排水管网设计案例

一、排水系统布置形式的选择


1.0.4 排水体制(combined sewers or separate sewers)的选择,应符合下列规定:

  1. 根据城镇的总体规划,结合当地的地形特点、水文条件、水体状况、气候特征、原有排水设施、污水处理程度和处理后出水利用等综合考虑后确定。
  2. 同一城镇的不同地区可采用不同的排水体制。
  3. 除降雨量少(年均降雨量小于300mm)的干旱地区外,新建地区的排水系统应采用分流制。
  4. 现有合流制排水系统,应按城镇排水规划的要求,实施雨污分流改造。
  5. 暂时不具备雨污分流条件的地区,应采取截流、调蓄和处理相结合的措施,提高截流倍数,加强降雨初期的污染防治。

教材补充:

在街道较窄、地下设施较多、修建污水和雨水两条管线有困难的地区或在雨水稀少如年降雨量在300mm以下,废水全部处理的地区,采用合流制排水系统有时可能是有利和合理的。


布置形式的选择
布置形式的选择


二、污水管渠系统流量计算

分流制(separate sewers)

$$ 污水管渠设计流量=综合生活污水设计流量+工业废水设计流量+入渗地下水量=平均日综合生活污水量×综合生活污水总变化系数 +平均日工业废水量×工业废水总变化系数 +入渗地下水量 $$

1、综合生活污水设计流量

计算公式:$D_h=\frac{n×N}{24×3600}×K_z$

  • $Q_h$:综合生活污水设计流量,L/s;(wastewater flow norm)
  • $n$:综合生活污水定额,L/(人·d);
  • $N$:设计人口数,人;
  • $K_z$:生活污水量总变化系数。

$N$为设计终期规划人口数,一般根据城镇总体规划来确定,有以下两种计算方式:

  • $N=总人口密度×总面积(包括街道、公园、运动场、水体等在内)$,用来规划or初步设计;
  • $N=截取人口密度×建筑面积$,技术or施工设计,考试一般默认就是截取人口密度。

$n$为综合生活污水定额。平均日综合生活污水量包含居民生活污水量公建污水量(括娱乐场所、宾馆、浴室、商业网点、学校和办公楼等地方),有以下四种计算方式:

  • $=平均日居民生活污水量+平均日公建污水量$
  • $=平均日综合生活污水定额×N$
  • $=平均日综合生活给水定额×N×排水系数$(参规范3.1.2条)
  • $=平均日居民生活污水定额×N+平均日公建污水量$

注意:08年以前都是采用的居民生活污水定额,不是综合生活污水定额。

3.1.2 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,结合建筑内部给排水设施水平确定,可按当地相关用水定额的80%~90%采用。

条文说明:建筑内部给排水设施水平较高的地区,可按用水定额的90%计,一般水平的可按用水定额的80%计。

总变化系数$K_z$可按规范3.1.3条计算,求$K_z$所用的综合生活污水量应为该设计管道所排除(收集)的平均日综合生活污水总量,且单位是L/s,总变化系数与时变化系数及日变化系数按公式$K_z=K_d×K_h$相互转化。(日变化系数:daily variation coefficient、时变化系数:hourly variation coefficient)

**表3.1.3 综合生活污水量总变化系数**
**表3.1.3 综合生活污水量总变化系数**

注:当污水平均日流量为中间数值时,总变化系数可用内插法求得。

$\frac{70-40}{1.7-1.8}=\frac{70-50}{1.7-K_z}$

2、工业废水设计流量

工业废水设计流量等于工业企业生活污水及淋浴污水设计流量与生产废水设计流量之和。

$$ Q_m=Q_1+Q_2= \frac{A_1B_1K_1+A_2B_2K_2}{3600T_1}+\frac{C_1D_1+C_2D_2}{3600T_2}+\frac{mMK_3}{3600T_3} =工业企业生活污水设计流量+工业企业淋浴污水设计流量 +生产废水设计流量 $$

参数
参数

$A_1、A_2$为一般车间和热车间的最大班职工人数,需要根据上班时间判断是否交叉,若交叉同时算,若不交叉,取流量大的作为设计流量,同理$C_1、C_2$(如果存在淋浴,那么一定与车间配套)

$T_1$为每班工作小时数;$T_2$为下班后1h,$T_2$若题目给出,按题计算,不考虑时变化系数。

$T_3$为每日生产小时数,注意与$T_1$之间的关系;$M$为平均日产量。

工业生产废水流量日变化较小,可取1,即总变化系数=时变化系数。$K_Z=K_h$各行业时变化系数如下:冶金工业1.0-1.1;化学工业1.3-1.5;造纸工业1.3-1.8;皮革工业、食品工业和纺织工业1.5-2.0。

不同工厂设计流量均要分开计算,所以每个工业都按集中流量来计算。

3、入渗地下水

在地下水位较高的地区,应考虑入渗地下水量,其量宜根据测定资料确定:

  • 一般按单位管长和管径的入渗地下水量计,$M^3/(km·d)$;
  • 也可按平均日综合生活污水和工业废水总量的10%~15%计;
  • 还可按每天每单位服务面积入渗的地下水量计$L/(s·hm^2)$。

注:入渗地下水一般不考虑,如果考虑则按题目指定方法来计算。

4、城镇污水设计总流量

城镇污水是综合生活污水工业废水入渗地下水的总称。包括:综合生活污水、工业企业生活污水及淋浴污水和工业生产废水设计流量三部分之和。当地下水位较高地区,总设计流量=综合生活污水设计流量+工业废水设计流量+入渗地下水量​,即设计总流量按高日高时流量计算,计算如下:

$q_1=F×q_0×K_z=F\cdot\frac{n×p}{86400}×K_z$

$$ \begin{equation}\begin{split} Q_总&=\frac{NnK_z}{24×3600}+\frac{A_1B_1K_1+A_2B_2K_2}{3600T_1}+\frac{C_1D_1+C_2D_2}{3600T_2}+\frac{mMK_3}{3600T_3}+Q_渗\\ & =\left(\sum\frac{F×n×p}{86400}\right)×K_z+ \sum Q_J +Q_渗 \\ \end{split}\end{equation} $$

参数
参数

注意:居民生活求和之后才计算$K_z$,而工业需要分别计算出设计流量之后累加。

总结:生活污水按平均流量叠加再求$K_z$,工业废水按集中流量直接加。

考点说明:

  1. 设计管道中,每小时流量是变化的,但从上游或旁侧管段流来的平均流量和集中流量在这一管段是不变的。生活污水采用面积叠加法,即$K_z$计算基础是该管道所收集的所有平均日污水量,工业企业和大型公建采用设计流量直接叠加法。
  2. 绿化地块的面积一般不产生污水量。
  3. 本段流量一般从设计管道的起点汇入,本段流量一般表示平均日流量,本段设计流量表示最大时流量;注意教材对该部分内容解释比较有歧义。
  4. 集中流量包含工业企业或大型公共建筑物流出的污水量。(大型公共建筑物教材并未作出明确解释一般考试也不会涉及)。
  5. 如果给的是设计流量一般可以直接带入。
  6. 如果题目中给的污水(给水)定额未说明是平均日还是最高日,就按平均日考虑。

三、污水管渠系统水力计算

1、水力计算

水力半径计算:$R=\frac{过水面积}{湿周}$;

恒定流管道流速计算:$v=C×\sqrt{R×I}=\frac{1}{n} × R^{\frac{1}{6}}×\sqrt{R×I}=\frac{1}{n} × R^{\frac{2}{3}}×I^{\frac{1}{2}}$;

重力流管道流量计算:$Q=A×v=A×\frac{1}{n} × R^{\frac{2}{3}}×I^{\frac{1}{2}}$。

参数
参数

考点1:$n$粗糙度参规范4.2.3条,钢筋混凝土管满流时0.013,非满流0.014。(题目给了,就按给定的算)

**表4.2.3 排水管渠粗糙系数**
**表4.2.3 排水管渠粗糙系数**

考点2:污水管按非满流设计,污水管道水深不得超过最大设计充满度,污水明渠需同时满足充满度和超高要求;雨水(合流)管道按满流计算,雨水(合流)明渠需满足超高要求,无充满度要求,明渠超高不得小于0.2m。

4.2.4 排水管渠的最大设计充满度和超高,应符合下列规定:

  • 重力流污水管道应按非满流计算,其最大设计充满度,应按本规范表4.2.4的规定取值;
  • 雨水管道和合流管道应按满流计算;
  • 明渠超高不得小于0.2m。

**表4.2.4 最大设计充满度**
**表4.2.4 最大设计充满度**

注:在计算污水管道充满度时,不包括短时突然増加的污水量,但当管径小于或等于300mm时,应按满流复核。(满流复核管道排水能力,即复核流量)

考点3:水力半径R,圆形不规则可查《常用手册》P162,满流R=D/4,充满度0.5时R=D/4。

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考点4:最小管径需满足规范4.2.10要求,在流量能够满足的情况下,尽量采用小管径,经济。

4.2.10 排水管道的最小管径与相应最小设计坡度,宜按表4.2.10的规定取值。

**表4.2.10 最小管径与相应最小设计坡度**
**表4.2.10 最小管径与相应最小设计坡度**

考点5:最小管径对应最小设计坡度需满足规范4.2.10要求,其他管径的最小设计坡度可按不淤流速进行反推。若地面坡度较小,管道宜按最小坡度设计;若地面坡度正常,管道宜随道路坡度敷设;若地面坡度很大,管道常采用跌水井,以减小管道流速,防止冲刷。

考点6:按现状流量复核最小流速$V_{min}$需满足规范4.2.7条要求,注意最小流速指的设计充满度情况下需要满足此要求,其他情况可不满足。(给了现状(近期)、远期流量的时候才考虑复核)。

4.2.7 排水管渠的最小设计流速,应符合下列规定:

  • 污水管道在设计充满度下为0.6m/s。
  • 雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s。
  • 明渠为0.4m/s。

$地面坡度=\frac{地面高差}{距离}$

管道坡度
管道坡度

考点7:最大流速$V_{max}$的规定。

4.2.5 排水管道的最大设计流速,宜符合下列规定。非金属管道最大设计流速经过试验验证可适当提高。

  • 金属管道为10.0m/s。
  • 非金属管道为5.0m/s。

4.2.6 排水明渠的最大设计流速,应符合下列规定:(主要针对雨水设计,污水不能用明渠排水!)

当水流深度为0.4m~1.0m时,宜按表4.2.6的规定取值。

**表4.2.6 明渠最大设计流速**
**表4.2.6 明渠最大设计流速**

当水流深度在0.4m~1.0m范围以外时,表4.2.6所列最大设计流速宜乘以下列系数:

深度系数
h<0.4m0.85
1.0<h<2.0m1.25
h≥2.0m1.40

注:h为水流深度。

考点8:在满足流量、充满度、$V_{min}$、$V_{max}$、最小管径、最小坡度等条件的前提下,应选用小管径、浅埋深的最佳设计方案。(建议采用排除法做筛选)

考点9:污水管道水力计算的题目,要灵活运用查表法。(常用手册第四册)做题的时候带大家查表。

2、埋深计算

覆土定义:指地面到管道外壁顶部的距离。$覆土=埋深-管内径(D)-壁厚(d)$

埋深定义:指地面到管道內壁底部的距离。$埋深=覆土-管内径(D)+壁厚(d)$

埋深计算
埋深计算

考点说明

考点1:公式(1)中,$H_1$表示起点埋深,$H_3$表示管道终点埋深,$Z_1$表示起点地面标高,$Z_3$表示终点地面标高,$i×L$表示管道坡降,$\Delta h$表示连接处进水管管底与出水管管底之间的高差。

考点2:一般情况下,排水管道宜敷设在冰冻线以下;计算后,需校核各点(尤其注意2点)的覆土是否满足规范4.3.7条要求,如不满足,宜调整控制点标高重新计算,或采取加固措施。

4.3.7 管顶最小覆土深度,应根据管材强度、外部荷载、士壤冰冻深度和土壤性质等条件,结合当地埋管经验确定。管顶最小覆土深度宜为:人行道下0.6m,车行道下0.7m。

考点3:最大埋深一般在7~8m,埋深过大需局部提升,即提升连接。

考点4:公式(1)中$\Delta h$计算(不考虑壁厚)有以下几种情况:

  1. 管顶平接(小管接大管或同管径)时,$\Delta h=大管径-小管径$;
  2. 管底平接(大管接小管)时,$\Delta h=0$;
  3. 跌水连接时,$\Delta h=上、下游管内底标高差$;
  4. 水面平接时,$\Delta h=大管径×大管充满度-小管径×小管充满度$。

注:考试中如果出现水面平接或者跌水连接,题目中肯定会说明,管顶平接或管底平接可根据题目中的已知条件进行判断。

考点5:管道坡度一般宜与地面坡度相近,即管道宜随道路坡度敷设。若地面坡度较小(地势平坦地区)时,管道宜采用较小坡度以减小下游埋深,但需满足最小坡度要求;若地面坡度很大(地势较陡地区),管道可采用较大的坡度,但应确保管道流速不超过冲刷流速,下游埋深不足时可设置跌水井。

考点6:覆土最小点的快速判定方法:1)当管道坡度大于地面坡度时,下游覆土越来越大;2)当管道坡度等于地面坡度时,覆土厚度不变;3)当管道坡度小于地面坡度时,下游覆土越来越小(最不利点)。

四、雨水管渠系统水力计算

1、设计流量计算公式

3.2.1 采用推理公式法计算雨水设计流量,应按下式计算。当汇水面积超过$2km^2$时,宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程,采用数学模型法计算雨水设计流量。

$Q_s=\psi \cdot q \cdot F$

式中:

注:当有允许排入雨水管道的生产废水排入雨水管道时,应将其水量计算在内。

径流系数

3.2.2 应严格执行规划控制的综合径流系数,综合径流系数高于0.7的地区应采用渗透、调蓄措施。径流系数,可按本规范表3.2.2-1的规定取值,汇水面积的综合径流系数应按地面种类加权平均计算,可按本规范表3.2.2-2的规定取值,并应核实地面种类的组成和比例。

**表3.2.2-1 径流系数**
**表3.2.2-1 径流系数**

**表3.2.2-2 综合径流系数**
**表3.2.2-2 综合径流系数**

不同类型混合时,加权平均法计算参数径流系数。

暴雨强度

$$ q=\frac{167 \cdot A_1 \cdot (1+lgP)}{(t+b)^n} $$

参数
参数

具有20年以上自动雨量记录的地区,排水系统设计暴雨强度公式应采用年最大值法,并按、本规范附录A的有关规定编制。(不足20年资料地区,采用非年最大值法,一般采用年多样法)

3.2.3 A 根据气候变化,宜对暴雨强度公式进行修订。

暴雨特征三要素:降雨历时、暴雨强度、降雨重现期

重现期

3.2.4 雨水管渠设计重现期,应根据汇水地区性质、城镇类型、地形特点和气候特征等因素,经技术经济比较后按表3.2. 4的规定取值,并应符合下列规定:

  • 人口密集、内涝易发且经济条件较好的城镇,宜采用规定的上限;
  • 新建地区应按本规定执行,既有地区应结合地区改建、道路建设等更新排水系统,并按本规定执行;
  • 同一排水系统可采用不同的设计重现期。

**表3.2.4 雨水管渠设计重现期(年)**
**表3.2.4 雨水管渠设计重现期(年)**

  1. 按表中所列重现期设计暴雨强度公式时,均采用年最大法;
  2. 雨水管渠应按重力流、满管流计算;
  3. 超大城市指城区常住人口在1000万以上的城市;特大城市指城区常住人口在500万以上1000万以下的城市;大城市指城区常住人口100万以上500万以下的城市;中等城市指城区常住人口50万以上100万以下的城市;小城市指城区常住人口在50万以下的城市(以上包括本数,以下不包括本数)。

条文说明:中心城区重要地区主要指行政中心、交通枢纽、学校、医院和商业聚集区等。

4.10.2 立体交叉道路排水系统的设计,应符合下列规定:

  1. 雨水管渠设计重现期不应小于10年,位于中心城区的重要地区,设计重现期应为20年~30年,同一立体交叉道路的不同部位可采用不同的重现期。
  2. 地面集水时间应根据道路坡长、坡度和路面粗糙度等计算确定,宜为2min~10min。
  3. 径流系数宜为0.8~1.0。
  4. 下穿式立体交叉道路的地面径流,具备自流条件的,可采用自流排除,不具备自流条件的,应设泵站排除。
  5. 当采用泵站排除地面径流时,应校核泵站及配电设备的安全高度,采取措施防止泵站受淹。
  6. 下穿式立体交叉道路引道两端应采取措施,控制汇水面积,减少坡底聚水量。立体交叉道路宜采用高水高排、低水低排,且互不连通的系统。
  7. 宜采取设置调蓄池等综合措施达到规定的设计重现期。

集水时间与降雨历时的关系:通常用汇水面积最远点的雨水流到设计断面的时间t作为设计降雨历时t,二者表示符号也相同。

3.2.5 雨水管渠的降雨历时,应按下式计算:

  • $t$——降雨历时(min);
  • $t_1$——地面集水时间(min),应根据汇水距离、地形坡度和地面种类计算确定,一般采用5min~15min;
  • $t_2$——管渠内雨水流行时间(min)。

汇水面积与降雨历时的关系:T=10min, $F_1$全汇流;T=15min, $F_1+F_2$全汇流;T=20min,$F_1+F_2+F_3$全汇流;

结论:雨水径流从流域的最远点流到出口(设计)断面所需要的时间称为流域的集流时间或集水时间(t)当在全流域产生径流之前,随着降雨历时($\tau$)增加,集流点的汇水面积随之增加,直至增加到全部面积时,产生全面积汇流,流量最大。(要全面积汇流,降雨历时需要大于等于集水时间)

极限强度理论承认:F↑>q↓
极限强度理论承认:F↑>q↓

极限强度理论(一句话概括):承认面积增加的影响大于雨强减小的影响,即在汇水面积最大前提下降雨历时最短时,Q最大。即降雨历时=集流时间(最远点面积雨水刚到达设计断面时间)时,Q最大。

极限强度理论
极限强度理论

结论:(1)不同汇水区域到达同一设计断面所需要的时间$t_1+t_2$不同;(2)同一汇水区域上的不同点到达设计断面所需要的时间($t_1$)也不同,实际中同个区域按相同地面集水时间(最远点)考虑。

2、面积法/叠加法(整体法)

简而言之一句话:面积直接加,雨强统一按最远点算。(注意:上图并不一定是最左边是集水时间最大点,需要把三个都算出来然后比较。$T_1=(15+10+12)min;T_2=(16+12)min;T_3=(17)min$。)

“畸形面积法”:当下游面积增加很小,而管道流行时间增加很多时,容易出现面积的增加小于雨强的减小的影响,此时就不符合极限强度理论,即$Q_{3-4}$小于$Q_{2-3}$,此时应按$Q_{2-3}$作为3-4管段的设计流量。即下游管道设计流量≥上游管道的设计流量。

3、流量叠加法

各设计管段的雨水设计流量等于其上游管段转输流量加上本管段产生的流量之和,即流量叠加。而各管段的设计暴雨强度则是相应于该管段设计断面的集水时间的暴雨强度(全面积汇流为前提)。

流量法与面积法的对比
流量法与面积法的对比

结论:$Q_{流量法}>Q_{面积法}$,暴雨强度与时间成反比,时间越长,暴雨强度越小。

倒推法步骤如下:

  1. 计算汇水面积最远点达到设计断面所需要的时间$t_{max}$;
  2. 计算各汇水面积按各自的集水时间t,$t=t_{max}-t_2$(各汇水面积至设计断面的管道流行时间为$t_2$);
  3. 各汇水面积按各自的集水时间t对应的暴雨强度和汇水面积计算设计流量,然后求和。

考点说明:

考点1:面积叠加法计算结果小于流量叠加法;题目如果没有指定采用流量法进行计算的话,优先采用面积叠加法计算。

考点2:雨水管道计算时,后面管道设计流量≥前面管道的设计流量。

3.2.2A 当地区整体改建时,对于相同的设计重现期,改建后的径流量不得超过原有径流量。

雨水设计计算例题-01
雨水设计计算例题-01

雨水设计计算例题-02
雨水设计计算例题-02

雨水设计计算例题-03
雨水设计计算例题-03

4、特殊汇水面积计算

特点:

  1. 汇水面积随雨水集流时间增长而增大的速度是非均匀的;
  2. 管道的最大流量可能不是发生在全部面积参与径流时,而发生在部分面积参与径流时。

分类:

  1. 汇水面积地形坡度变化较大;
  2. 汇水面积各部分径流系数有显著差异;
  3. 当汇水面积的轮廓形状很不规则,即汇水面积呈畸形增大(包括几个相距较远的独立区域雨水的交汇)。

$F_A \cdot \frac{t_B-t_{A-B}}{t_A}$为A部分汇流的面积的,线性折算划分。

题目没说用什么方法的时候,先看是不是特殊汇水面积,如果是按特殊汇水面积计算,如果不是优先按面积法,一般流量法题目会交代。