污水管网水力计算及工程设计
污水管道系统的工程设计包括：①设计基础数据的收集；②污水管道系统的平面布置；③污水管道设计流量计算和水力计算；④污水管道系统附属构筑物的选择与设计；⑤污水管道在街道横断面上位置的确定；⑥绘制污水管道系统平面图和纵剖面图。
1.污水管道设计方案的确定
⑴设计资料的调查
进行排水工程设计时，通常需要有以下几方面的基础资料：
①有关明确任务的资料；
②有关自然因素方面的资料地形图，气象资料，水文资料地质资料等。
③有关工程情况的资料
包括道路的现状和规划，地面建筑物和地铁及其它地下建筑的位置和高程，各种地下管线的位置，本地区建筑材料、管道制品以及电力供应的情况和价格，安装单位的等级和装备情况等。
⑵设计方案的确定
在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，设计人员根据工程的要求和特点，对工程中一些原则性的、涉及面较广的问题提出了不同的解决办法，这样就构成了不同的设计方案。对提出的设计方案需要进行技术经济评价，其步骤和方法是：①建立方案的技术经济数学模型；②解技术经济数学模型；③方案的技术经济比较；④综合评价与决策。
2.污水管网的水力计算
包括以下几个方面：
⑴污水设计流量的确定
城市污水总的设计流量是居住区生活污水、工业企业生活污水和工业废水设计流量三部分之和，在地下水位较高的地区，还应加入地下水涌入量。当设计污水管道系统时，应分别列表计算各居住区生活污水、工业废水和工厂生活污水设计流量，然后得出污水设计流量综合表。
⑵污水管道的水力计算
①水力计算的基本公式
污水管道水力计算的目的，在于合理的经济的选择管道断面尺寸、坡度和埋深。
②污水管道水力计算的设计数据
设计充满度：指的是在设计流量下，污水在管道中的水深和管道直径的比值。设计流速：和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度叫做设计流速。为了防止管道中产生淤积或冲刷，设计流速不宜过小或过大，应在最大和最小设计流速范围之内。最小管径：一般在污水管道系统的上游部分，设计污水流量很小，若根据流量计算，则管径会很小，且易堵塞，因此，为了养护的方便，常规定一个允许的最小管径最小设计坡度：在污水管道系统设计时，通常使管道埋设坡度与设计地区的地面坡度基本一致，但管道坡度造成的流速应等于或大于最小设计流速，以防止管道内产生沉淀，因此，将相应于管内流速为最小设计流速时的管道坡度称为最小设计坡度。
③污水管道的埋设深度
通常，污水管网占污水工程总投资的50％～75％，在实际工程中，同一直径的管道，采用的管材、接口和基础型式均相同，因其埋设深度不同，管道单位长度的工程费用相差比较大。因此，合理地确定管道埋深对于降低工程造价是十分重要的。
④污水管道水力计算的方法
在进行污水管道水力计算时，通常污水设计流量为已知值，需要确定管道的断面尺寸和敷设坡度。为了使水力计算获得较为满意的结果，必须认真分析设计地区的地形等条件，并充分考虑水力计算设计数据的有关规定。所选择的管道断面尺寸，必须要在规定的设计充满度和设计流速的情况下，能够排泄设计流量。管道坡度应参照地面坡度和最小坡度的规定确定。一方面要使管道尽可能与地面坡度平行敷设，这样可以不增大埋深，另一方面又要保证管道坡度不能小于最小设计坡度的规定，以免管道内的流速达不到最小设计流速而产生淤积。此外，为了防止管壁受到冲刷，应避免管道的坡度太大而使流速大于最大设计流速。在具体计算中，已知设计流量Q和管道粗糙系数n，需要求管径D、水力半径R、充满度、管道坡度和流速。两个方程式中有5个未知数，因此必须先假定3个求其它两个，计算复杂，为了简化计算，常采用水力计算图，即把流量、管径、坡度、流速、充满度、粗糙系数各水力因素之间的关系绘制成的水力计算图。对每一张图表来说，管径和粗糙系数已知，图上的曲线表示流量、流速、坡度以及充满度之间的关系，在这4个因素中，知道其中两个就可以查出其它两个。应掌握水力计算图的使用方法。
例1：已知粗糙系数为0.014，流量为32L/s，管径为300mm，充满度为0.55，求流速和坡度。
解：首先找到管径为300mm的那张图，在图上有四组线条，竖线表示流量，横线表示水力坡度，从左向右下倾的斜线表示流速，从右向左下倾的斜线表示充满度。每条线上的数字代表相应的数值。从图中找出流量为32L/s的竖线和充满度为0.55的那条斜线，两线相交的点落在坡度为0.0038的那横线上，则坡度为0.0038，落在流速为0.8m/s和0.85m/s之间，估计为0.81m/s。
例2：已知粗糙系数为0.014，管径为400mm，流量为41L/s，流速为0.9m/s，求坡度和充满度。
解：采用管径为400mm那张图，找出流量为41L/s的那条竖线和流速为0.9m/s的那条斜线，两线的交点落在代表坡度为0.0043的那条横线上，则坡度为0.0043，落在充满度为0.35与0.4两条斜线之间，估计充满度为0.39。
3.污水管道的设计
⑴确定排水区界，划分排水流域
排水区界是污水排水系统设置的界限，是根据城镇总体规划设计规模决定的。在排水区界内，根据地形及城市的竖向规划，划分排水流域。每一个排水流域往往有一个或一个以上的干管，根据流域地势标明水流方向和污水需要抽升的地区。
⑵管道定线和平面布置的组合
在城镇总平面图上确定污水管道的位置和走向，称为污水管道系统的定线。管道定线一般按主干管、干管和支管的顺序依次进行。定线的主要原则是：尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出。定线时应充分利用地形，使管道的走向符合地形趋势，一般宜顺坡排水。应选择最适当的定线位置，使之既能尽量减小埋深，又可少建泵站。
⑶控制点的确定和泵站的设置地点
确定控制点的标高，一方面应根据城市的竖向规划，保证排水区域内各点的污水都能够排出，并考虑发展，在埋深上适当留有余地。
⑷设计管段及设计流量的确定
①设计管段及其划分
根据管道平面布置图，凡有集中流量进入，有旁侧管道接入的检查井均可作为设计管段的起迄点，设计管段的起迄点应编上号码。
②设计管段的设计流量
每一设计管段可能包括本段流量、转输流量和集中流量，对于某一设计管段而言，本段流量沿线是变化的，即从管段起点的零增加到终的全部流量，为了计算的方使，通常假定本段流量集中在起点进入设计管段，它接受本管段服务地区的全部污水流量。
⑸污水管道的衔接
污水管道在管径、坡度、高程和方向发生变化及支管接入的地方都需要设置检查井，在设计时必须考虑在检查井内上下游管道衔接时的高程关系问题，管道在衔接时应遵循的原则是：尽可能提高下游管段的高程，以减少管道埋深，降低造价，避免上游管段中形成回水而造成淤积。管道衔接的方法，通常有水面平接和管顶平接两种。
⑹污水管道在街道上的位置
在城市道路下，有许多管线工程，为了合理安排污水管道在其空间的位置，必须在各单项管线工程规划的基础上，进行综合规划，统筹安排，以利施工和日后的维护管理。污水管道与其它地下管线或构筑物的水平和垂直最小净距，最好由城市规划部门或工业企业内部管道综合部门根据其管线类型和数量、高程、可敷设管线的位置等因素制订管线的综合设计。另外，污水管线与其他地下管线或构筑物的最小净距应满足规范要求。
⑺污水管道的设计计算步骤
①排水系统总平面设计，即确定污水厂位置和排水出路，在城市或小区平面图上布置排水干管、支管以及进行街区编号并计算干管的汇水面积。②干、支管线的平面设计。③确定设计标准。④确定设计流量。⑤进行水力计算，根据已经确定管道路线以及各设计管段的设计流量，进行各设计管段的管径、坡度、流速、充满度和井底高程的计算，确定设计流量后，依次进行干管各设计管段的水力计算。⑥绘制管道平面图和纵剖面图
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