5市政排水管道工程.docx
《5市政排水管道工程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5市政排水管道工程.docx（61页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
5市政排水管道工程
5市政排水管道工程
本章学习目标：
1.了解排水系统的分类，熟悉各排水系统的组成，掌握排水系统的6种布置形式；
2.熟悉排水体制的选择，掌握合流制排水系统及分流制排水系统；
3.掌握各类污水设计流量的计算；
4.了解污水管道水力计算的设计参数，熟悉各参数的确定原则；
5.掌握污水管道计算方法
6.了解对排水管材的要求，熟悉各类管材的特点；
7.了解排水管道系统的附属构筑物，熟悉各构筑物的结构特点；
8.熟悉雨量分析要素，掌握暴雨强度曲线意义及暴雨强度计算公式；
9.了解雨水管网系统的平面布置原则
10.了解雨水管道设计流量参数的确定，掌握雨水系统设计计算步骤；
11.熟悉合流制排水管道的水力计算
5.1排水系统的组成和布置
5.1.1排水系统的组成
排水系统是指收集、输送、处理、利用废水以及把废水排入水体的所有工程设施的总称。
包括城市污水、工业废水和雨水等排水系统。
5.1.1.1城市污水排水系统
城市污水是指排入城镇污水管道的生活污水和工业废水。
城市污水排水系统由五部分组成，包括室内污水管道系统和设备、室外污水管道系统、污水泵站及压力管道、污水厂、出水口及事故排出口。
如图5-1所示。
图5-1城市污水排水系统总平面示意图
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—排水流域
1—干管2—排水流域分界线3—城市边界4—支管5—工厂6—主干管
7—总泵站8—事故排出口9—压力管道10—城市污水厂11—出水口
（1）室内污水管道系统和设备
其作用是收集建筑物内的生活污水并将其排至室外居住小区或街坊水管道中去。
住宅及公共建筑内，各种卫生设备是生活污水排水系统的起始设备，是人们用水和承受污水的容器。
生活污水从这里经水封管、横支管、立管和出户管等室内管道系统流入室外居住小区管道系统。
（2）室外污水管道系统
该系统分布在地面以下，依靠重力将污水输送至泵站、污水厂或水体。
由居住小区或街坊管道系统、街道管道系统及附属构筑物组成。
①居住小区或街坊管道系统
居住小区管道系统是指敷设在居住小区内连接建筑物出户管的污水管道系统。
街坊管道系统是指敷设在一个街坊地面以下，并连接一群房屋出户管或整个街坊内房屋出户管的管道系统称。
②街道污水管道系统
敷设在街道下用以排除居住小区或街坊管道流来的污水。
在市区内它由支管、干管和主干管等组成。
支管承接居住小区干管或街坊污水管道流来的污水；按分水线将排水区界划分成几个排水流域，各排水流域内，干管汇集输送由支管流来的污水，常称流域干管；主干管则是汇集输送由两个或两个以上干管流来的污水，并将污水输送至总泵站、污水厂、出水口等的管道。
③附属构筑物
包括检查井、跌水井、倒虹管等。
（3）污水泵站及压力管道
污水一般以重力流排除，但常因受到地形等条件限制而欲将污水提升到高处时，此时需设置泵站。
泵站分为局部泵站、中途泵站和总泵站等，如图5-2a）、b）、c）所示。
因设置了泵站，则需相应的压力管道，即压送泵站出来的污水至高地自流管道或污水厂的承压管段。
a）
b）
c）
图5-2污水泵站的设置地点
a）中途泵站b）局部泵站c）终点泵站
（4）污水处理厂
指供处理和利用污水、污泥的一系列构筑物及附属构筑物的综合体。
城市污水厂一般设置在城市河流的下游地段，与居民点和公共建筑保持一定的卫生防护距离。
（5）出水口及事故排出口
出水口是指污水排入水体的渠道和出口，与接纳废水的水体连接。
事故排出口是指在污水排水系统的中途所设置的辅助性出水渠，一般设置在某些易于发生故障的组成部分前面（例如在总泵站前设置）。
当发生故障时，污水将通过事故排出口直接排入水体。
5.1.1.2工业废水排水系统
工业废水排水系统是由车间内部管道系统和设备、厂区管道系统、污水泵站及压力管道以及废水处理站组成的。
（1）车间内部管道系统和设备
用于收集各个生成设备排出的工业废水，并将废水排至车间外部的产区管道系统中。
（2）厂区管道系统
敷设在工厂内、车间外，用于汇集并输送各车间排除的工业废水。
应根据废水的性质将其排入到城市污水管网、水体或厂区废水处理厂进行处理或利用。
若废水水质较好且符合《室外排水规范》规定的排放标准，可直接排入水体；若废水性质符合《室外排水规范》中的相应规定，可将工业废水直接排入城镇排水管道中，与城镇污水合并在城镇污水厂处理后排放水体；若不符合相应规定，则应在厂区的废水处理站处理后排放水体。
（3）污水泵站及压力管道
在地形需要时设置。
（4）废水处理站
供处理和利用废水及污泥的一系列构筑物及附属构筑物的综合体。
（5）出水口
5.1.1.3雨水排水系统
该系统由建筑物的雨水管道系统和设备、街坊小区或厂区雨水管道系统、街道雨水管道系统、排洪沟和出水口等构成。
降落在地面的用雨水口收集；降落在屋面上的雨水由天沟或雨水斗收集，通过落水管输送至地面，同降落在地面上的雨水一起形成地表径流，然后通过雨水口收集流入街坊小区、厂区或街道的室外雨水管道系统，通过出水口排入附近水体。
雨水一般既不处理也不利用，直接就近排入水体。
除非必要，否则一般应尽量不设或少设雨水泵站。
5.1.2排水系统的布置形式
排水系统的平面布置是结合地形、竖向规划、污水厂位置、土壤条件、河流情况、污水种类和污染程度等因素而定。
其中地形是影响布置形式的主要因素，从该角度出发，介绍以下几种布置形式。
（1）正交式布置
各排水流域的干管以最短距离沿与水体垂直相交的方向布置（如图5-3a）所示），适用于地势向水体适当倾斜的地区。
此种布置形式干管长度短、管径小，造价经济实惠且污水排出迅速，但由于污水未经处理直接排放，易污染水体，影响环境。
因此，常适用于排除雨水。
（2）截流式布置
以正交布置为基础，沿河岸再敷设主干管，并将各干管的污水截流送至污水厂的布置形式（如图5-3b）所示）。
该布置形式可减轻水体污染，适用于分流制污水排水系统，也适用于区域排水系统。
（3）平行式布置
在地势向水体有较大倾斜的地区，为了避免因主干管坡度和管内流速过大，而使干管受到严重冲刷，可采用干管与等高线或水体基本平行，主干管与等高线或水体成一定倾斜角度敷设的方式，此种布置形式即平行式布置（如图5-3c）所示）。
（4）分区式布置
对于排水区地势高低相差很大，污水不能靠重力流至污水厂的地区，可采用分区式布置（如图5-3d）所示）。
高地势地区的污水靠重力流直接进入污水厂，而低地势地区的污水则靠泵站提升至高地势地区干管或污水厂。
此种布置形式能充分利用地形排水，节省能源，但只能用于个别阶梯地形或地形起伏很大的地区。
（5）分散式布置
当城市周围有河流，或城市中央部分地势高并且地势向周围倾斜的地区，各排水流域的干管常采用辐射状分布，各排水流域均具有独立的排水系统，即为分散式布置（如图5-3e）所示）。
其优点是干管长度短、管径小、埋深浅等，但污水厂和泵站的数量较多，因此较有利于在地势平坦的大城市中布置。
（6）环绕式布置
基于分散式布置，沿城市四周布置主干管，把各干管的污水截流送至污水厂的布置形式为环绕式布置（如图5-3f）所示）。
采用此种布置形式，通过建造大型污水厂可节省用地和减少投资。
在现实的排水工程中，由于地形复杂等多方面原因，通常是根据当地条件，因地制宜地采用综合布置形式。
并逐步发展为区域综合治理，从而控制水污染，来达到保护和改善环境的目的。
a）
b）
c）
d）
e）
f）
图5-3排水系统的布置形式
a）正交式；b）截流式c）平行式d）分区式e）分散式f）环绕式
1—城市边界2—排水流域分界线3—干管
4—主干管5—污水厂6—出水口7—污水泵站
5.2排水系统的体制及选择
5.2.1排水系统的体制
5.2.1.1排水分类
城镇居民的生活和生产过程中使用的水由于受到不同程度的污染，改变了原有的成分，故称为污水或废水，此外还包括雨水及冰雪融化水。
可按照污水来源的不同，将其分为生活污水、工业废水和雨水三类。
（1）生活污水
即居民日常生活中排出的废水，包括从厕所、浴室、厨房、食堂等处排出的水。
生活污水中含有大量的有机物质、肥皂和合成洗涤剂、病原微生物等，故这类污水需经处理后才能排入水体、灌溉农田或再利用。
（2）工业废水
即是在工业企业的生产过程中排出的水，包括生产废水和生产污水两类。
生产废水是在生产过程中未受污染或受轻微污染以及水温稍有升高的工业废水；生产污水是在生产过程中被污染的工业废水，还包括水温过高，排放后造成热污染的工业废水。
前者一般需经某些简单处理后或不需经过处理，即可重复使用或直接排入水体；后者大都需经适当处理后才可重复使用或排放。
（3）雨水
这类水所含杂质主要是无机物，对环境危害较小，但径流量大，若不及时排除会使居住区和工业区等遭受淹没，或者交通受阻。
通常暴雨水的危害最严重，是排水的主要对象之一；街道冲洗水和消防水的性质与雨水相似，也并入雨水。
且不需要处理，可直接就近排入水体。
（4）城市污水
即指排入城市污水系统的生活污水和工业废水，是一种混合污水。
其性质随各种污水的混合比例以及污水中污染物质特性而不断变化，需经过处理后才能排入水体、灌溉农田或再利用。
5.2.1.2排水体制
生活污水、工业废水和雨水既可采用同一个管道系统来排除，又可采用两个或两个以上各自独立的管道系统来排除，这种污水的收集和输送方式称为排水制度，又称排水体制。
包括合流制和分流制两种基本方式。
（1）合流制排水系统
合流制是用同一个管道系统收集和输送污废水的排水方式，可分为直排式合流制和截流式合流制排水系统。
直排式合流制排水系统是将混合污水不经任何处理就近排入水体，严重污染受纳水体，不宜采用。
截流式合流制排水系统是在临河岸边建造截流干管，并在合流干管与截流干管相交前或相交处设置溢流井，同时在截流干管下游设置污水厂。
晴天和降雨初期时，所有污水被输送至污水厂处理后排入水体；降雨量的增加而引起雨水径流也增加时，混合污水的流量超过截流干管的输水能力后，就有部分混合污水经溢流井溢出直接排入水体，如图5-4所示。
若可保证受纳水体不遭受污染时，可采用此种排水系统；但若雨量大时，会有部分混合污水未处理直接排放，将严重污染受纳水体。
如图5-4截流式合流制排水系统
1—合流干管2—截流主干管3—溢流井4—污水处理厂5—出水口6—溢流出水口
（2）分流制排水系统
该系统是将生活污水、工业废水和雨水分别在两个或两个以上各自独立的管道内排除，分为排除生活污水和工业废水的污水排水系统，以及雨水排水系统，如图5-5所示。
如图5-5分流制排水系统
1—污水干管2—污水主干管3—污水处理厂4—出水口5—雨水干管
根据排除雨水方式的不同，分流制排水系统又分为完全和不完全分流制排水系统。
前者具有污水排水系统和雨水排水系统；而后者只具有污水排水系统，雨水沿天然地面、街道边沟、水渠等原有渠道系统排泄，或通过修建部分雨水管道来补充原有渠道系统输水能力的不足，待条件满足后再修建雨水排水系统，使其转变成完全分流制排水系统，如图5-6a）、b）所示。
a）
b）
图5-6完全分流制及不完全分流制
a）完全分流制b）不完全分流制
1—污水管道2—雨水管道3—原有管道4—污水厂5—出水口
老城区一般采用合流制，新城区或城市的新建部分一般采用分流制。
在一个城市中，有时合流制和分流制并存。
5.2.1.3排水体制的选择
排水体制的选择是城市排水管道系统规划和设计的重要问题。
不仅对城市的规划和环境保护影响深远，也影响排水管道系统的设计、施工和维护管理，以及排水管道系统的工程总投资、初期投资和维护管理费用。
下面从不同角度进行分析比较：
（1）环境保护方面
采用合流制将城市的生活污水、工业废水和雨水全部截流至污水厂，经处理后再排放，可防止水体污染，但截流主干管的尺寸很大，污水厂的容量过高，建设费用也相应地增高。
采用截流式合流制可降低截流主干管的尺寸和污水厂的容量，但雨天仍有部分混合污水通过溢流井直接排入水体，使受纳水体遭受严重的周期性污染。
分流制是将城市污水全部输送至污水厂进行处理，其水质和水量变化小，有利于污水厂运行管理，但初降雨水未经处理就直接排入水体，也会对受纳水体造成污染。
但分流制比较灵活，容易适应社会发展的需要，是城市排水系统体制发展的方向。
（2）造价方面
据经验数据表明，合流制排水管道系统的造价比完全分流制一般要低20%～40%，但其泵站和污水厂却比分流制的造价高。
由于管道造价在排水系统总造价中占70%~80%，所以从总造价来看完全分流制一般要比合流制高。
而不完全分流制因初期只建污水排水系统，可节省投资，缩短工期，发挥工程效益也快。
因此，我国许多城市的居住区和工业区均采用不完全分流制排水系统。
（3）维护管理方面
合流制管道中晴天时污水是非满流，雨天时接近或达到满流，因晴天时合流制管道内流速较低，易产生沉淀，但沉淀物在暴雨时易被雨水冲走，此时合流制管道的维护管理费用可以降低。
但晴天和雨天时进入污水厂的水质水量变化很大，增加了污水厂运行管理的复杂性。
分流制系统可以保持管内的流速，不致产生沉淀，同时，进入污水厂的水质和水量变化比合流制小，便于污水厂的运行管理。
总之，排水系统体制的选择，应从全局出发，根据城市规划、环境保护要求、污水利用情况、原有排水设施、水质、水量、地形、气候和受纳水体等条件，在满足环境保护的前提下，通过技术经济比较，综合考虑确定。
5.3排水管网系统的设计步骤与设计流量的确定
排水系统主要有分流制与合流制两种，其中分流制系统的设计包括污水管道系统和雨水管道系统的设计；合流制排水系统包括合流干管与截流主干管的设计。
5.3.1污水管道系统的设计
1管道定线：
根据地形地质条件、污水厂位置及管道规划设计原则，依次确定主干管、干管及支管的位置与敷设方向。
2划分干管与支管的服务面积，进行编号，同时计算各服务面积的大小
3确定干管、支管及检查井的位置与编号，并计算管道总长度及各设计管段长度。
4计算各管段的设计流量
5进行管道的水力计算
6绘制管道的平面及剖面图
5.3.2污水设计流量的确定
污水管道及其附属构筑物能保证通过的污水最大流量称为污水设计流量。
通常以设计期限终期的最大日最大时流量作为设计流量，其单位为L/s。
流量的设计是污水管道系统设计的首要任务，其包括生活污水设计流量和工业废水设计流量。
设计规划的年限要适中，年限过长，则不易切合实际；过短，则易很快满负荷或超负荷，造成重复建设的浪费。
一般分为短期5～10年和长期10～20年。
5.3.2.1生活污水设计流量
生活污水设计流量包括居住区居民生活污水设计流量、大型公共建筑生活污水设计流量和工业生产区生活污水设计流量。
（1）居住区居民生活污水设计流量Q1
计算公式如下：
（5-1）
式中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。
①居民区生活污水定额
该定额与居民生活用水定额、居住区给水排水系统的完善程度、气候、居住条件、生活习惯、生活水平及其他地方条件等诸多因素有关，包括居民生活污水定额和综合生活污水定额。
前者指居民每人每天日常生活中洗涤、冲厕、洗澡等产生的污水量[L/（cap·d）]；后者指居民生活污水和公共设施（包括学校、机关办公室、娱乐场所、宾馆、商业网点等地方）排出污水的总和[L/（cap·d）]。
居民生活污水定额和综合生活污水定额应根据当地采用的用水定额，并结合建筑内部给排水设施水平和排水系统普及程度等因素确定。
一般地区可按当地用水定额的80%计，对于给排水系统完善的地区可按90%计。
实际设计时，为简化计算，有些设计部门将市区内的污水量按比流量计算，即从单位面积上排出的日平均污水流量，以L/（s·104m2）或L/（s·ha）表示。
该值是根据人口密度和居民生活污水定额等情况定出的一个单位居住面积上排出的污水流量综合性指标。
②设计人口数
即污水排水系统设计期限终期居住区居民的人口数，作为计算污水设计流量的基本数据，取决于城市和工业企业的发展规模。
计算公式如下：
（5-2）
式中N————设计人口数，人；
p————人口密度，单位面积上的居民数，人/104m2；
F————排水区域的面积，104m2。
人口密度分为总人口密度与街坊人口密度。
若所用的地区面积包括街道、公园、运动场、水体等在内时，称总人口面积；若所用的面积为街坊内的建筑面积，即为街坊人口密度。
规划或初步设计时，应根据总人口密度计算污水量；而技术设计或施工图设计，需要计算各管段所承受的污水量时，一般采用街坊人口密度来计算。
③生活污水量总变化系数
由于居民区的生活污水量标准是一个平均值，而实际生活中，污水量是在不断变化的，因此引入变化系数（日、时、总变化系数）来表示污水量的变化程度。
a日变化系数Kd：
一年中最大日污水量与平均日污水量的比值；
b时变化系数Kh：
最大日最大时污水量与该日平均时污水量的比值；
c总变化系数Kz：
最大日最大时污水量与平均日平均时的污水量的比值。
三者关系为：
（5-3）
总变化系数值可按下表查的：
表5-1生活污水量总变化系数
污水平均日流量/L/s
≤5
15
40
70
100
200
500
≥1000
总变化系数Kz
2.3
2.0
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
注：
1.当污水平均日流量为中间数值时，总变化系数用内插法求的；
2.当居民区有实际生活污水量变化资料时，可按实际数据采用。
总变化系数与平均流量
之间的关系为：
（5-4）
（2）公共建筑生活污水设计流量Q2
某些大型公共建筑的生活污水量比较大，例如宾馆、饭店、医院、学校、公共浴池等，设计时，常将这些建筑的污水量作为几种污水量单独计算。
计算方法应按《建筑给水排水设计规范》（GB50015--2003）的规定进行计算。
（3）工业企业生活污水设计流量Q3
（5-5）
式中Q3————工业企业生活污水和淋浴污水设计流量，L/s；
A1————一般车间最大班职工人数，人；
B1————一般车间职工生活污水定额，以25L/（人·班）计；
K1————一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计；
A2————热车间和污染严重车间最大班职工人数，人；
B2————热车间和污染严重车间职工生活污水量定额，以35L/（人·班）计；
K2————热车间和污染严重车间生活污水量时变化系数，以2.5计；
C1————一般车间最大班使用淋浴的职工人数，人；
D1————一般车间的淋浴污水量定额，以40L/（人·班）计；
C2————热车间和污染严重车间最大班使用淋浴的职工人数，人；
D2————热车间和污染严重车间的淋浴污水量定额，以60L/（人·班）计；
T————每工作班工作时数，h；
淋浴按1h计。
5.3.2.2工业废水设计流量Q4
（5-6）
式中Q4————工业废水设计流量，L/s；
m————生产过程中每单位产品的废水量标准，L/单位产品；
M————产品的平均日产量，单位产品/d；
T————每日生产时数，h；
Kz————总变化系数。
工业废水量标准是指生产单位产品或加工单位数量原料所排出的平均废水量。
该标准取决于产品种类、生产工艺、单位产品用水量以及给水方式等，各个工厂的工业废水量标准有很大区别，《污水综合排放标准》（GB8978-1996）对部分行业最高允许排水定额作了明确规定。
一般情况下，工业废水量的日变化较小，日变化系数可取1，而时变化系数则可通过实测废水量最大的一天各小时流量计算确定。
一些工业企业废水量的时变化系数如表5-2所示。
表5-2工业企业废水量的是变化系数
工业类别
冶金
化工
纺织
食品
皮革
造纸
时变化系数
1.0～1.1
1.3～1.5
1.5～2.0
1.5～2.0
1.5～2.0
1.3～1.8
5.3.2.3城市污水管道系统设计总流量
城市污水管道系统设计总流量为居住区居民生活污水设计流量Q1、公共建筑生活污水设计流量Q2、工业企业生活污水设计流量Q3及工业废水设计流量Q44部分之和：
（5-7）
此计算方法的前提是假定各种污水在同一时间出现最大流量，对于管道设计理论上是合理的，但实际上各种污水的高峰流量可能相互错开而得到调节，假定的情况出现的概率非常小。
若按此种方法设计，将会在污水泵站及污水厂的设计中产生巨大浪费，因此，以各种污水混合后的最大时流量作为上述两者的设计流量才是经济合理的。
5.4污水管道的水力计算
5.4.1污水管道中污水流动的特点
通常污水靠重力流动，由支管流入干管，之后汇流于主干管，最终流入污水处理厂。
污水的分布类似河流，呈树枝状，与给水管网的环流贯通截然不同。
污水中含有一定量的悬浮物及有机物和无机物，悬浮物或漂浮于水上，或悬浮于水中，或沉积在管底内壁；有机物和无机物则按比重的不同分布在水流断面上。
由于以上原因导致污水与清水的流动有所不同，但污水中水分一般占99%以上，所含悬浮物很少，因此可假定污水的流动遵循一般流体流动的规律，即假定管道内水流是均匀流，工程设计是仍按水力学公式计算。
5.4.2水力计算的基本公式
污水管道水力计算是为了合理、经济地选择管道尺寸，坡度和埋深。
为简化计算，排水管道的水力计算采用均匀流公式，如下所示：
流量公式为：
（5-1）
流速公式为：
（5-2）
式中Q————流量（m3/s）；
ω————过水断面面积（m2）；
υ————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。
通常
（5-3）
（5-4）
式中n————管壁粗糙系数。
n值根据管壁材料确定，见表5-1。
混凝土和钢筋混凝土污水管道粗糙系数一般采用0.014.
表5-1排水管道粗糙系数
管道种类
n值
陶土管
0.013
混凝土管、钢筋混凝土管
0.013～0.014
石棉水泥管
0.012
铸铁管
0.013
钢管
0.012
水泥砂浆抹面渠道
0.013～0.014
管道种类
n值
浆砌砖渠道
0.015
浆砌块石渠道
0.017
干砌块石渠道
0.020～0.025
土明渠
0.025～0.030
木槽
0.012～0.014
5.4.3污水管道水力计算的设计参数
由水力计算公式可知，设计流量与设计流速及过水断面面积有关，而流速则与管壁粗糙系数、水力半径及水力坡度有关。
为了保证污水管道的正常运行，《室外排水设计规范》（GBJ14-87/1997）中对这些因素综合考虑，提出如下的计算控制参数。
5.4.3.1设计充满度
在设计流量下，污水在管道中的水深h与管道直径D的比值（h/D）称为设计充满度，如图5-7所示。
该值表示污水在管道中的充满程度。
当h/D=1时称为满流；h/D＜1时称为不满流。
我国按不满流进行设计，其最大设计充满度的规定如表5-2所示。
图5-7充满度示意图
表5-2
升级会员 