2第二章 沟道水力学

例 2-5 已知设计沟段长度L＝130m，地面坡度I＝ 0.0014，流量qV＝56L/s，上游沟段口径D＝350mm， 充满度h/D＝0.59，沟底高程为43.67m，地面高程为 45.48m。 求：设计沟段的口径与沟底高程。
解：覆土厚度为45.48-43.67-0.35＝1.46m。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D＝350m，查图，当D＝350mm，qV＝ 56L/s，v＝0.60m/s时，i＝0.0015，但h/D＝0.95>0.65 不合格。当h/D＝0.65时，v＝0.85m/s，i＝0.0030>I＝ 31 0.0014，不很理想。
采用水面平接: 设计沟段的下端沟底高程: 43.67+0.350 0.59＝43.877(m) 设计沟段的上端沟底高程: 43.877-0.65 0.350＝43.650(m) 设计沟段下端沟底高程: 43.650-130 0.0030＝43.260(m) （2）令D＝400mm,查图,当D＝400mm，qV＝56L/s， v＝0.60m/s时，i＝0.0012，但h/D＝0.70>0.65，不符合规 定；当h/D＝0.65时，i＝0.00145，v＝0.65m/s,符合要求。 沟管坡度接近地面坡度I＝0.0014。 采用沟顶平接:
管径或渠高/mm
200~300 350~450 500~900
最大设计充满度(h/D或h/H)
0.55 0.65 0.70
1000
0.75
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二、设计流速 设计流速是沟道中流量到达设计流量时的水流 速度。 污水沟道的最小设计流速为0.6m/s；明沟的最 小设计流速为0.4m/s。最大设计流速混凝土管为 5m/s，钢管为10m/s 。 防止淤积所需的沟道设计流速的最小限值同废 水中夹带的悬浮物的性质(颗粒大小、相对密度)有 关。 各设计沟段的设计流速从上游到下游最好是逐 17 渐增加的。
2
水流在沟道流动时，水流上方是大气，具有 自由的表面，而其他三个方向受到沟道固体界面 的限制，称明渠流或重力流。
沟道有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。
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第二节 污水沟道水力学 设计的原则
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计算 确定
管径 坡度 高程 不溢流 -采用最大流 量进行设计 -有最低流速 限制 -有最高流速 限制
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采用沟顶平接: 设计沟段上端沟底高程：44.220+0.300-0.350＝44.170(m)
设计沟段的下端沟底高程：44.170-240 0.0015＝43.810(m)
检验： 上游沟段下端水面高程： 44.220+0.300 0.55＝44.385(m)
设计沟段上端水面高程： 44.170+0.65 0.350＝44.398(m)
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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)，上游沟段D ＝400m，和h/D＝0.61，其下端沟底高程为43.40m，覆 土厚度0.7m。如下图所示： 求：管径与沟底高程。 Nhomakorabea35
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。估计设计沟段坡度 将小于地面坡度，且口径可小于上游沟段。
43.880高于43.877，虽不符合要求，但可接受(下端沟底 施工高程略低于计算值)。
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（3）从本设计沟段的造价而论，第一答案可能比第 二答案便宜；但是，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，以后还有很长的沟段以及覆土厚度 大于0.7m较多时，宜采用第二答案。
44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。
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（2）令D＝400 mm,查图,当D＝400mm，qV＝40L/s， v＝0.6m/s时，h/D＝0.53，i＝0.00145。与D＝350mm相比 较，沟管设计坡度基本相同，沟管容积未充分利用，沟 管埋深反而增加0.05m。另外，沟管口径一般不跳级增加， 所以D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。 （3）沟底高程修正：采用水面平接。 上流沟段的下端水面高程: 44.22+0.3 0.55＝44.385(m) 设计沟段的上端沟底高程: 44.385-0.35 0.65＝44.158(m) 设计沟段的下端沟底高程: 44.158-240 0.0015＝43.798(m) 30
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水力学计算要 满足下列要求
不淤积 不冲洗沟壁
通风
第三节 沟道水力学计算用的 基本公式
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设计管段是相邻的两个窨井间的沟段。 当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时， 可以合并为一条设计沟段。
qv——设计沟段的设计流量， m3/s；
流量公式：
A——设计沟段的过水断面面
qV Av
流速公式：
积，m2 ； v——设计沟段过水断面的平均 流速，m/s ； R——水力半径（过水断面面 积与湿周的比值），m ；
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第六节 沟段的衔接
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衔接原则： （1）尽可能提高下游沟段的高程，以减少埋深， 从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要；
（2）避免在上游沟段中形成回水而造成淤积；
（3）不允许下游沟段的沟底高于上游沟段的沟底。
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沟顶平接 衔接 方法 水面平接 沟底平接 不应 发生 下游沟底高于上游沟底 下游水位高于上游水位
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第七节 沟段水力学计算举例
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例 2-4 已知设计沟段长度L为240m；地面坡度I为 0.0024；流量qV为40L/s，上游沟段管径D＝300mm， 充满度h/D为0.55，沟底高程为44.22m，地面高程为 46.06m，覆土厚度为1.54m。 求：设计沟段的口径和沟底高程。
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解：由于上游沟段的覆土厚度较大，设计沟段 坡度应尽量小于地面坡度以减少埋深。 （1）令D＝300mm， 查图，当D＝300mm， qV＝40L/s，h/D=0.55时， i＝0.0058>I＝0.0024， 不符合本题应尽量减少 埋深的原则；令v＝ 0.6m/s时，h/D＝ 0.90>0.55，也不符合要 求。
（1）令D＝400mm，i＝0.008，h/D＝0.65时，查 图得qV＝133L/s>66L/s。
（2）令D＝350mm，i＝I＝0.008，h/D＝0.65时， 查图得qV＝91L/s>66L/s。
（3）令D＝300mm， i＝I＝0.008，h/D＝0.55时， 查图得qV＝47L/s＜66L/s。
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（4）可以选用D＝350mm， i＝0.008。规范规定，在地 面坡度变陡处，沟道管径可以较上游小1或2级。下面计算 沟底高程。
D=350mm，qV=66L/s，I＝0.008 时，查图得：h/D 0.53, v=1.28m/s，合格。 采用沟底平接: 设计沟段上端沟底高程＝上游沟段下端沟底高程＝43.40(m) 设计沟段下端沟底高程: 43.40-190 0.008＝41.88(m) （5）如果采用地面坡度作为设计坡度，设计流速超过最 大流速，这时沟道设计坡度必须减少，并且设计沟段上端 37 窨井应采用跌水井。
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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，采用教材图2-2 。
（2）找出代表qV＝26L/s的那根竖线。
（3） 找出代表i＝0.003的那根横线。 （4） 找出这两根线的交点，这交点落在代表v＝ 0.7m/s和v＝0.75m/s的两根斜线之间。假如有一根和 以上两根斜线平行的线正好穿过这交点，估计这根线 代表v=0.71m/s。求得v＝0.71m/s。
1 23 12 v R I n
I——水力坡度（即水面坡度， 也等于沟底坡度i） ； n——沟壁粗糙系数。
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第四节 水力学算图
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水力学算图有不满流圆形沟道水力学算图、 满流圆形沟道水力学算图、满流矩形水力学算 图和明渠流用的水力学算图等。
例 2-1 已知n＝0.014，D＝300mm，i＝ 0.0024，qV＝25.5L/s，求v和h/D。
（4）这两根线的交点落在代表i＝0.0057的横线 上，求得i＝0.0057。
（5）这交点又落在h/D＝0.53的斜线上，求得 h/D＝0.53。
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第五节
沟道水力学设计数据
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设计充满度
沟道中的水深h和管径D（或渠 深H）的比值。
充满度示意
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一、设计充满度
沟道是按不满流的情况进行设计的。在设计 流量下，沟道中的水深h和管径D（或渠深H）的 比值c称为设计充满度。 最大设计充满度
（5）这交点又落在代表h/D＝0.50和0.55两根斜线之 12 间，估计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，采用教材图2-2 。 （2）找出代表qV＝38L/s的那根竖线。 （3）找出代表v＝1.0m/s的那根斜线。
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因设计流量很小而采用的最小管径的设计沟 段称为不计算沟段。
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五、沟道的埋设深度和覆土厚度
沟道的埋设深度是指沟底的内壁到地面的距离。 在干燥土壤中，沟道最大埋深一般不超过7~8m； 在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。
沟道的覆土厚度是指沟顶的外壁到地面的距离。 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 决定最小覆土 厚度的因素 必须防止沟壁被车辆造成的活荷 载压坏
第二章 沟道水力学
第一节 沟道中的水流情况 第二节 污水沟道水力学设计的原则 第三节 沟道水力学计算用的基本公式 第四节 水力学算图 第五节 沟道水力学设计数据 第六节 沟段的衔接 第七节 沟段水力学计算举例 第八节 倒虹管水力学计算举例 第九节 常用排水泵 第十节 排水泵站水力学计算举例