3、采用D400mm？

查图。

当D400mm，q40L/s，v0.6m/s时，h/D0.53，i0.00145。

与D350mm相比较，管段设计坡度基本相同，管道容积未充分利用，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D350mm，i0.0015的设计为好。

例2已知设计管段长度L130m，地面坡度I0.0014，流量qV56L/s，上游管段口径D350mm，充满度h/D0.59，管底高程为43.67m，地面高程为45.48m。

求：

设计管段的口径与管底高程。

解：

覆土厚度为45.48-43.67-0.351.46m。

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沟段坡度小于地面坡度。

（1）令D350m，查图，当D350mm，qV56L/s，v0.60m/s时，i0.0015，但h/D0.950.65不合格。

当h/D0.65时，v0.85m/s，i0.0030I0.0014，不很理想。

（2）令D400mm,查图,当D400mm，qV56L/s，v0.60m/s时，i0.0012，但h/D0.700.65，不符合规定；当h/D0.65时，i0.00145，v0.65m/s,符合要求。

沟管坡度接近地面坡度I0.0014。

采用沟顶平接:

设计沟段的上端沟底高程：

43.67+0.350-0.40043.620（m）,设计沟段的下端沟底高程:

43.620-1300.0014543.43（m）,第一方案，造价低，但后面的沟管都将落下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，宜采用第二答案。

（3）究竟采用哪一种方案？

1、D=350mm,I=0.0032、D=400mm,I=0.00145,例3已知L190m，qV66L/s，I0.008（上端地面高程44.50m，下端地面高程42.98m），上游管段D400m，和h/D0.61，其下端管底高程为43.40m，覆土厚度0.7m。

如下图所示：

求：

设计管段管径与管底高程。

解：

本例的特点是地面坡度充分，偏大。

上游沟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。

（4）可以选用D350mm，i0.008。

规范规定，在地面坡度变陡处，管段管径可以较上游小1或2级。

下面计算管底高程。

D=350mm，qV=66L/s，I0.008时，查图得：

h/D0.53,v=1.28m/s，合格。

（5）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速可能超过最大流速，这时管段设计坡度必须减少，并且设计管段上端窨井应采用跌水井。

94污水管网水力计算,污水管道设计计算实例：

某市一个区的街坊平面图。

居住区街坊人口密度为350人/ha，居民生活污水定额为120L/人d。

火车站和公共浴室的污水设计流量分别为3L/s和4L/s。

工厂甲排除的废水设计流量为25L/s。

工厂乙排除的废水设计流量为6L/s。

生活污水和经过局部处理后的工业废水全部送至污水厂处理。

工厂废水排出口的管底埋深为2m，该市冰冻深度为1.40m。

试进行该区污水管道系统的设计计算,例题图,设计方法和步骤：

1在街坊平面图上布置污水管道该区地势北高南低，坡度较小，无明显分水线，可划分为一个排水流域。

支管采用低边式布置，干管基本上与等高线垂直，主干管布置在市区南部河岸低处，基本上与等高线平行。

整个管道系统呈截流式布置。

2街坊编号并计算其面积将街坊依次编号并计算其面积，列入表中。

用箭头标出各街坊污水排出的方向。

街坊面积汇总表：

3划分设计管段，计算设计流量根据设计管段的定义和划分方法，将各干管和主干管有本段流量进入的点（一般定为街坊两端）、集中流量及旁侧支管进入的点，作为设计管段的起止点的检查井并编上号码。

各设计管段的设计流量应列表进行计算。

本例中，居住区人口密度为350人/ha，居民污水定额为120L/人d，则生活污水比流量为,（L/sha）,q12=25L/sq89=qsFkz=0.486（1.21+1.70）kz=1.41kz=1.412.3=3.24L/sq910=qsFkz=0.486（1.21+1.70+1.43+2.21）kz=3.18kz=3.182.3=7.31L/sq102=qsFkz=0.486（1.21+1.70+1.43+2.21+1.21+2.28）kz=4.88kz=4.882.3=11.23L/s,q23=qsFkz+q甲=（0.4862.20+4.88）kz+q甲=（1.07+4.88）kz+25=5.952.2+25=13.09+25=38.09L/s,4管渠材料的选择由于生活污水对管材无特殊要求，且管道的敷设条件较好，故在本设计中，DN400mm的管道采用混凝土管，DN400mm以上的管道采用钢筋混凝土管。

5各管段的水力计算在各设计管段的设计流量确定后，便可按照污水管道水力计算的方法，从上游管段开始依次进行各设计管段的水力计算。

水力计算步骤：

（1）从管道平面布置图上量出每一设计管段的长度，列入表中第2项。

（2）将各设计管段的设计流量填入表中第3项。

设计管段起止点检查井处的地面标高列入表中第10、11项。

（3）计算每一设计管段的地面坡度，作为确定管道坡度时的参考。

（4）根据管段的设计流量，参照地面坡度，确定各设计管段的管径、设计流速、设计坡度和设计充满度。

其余各设计管段的管径、坡度、流速和充满度的计算方法与上述方法相同。

在水力计算中，由于Q、D、I、v、h/D各水力因素之间存在着相互关联的关系，因此，在查水力计算图时，存在着一个试算过程，最终确定的D、I、v、h/D要符合设计规范的要求。

（5）根据设计管段的长度和设计坡度求管段的上下游高差。

如管段12的上下游高差为IL0.0021100.22m，列入表中第9项。

（6）根据管径和设计充满度求管段的水深。

如管段12的水深hDh/D0.350.4470.16m，列入表中第8项。

（7）求各设计管段上、下端的管内底标高和埋设深度。

控制点：

是指在污水排水区域内，对管道系统的埋深起控制作用的点。

各条干管的起点一般都是这条管道的控制点。

这些控制点中离出水口最远最低的点，通常是整个管道系统的控制点。

具有相当深度的工厂排出口也可能成为整个管道系统的控制点，它的埋深影响整个管道系统埋深。

首先确定管网系统的控制点：

本例中离污水厂较远的干管起点有8、11、16及工厂出水口1点，这些点都可能成为管道系统的控制点。

1点的埋深受冰冻深度和工厂废水排出口埋深的影响，由于冰冻深度为1.40m，工厂排出口埋深为2.0m，1点的埋深主要受工厂排出口埋深的控制。

8、11、16三点的埋深可由冰冻深度及最小覆土厚度的限值决定，但因干管与等高线垂直布置，干管坡度可与地面坡度相近，因此埋深增加不多，整个管线上又无个别低洼点，故8、11、16三点的埋深不能控制整个主干管的埋设深度。

对主干管埋深起决定作用的控制点则是1点。

确定控制点管道埋深：

应根据城市的竖向规划，保证排水区域内各点的污水都能自流排出，并考虑发展，留有适当余地；不能因照顾个别点而增加整个管道系统的埋深。

对个别点：

应采取加强管材强度，减小埋设；填土提高地面高程以保证管道所需的最小覆土厚度；设置泵站提高管位等措施，减小控制点的埋深。

1节点是主干管的起点，它的埋设深度定为2.0m，将该值列入表126中第16项。

1节点的管内底标高等于1点的地面标高减去1点的埋深，为86.2002.0084.200m，列入表中第14项。

2节点的管内底标高等于1点的管内底标高减去管段12的降落量，为84.2000.22083.98m，列入表126中第15项。

2点的埋设深度