第2章排水管渠水力计算详解
《排水管渠水力计算》课件
新材料、新工艺在排水管渠水力计算中的应用前景
新材料：高强度、 耐腐蚀、轻质等 特性，提高排水 管渠的耐久性和
安全性
新工艺：自动化、 智能化、数字化 等新技术，提高 排水管渠水力计 算的准确性和效
现状：目前排水管渠水力计算主要采用数值模拟和物理模型相结合的方法，但存在计算精度和效 率的问题。
发展趋势：未来排水管渠水力计算将更加注重计算精度和效率的提升，同时将引入人工智能和大 数据等技术，提高计算速度和准确性。
展望：未来排水管渠水力计算技术将更加智能化、高效化，为城市排水系统的设计和运行提供更 加准确的数据和决策支持。
管道压力和坡度的计算公式
管道压力计算公式：P=ρgh
流速计算公式：v=Q/A
坡度计算公式：i=h/l
水头损失计算公式：Δh=f*L/D^2
流量计算公式：Q=A*v
管道阻力计算公式：f=λ/D^5.33
管道阻力和水头的计算公式
管道阻力： R=1/2*ρ*v ^2/d
水头损失： H=R*L
管道水头： H=H1+H2 +H3
计算结果：计算 出管渠的排水能 力为1000立方米 /小时，满足城市 排水需求
某工业区排水管渠水力计算案例
工业区概况：占地面积、建筑物数量、排水量 等
计算结果：最大流量、最小流量、最大流速等
排水管渠设计：管径、坡度、材质等
设计优化：根据计算结果进行设计优化，如调 整管径、坡度等
水力计算方法：采用何种水力计算方法，如曼 宁公式、谢才公式等
率
应用前景：新材 料、新工艺在排 水管渠水力计算 中的应用，将推 动排水管渠行业 的技术进步和产
水力学计算
最大埋深干燥土7-8m，多水砂地区，5m。应该尽量减少埋 深。
最小覆土厚度, 防止污水冰冻和土壤冰冻破坏管道, 防止车辆 动荷载压坏管道, 满足支管衔接. 无保温的生活污水或工业废
水, 管底在冰冻线下. 荷载方面，在车行道下, >0.7m; 人行道
>0.6m. 返回
5. 管段的衔接
5. 管段的衔接
D h
4.管渠水力设计参数
最大设计充满度
Water Pollution Control Engineering
雨水管道和合流管道应按满流计算
4.管渠水力设计参数
(2on Control Engineering
排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定：
1. 污水管道在设计充满度下为0.6 m/s； 2. 雨水管道和合流管道在满流时为0.75 m/s； 3. 明渠为0.4m/s。
6. 管段水力计算
Water Pollution Control Engineering
比较D=350mm和D=400mm，D=350mm更合适，如果
采用400, 则由设计坡度减小引起的管道埋深的减小为
240m×0.0001=0.024m，而管道管径与350相比却增加
0.05m；此外管道容积未充分利用，h/D由0.65降为0.53； 除非流量突然剧烈增加，否则一般不跳级增加管道管 径。
求流速和充满度。需要注意当交点不是正好在线
上需要估计数值。
例题2-3，n=0.014，D=300，Q=38L/s，v=1.0m/s，
查图得到h/D=0.55, i=0.0055。
例题2-2
例题2-3
Water Pollution Control Engineering
第二章排水管渠水力学计算解读
①必须防止沟道中的污水冰冻和因土壤冰冻膨 胀而损坏沟道； ②必须防止沟壁被车辆造成的活荷重压坏；
③必须满足支沟在衔接上的要求。
街沟的最小土厚度可用下式计算：
d h iL h1 h2
d ——街沟的最小覆土厚度，m；
h ——街区或厂区内的污水沟道起端的最小埋深，m；
例1 已知n=0.014,D=300mm, h/D =0.55,Q=32L/s,求v和I 。
第四节 管渠水力学设计主要参数
污水管道的水力计算
三、污水管道水力计算的设计规定
设计充满度（h/D） 设计流速（v） 最小管径（D） 最小设计坡度（i）
（1）设计充满度（h/D）
——指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。
能出现这种情况)，也可采用管顶平接。
通常，同管径管段往往是下游管段 的充盈深大于上游管段的允盈深， 避免上游管段中形成回水而采用水 面平接。 在平坦地区，为了减少管道埋深， 异管径的管段有时也采用水面平接 或充满度0.8处平接。
当异管径管段采用管顶平接而发现 下游管段的水面高于上游管段的水 面时(这种情况并不常见)，应改用 水面平接。
解：(1) 确定倒虹管口径 倒虹管中水流流速应大于上游沟道， 以防淤积， 故管径采用 800mm。 查满流沟管水力学算图，得：当 qV＝500 L/s，D＝800 mm 时，i＝0.00143，v＝1.0m/s。 （2）确定下游沟底高程
（2）确定下游沟底高程 倒虹管进水井上游沟管与出水井下游沟管间的水位差：Biblioteka 第一节 污水管渠水力设计原则
不溢流 不淤积 不冲刷沟壁 要注意通风
排水管渠水力计算
例2-1 已知n=0.014，D=300mm， i=0.0024，Q=25.5L/s，求v和h/D。
充满度（h/D）：0.55
坡度
流速:0.65
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排水管渠水力计算
流量
17
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排水管渠水力计算
18
例2-2：已知n=0.014，D=300mm，Q=26L/s，i=0.003，求 充满度（h/D）：0.52 坡度 v和h/D。
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管顶平接 水面平接 衔接的方式 管底平接 跌水连接
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排水管渠水力计算
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上游管段终端和下游管段起端 的管顶标高相同 上游管段不会形成回水；但下 游管段埋深增加 一般情况下，小管接大管（下 游管径上游管径）采用。 当等径管段下游充满度小于上 游充满度时（平→陡坡段）， 也可采用。 上游管段管内底高程＋上游管径
上下游管道管径 相同或 下游水位高于上 游水位时或 地形平坦及地下 水位较高地区
上游管段管内底高程＋上游水深 ＝ 下游管段管内底高程＋下游水深
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上游管段和下游管段的管 底内壁高程相同 适用：管道敷设地区的地 面突然变得非常陡峭时， 上游管段管内底高程 为减少埋深，管道敷设坡 ＝ 度增加，水流速度加大， 下游管段管内底高程
一矩形渠道宽为2.75m,当渠深为0.5m时，求 水力半径R。
d w
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排水管渠水力计算
11
等腰梯形渠道底宽为1.5 m，两旁斜度是水平 X/垂直d＝1.5（边坡为1：1.5）， 当渠深为 1.62 m时，求水力半径R。
排水管道纯公式水力计算
排水管道纯公式水力计算排水管道水力计算是指根据管道的水力特性和流体力学原理，计算管道内流体的速度、压力、流量等参数，以确定管道的水力性能。
下面将介绍一些常见的排水管道水力计算公式，并对其进行说明。
1.流量公式：流量是指单位时间内通过管道截面的液体体积。
流量公式可以用来计算流量，其表示为：Q=A*v式中，Q表示流量，单位为体积/时间；A表示管道截面积，单位为面积；v表示流速，单位为长度/时间。
该公式根据负责流量为截面面积与流速的乘积。
2.流速公式：流速是指单位时间内通过管道其中一点的液体线速度。
流速公式可以用来计算流速，其表示为：v=Q/A式中，v表示流速；Q表示流量；A表示管道截面积。
3.斯怀默公式：斯怀默公式用来计算管道中的流速，其表示为：v=C*R^(2/3)*S^(1/2)式中，v表示流速，单位为长度/时间；C为经验系数（一般根据实际情况取值）；R表示液体在管道内运动的惯性系数；S表示液体在管道内运动的能量消耗系数。
4.伯努利方程：伯努利方程是描述流体在管道中运动的一种基本物理原理。
对于水力平衡的平稳流动有：z+(P/γ)+(v^2/2g)=常数式中，z表示位置高度；P表示压力；γ表示液体的比重；v表示流速；g表示重力加速度。
该方程表达了位置高度、压力和速度之间的关系。
5.里德伯格公式：里德伯格公式用来计算管道中的摩阻损失，其表示为：Hf=f*(L/D)*(v^2/2g)式中，Hf表示摩阻损失；f表示摩阻系数；L表示管道长度；D表示管道直径；v表示流速；g表示重力加速度。
以上是一些常见的排水管道水力计算公式，用于计算排水管道的流量、流速、摩阻损失等参数。
在实际应用中，还可以根据具体情况选择适用的公式进行计算。
需要注意的是，公式的使用需要考虑实际情况，并结合实际数据进行合理调整，以保证计算结果的准确性。
给排水系统的水力计算方法
给排水系统的水力计算方法在建筑物的给排水系统设计中，水力计算是非常重要的一环。
通过合理的水力计算，可以确保给排水设备运行正常，提供稳定的水流和充足的水压，从而满足建筑物的日常用水需要。
本文将介绍给排水系统水力计算的基本原理和方法。
一、水力计算的基本原理水力计算是根据流体力学的基本原理，通过考虑系统中各个元件之间的水流阻力和水流动力等因素，计算出给排水管道系统中的水流速度、水压、流量等参数。
水力计算的目标是确保在设计工作条件下，给排水系统中的水流能够保持正常、平稳的运行。
二、水力计算的步骤1. 收集设计参数：首先需要收集建筑物的相关设计参数，包括供水设备的流量、水压要求，排水设备的流量要求等。
这些参数将作为水力计算的基础。
2. 选择管道材料和管径：根据设计需求和已有条件，选择适当的管道材料和管径。
常用的给水管道材料有PVC、钢管等，排水管道材料有PVC、铸铁管等。
管道的管径选择应考虑流量和水压要求。
3. 确定水流速度和管道截面积：根据设计需求和管道材料，确定水流速度和管道截面积。
流速的选择应使水流保持在合理范围内，并避免过高或过低。
管道截面积的计算应符合流量和流速的要求。
4. 计算水流阻力：根据管道长度、管道材料和截面积等参数，计算出给排水管道中水流的阻力。
常用的方法有Darcy-Weisbach公式和Hazen-Williams公式等。
5. 求解水流参数：根据系统中各个元件的水流阻力和其他因素，求解出水流的速度、水压、流量等参数。
可以使用数值计算方法，如有限元法、CFD模拟等，也可以使用经验公式进行近似计算。
6. 评估设计方案：根据水力计算结果，评估设计方案的合理性。
如果计算结果符合设计要求，即可认为设计方案是可行的；如果计算结果不符合要求，则需要调整设计参数或采用其他方案。
三、常用的水力计算方法1. Darcy-Weisbach公式：该公式是一种经验公式，用于计算管道中的水流阻力。
计算公式如下：f = (2 * L * V^2 * R) / (g * D^5)其中，f为摩擦系数，L为管道长度，V为水流速度，R为管道摩擦阻力系数，g为重力加速度，D为管道直径。
排水管渠水力计算课件
与相关领域的联系与互动
01
与城市规划的互动
排水管渠水力计算是城市规划的重要 组成部分，其结果可以用来指导城市 规划的制定和实施，提高城市的生态 环境和居住质量。
降低环境污染风险 通过水力计算，可以预测和控制排水管渠中的水流状态， 避免因水流冲击或沉淀物堆积而产生的环境污染问题。
排水管渠水力计算的基本概念
01
02
03
04
流量
指单位时间内通过管道横截面 的流体体积，通常用Q表示，
单位为m³/s。
流速
指管道中流体在单位时间内沿 管道轴线移动的距离，通常用
v表示，单位为m/s。
设计重现期
设计重现期是指在设计流量时考 虑的降雨重现期，即设计流量是 在多少年一遇的降雨条件下能够
安全排出。
管渠坡度
最小坡度
最小坡度是指排水管渠在设计条件下应保持的最小坡度，以保证水流能够顺畅 流动。
最大坡度
最大坡度是指排水管渠在设计条件下应保持的最大坡度，以避免水流速度过快 导致冲刷和侵蚀。
管渠材料及管径选择
优点
推理公式法具有简单、直观、易于掌握的优点，同时能够反映管渠 水流的实际情况，因此在工程实践中得到广泛应用。
缺点
由于推理公式法基于一定的假设条件，因此对于复杂的水流情况或非 典型条件下的管渠水力计算，其计算结果可能存在误差。
实用经验法
01 02
定义
实用经验法是一种基于大量实验数据和工程实践经验的方法，通过总结 归纳实验结果和工程实践经验，得出适用于特定情况的水力计算公式和 方法。
高廷耀《水污染控制工程》(第4版)(上册)配套题库-章节题库】-第二章 排水管渠水力计算【圣才出品】
第二章排水管渠水力计算一、选择题1．下列不是引起局部阻力损失原因的是（）。
A．转弯B．分枝C．管径放大D．管壁粗糙【答案】D【解析】局部阻力损失是指由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失。
通常在管道的进出口、变截面管道、管道的连接处等部位，都会发生局部水头损失。
管壁粗糙引起的是沿程水头损失。
2．下列判断正确的是（）。
A．当流量一定，流速减小则管径减小，水头损失也减小B．当流量一定，流速减小则管径增大，水头损失也增大C．当流量一定，流速减小则管径减小，水头损失增大D．当流量一定，流速减小则管径增大，水头损失却减小【答案】D【解析】由d=知，流量Q不变、v减小时，管径d增大；又由22fl vhd gλ=知，d增大、v减小，则沿程水头损失减小。
二、填空题1．为了保证管渠能正常运行，以顺利地收集和输送生活污水和工业废水，管渠水力计算要满足______，______，______和______。
【答案】不溢流；不淤积；不冲刷管壁；要注意通风【解析】为了保证管渠能正常运行，以顺利地收集和输送生活污水和工业废水，管渠水力计算要满足下列要求：①不溢流，由于生活污水和工业废水从管渠中溢流到地面将污染环境，因此污水管渠是不允许溢流的；②不淤积，当管渠中水流的速度太小时，水流中的固体杂质就要下沉，淤积在管渠中，会降低管渠的输送能力，甚至造成堵塞；③不冲刷管壁，当管渠水流速度过大时，会冲刷和损坏管渠内壁；④要注意通风，在管渠中的水面之上保留一部分空间，作为通风排气的通道，并为不溢流留有余地。
2．水力学图计算的6个水力要素是______，______，______，______，______和______。
【答案】管径D；粗糙系数n；充满度h/D；水力坡度即管底坡度i；流量Q；流速υ【解析】对每一个设计管段，有6个水力要素，分别为管径D，粗糙系数n，充满度h/D，水力坡度即管底坡度i，流量Q和流速υ。
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流量公式： 流速公式：
Q Av 1 3 1 v R I2 n
2
（2-1） （2-2）
对于一个设计管段有六个水力要素： 管径D、粗糙系数n、充满度h/D、 水力坡度（管底坡度）i、流量Q、流速v
水污染控制工程（上册）课件
1、设计充满度（h/D） 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。 h/D =1时，满流 h D h/D <1时，非满流
水污染控制工程（上册）课件
2、设计流速（v） 与设计流量、设计充满度相对应的水流平均流速称为 设计流速。 为保证污水管道不淤不冲，设计流速不能太大也不能 太小。 （1）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，一般最小设计流速为0.6m/s；明渠 最小设计流速为0.4m/s。 （2）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。
水污染控制工程（上册）课件
5、污水管道的埋设深度和覆土厚度 管道埋深的表达方式： 1. 覆土厚度：是指管道外壁顶部 到地面的距离。 2. 埋设深度：是指管道内壁底部 到地面的距离。
地面 覆 土度越小，工程的造价越低，工期越短；但 管道埋设深度不能过小，其覆土厚度应有一个最小的限值， 该最小限值称为最小覆土厚度。
水污染控制工程（上册）课件
第2章 排水管渠水力计算
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 污水管渠水力设计原则 管渠水力计算基本公式 管段水力设计主要参数 管段的衔接 水力学算图 管段水力计算 倒虹管水力计算
水污染控制工程（上册）课件
2.1 污水管渠水力设计原则
一、不溢流（Q、充满度h/D） 二、不淤积（Vmin） 三、不冲刷管壁（Vmax） 四、要注意通风（充满度h/D）
③ 满足街坊污水连接管衔接的要求
街道污水支管起端的最小埋深可由下式计算：
H h IL Z1 Z 2 h
水污染控制工程（上册）课件
2.2 管渠水力计算基本公式
设计管渠时，是根据水力学（流体力学）原理进行水 力计算来决定管渠的管径、坡度和检查井处的管底高程。 对于两个检查井之间的连续管段，如果采用的设计流 量不变，且采用同样的管径和坡度，则这样的连续管段就
称为设计管段。设计管段两端的检查井称为设计管段的起
我国《室外排水设计规范》（GB 50014－2006）规定， 污水管道按非满流进行设计。
水污染控制工程（上册）课件
污水管道按非满流设计，为什么？ （1）污水流量很难精确计算，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； （2）污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害及易 爆气体，需留出适当的空间，以利管道内的通风，排除有 害及易爆气体； （3）便于管道的清理和养护管理。
水污染控制工程（上册）课件
3、最小设计坡度（i） 相应于管道内流速为最小设计流速时的坡度称为最小 设计坡度。 设计充满度一定时，管径越大，最小设计坡度越小。
v C RI
v2 n 2v 2 n 2v 2 I 2 4 4 C R R 3 （ D） 3 4
我国《室外排水设计规范》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。
经验确定。
水污染控制工程（上册）课件
② 防止管壁因地面荷载而破坏
动荷载
静荷载
0.7m
管道的这一覆土厚度取决于管材强度、地面荷载大小 以及荷载的传递方式等因素。 《室外排水设计规范》规定，在车行道下，污水管道
最小覆土厚度不宜小于0.7m。非车行道下污水管道的最小
覆土厚度可适当减小。
水污染控制工程（上册）课件
水污染控制工程（上册）课件
① 防止土壤冰冻膨胀而损坏管道 《室外排水设计规范》规定，冰冻层内污水管道的埋 设深度，应根据流量、水温、水流情况和敷设位置等因素 确定，一般应符合下列规定： （1）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。
（2）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
水污染控制工程（上册）课件
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 0.55 0.65 0.70 0.75
在进行水力计算时，所选用的充满度，应小于或等于 表中所规定的数值。为了节约管材，选用的设计充满度一 般最好不小于0.5。
对于明渠，设计规范规定设计超高（即渠中水面到渠 顶的高度）不小于0.2m。
2 3 1 2
（2-1） （2-2）
Q——设计管段设计流量，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——设计管段过水断面的水力半径，m；
I ——水力坡度； n——管壁粗糙系数（见表2-1）。
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2.3 管渠水力设计主要参数
止检查井（简称起迄点）。 两个检查井之间的管段称为设计管段。 采用同样管径和坡度的管段称为设计管段。
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在不长的设计管段上，当流量没有很大变化，管渠内 没有大量沉积物时，管渠中水流流态接近均匀流，所以计 算时采用均匀流公式。
流量公式： 流速公式：
式中
Q Av 1 v R I n
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4、最小管径（D）
一般在污水管道系统的上游部分，为了防止管道因管 径过小而堵塞、减小管道埋深，常规定一个允许的最小管 径。 我国《室外排水设计规范》规定： 污水管道在街坊和厂区内的最小管径为200mm，在街 道下的最小管径为300mm。 在污水管道的设计过程中，若某设计管段的设计流量 小于其在最小管径、最小设计流速和最大设计充满度条件 下管道通过的流量，则这样的管段称为不计算管段。直接 采用最小管径，以及与管径相应的最小设计坡度，最小设 计流速，设计充满度取半满流，即h/D=0.5。