污水管渠设计流量计算与系统设计

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：进行污水管渠系统设计时常采用最大日最大时流量为设计流量。2）设计流速：设计流速就是和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度。管道内的实际流速应介于最小设计流速和最大设计流速之间。管道坡度应尽可能地与地面坡度平行，以减少埋深和造价，同时要控制管道坡度不小于最小设计坡度或控制管道内水流流速大于最小设计流速以及避免流速大于最大设计流速。

污水管渠系统的主要设计内容包括：设计基础资料的收集，污水管渠系统的平面布置，污水管渠设计流量计算和水力计算，污水管渠系统上附属构筑物的选择设计，污水管渠在街道横断面上位置的确定，绘制污水管渠系统平面图和纵断面图。

1.污水管渠设计流量计算

污水管渠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。进行污水管渠系统设计时常采用最大日最大时流量为设计流量。合理确定设计流量是污水管渠系统设计的主要内容之一，也是做好设计的关键。污水管渠设计流量包括生活污水和工业废水两大类。

城镇旱流污水设计流量，应按下式计算

Q_dr=Qd+Q_m （2-2-1）

式中，Q_dr为截留井以前的旱流污水设计流量（L/s）；Q_d为设计综合生活污水量（L/s）；Q_m为设计工业废水量（L/s）。

在地下水位较高的地区应考虑渗入地下水量，其量宜根据测定资料确定。

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，结合建筑内部给水排水设施水平和排水系统普及程度等因素确定。可按当地相关用水定额的80%～90%采用。

综合生活污水量总变化系数可按当地实际综合生活污水量变化资料采用，没有测定资料时，可按表2-2-1的规定取值。

表2-2-1 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。

工业区内生活污水量、沐浴污水量的确定，应符合现行国家标准《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003）的有关规定。

工业区内工业废水量和变化系数的确定，应根据工艺特点，并与国家现行的工业用水量有关规定协调。

2.污水管渠的水力计算

（1）水力计算基本公式

1）排水管渠的流量，应按下式计算：

Q=Av （2-2-2）

式中，Q为设计流量（m³/s）；A为水流有效断面面积（m²）；v为流速（m/s）。

2）排水管渠的流速，应按下式计算：

式中，v为流速（m/s）；R为水力半径（m）；I为水力坡降；n为粗糙系数。排水管渠粗糙系数宜按表2-2-2的规定取值。

表2-2-2 排水管渠粗糙系数

（2）污水管道水力计算的设计数据

1）设计充满度：污水管渠按不满流设计，主要原因是为未预见水量的增加留有余地，避免污水外溢影响环境卫生；有利于管道通风，排除有害气体；便于管道的疏通和维护管理。在设计流量下，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度，如图2-2-1所示。排水管渠的最大设计充满度和超高，应符合下列规定：

①重力流污水管道应按非满流计算，其最大设计充满度，应按表2-2-3的规定取值。

②雨水管道和合流管道应按满流计算。

③明渠超高不得小于0.2m。

图2-2-1 充满度示意图

表2-2-3 最大设计充满度

注：在计算污水管道充满度时，不包括短时突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。

2）设计流速：设计流速就是和设计流量、设计充满度相应的水流平均速度。管道内的实际流速应介于最小设计流速和最大设计流速之间。最小设计流速v_min是保证管道内不致发生淤积的流速，最大设计流速v_max是保证管道不被冲刷损坏的流速。

排水管道的最大设计流速宜符合金属管道10.0m/s；非金属管道5.0m/s的规定。而排水明渠的最大设计流速，应符合下列规定：

①当水流深度为0.4～1.0m时，宜按表2-2-4的规定取值。

表2-2-4 明渠最大设计流速（单位：m/s）

②当水流深度在0.4～1.0m范围以外时，表2-2-4所列最大设计流速宜乘以下列系数：

h<0.4m时取0.85；1.0<h<2.0m时取1.25；h≥2.0m时取1.40（h为水深）。

排水管渠的最小设计流速应符合：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。污水处理厂压力输泥管的最小设计流速一般可按表2-2-5的规定取值。

表2-2-5 压力输泥管最小设计流速（单位：m/s）

排水管道采用压力流时，压力管道的设计流速宜采用0.7～2.0m/s。

3）最小管径和最小设计坡度：当污水管道系统上游管段的设计流量很小，计算出的管径很小时，为避免管道堵塞，减少疏通工作量，需根据经验规定一个允许的最小管径。按计算确定的管径如小于最小管径，可直接采用最小管径。为了保证管道内的流速大于最小设计流速，管道的坡度不能太小。将相应于管道内流速为最小流速时的管道坡度称为最小设计坡度。在给定设计充满度条件下，管径越大，相应的最小设计坡度值也就越小。排水管道的最小管径与相应最小设计坡度，宜按表2-2-6的规定取值。管道在坡度变陡处，其管径可根据水力计算确定由大改小，但不得超过两级，并不得小于相应条件下的最小管径。

表2-2-6 最小管径与相应最小设计坡度

（3）污水管道水力计算的方法污水管道水力计算，通常是在设计流量已知的情况下，计算确定断面尺寸和敷设坡度。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，既能够排泄设计流量，还要符合经济优化的原则。管道坡度应尽可能地与地面坡度平行，以减少埋深和造价，同时要控制管道坡度不小于最小设计坡度或控制管道内水流流速大于最小设计流速以及避免流速大于最大设计流速。

在具体计算中，已知设计流量Q及管道粗糙系数n，需要求管径D、水力半径、充满度h/D、管道坡度I和流速V。这里未知数较多，通过数学计算求得较为复杂，一般情况下，为了简化计算，常采用水力计算表或水力计算图（见有关设计手册）。

这种将流量、管径、坡度、充满度、粗糙系数之间关系绘制成的水力计算图使用较方便。对每一张图表而言，D和n是已知数，图上的曲线表示Q、V、I、h/D之间的关系（图2-2-2）。这4个因素中，只要知道两个就可以查出其他两个。

图2-2-2 水力计算示意图

3.污水管渠的系统设计

（1）污水管渠系统的平面布置

1）污水管渠系统平面布置的任务：确定排水区界，划分排水流域；选择污水处理厂和出水口的位置；管道定线，即拟定污水干管和总干管的路线；确定需要提升的排水区域和设置泵站的位置等；在技术设计时，还需要确定街道支管的路线及在街道上的位置等。

排水区界是污水排水系统设置的界限。在排水区界内应根据地形及城市和工业企业的竖向规划划分排水流域，一般来说，在丘陵地区与地形起伏地区，可按等高线划分分水线，流域边界与分水线相符合；在地形平坦无显著分水线的地区，可按面积大小划分。

污水处理厂和出水口位置影响污水干管的走向。污水处理厂和出水口一般布置在城市河流的下游，或非采暖季节的下风向，或靠近污水再利用的地方。

2）污水管道定线的一般原则和方法：管道定线一般按主干管、干管、支管顺序依次进行。

定线的主要原则是：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。污水主干管的走向取决于污水处理厂和出水口的位置。在一定条件下，地形是影响管道定线的主要因素。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。

在地形平坦地区，应避免小流量的横支管长距离平行于等高线敷设，让其尽早接入干管。宜使干管与等高线垂直，主干管与等高线平行敷设。由于主干管管径较大，保持最小流速所需坡度小，其走向与等高线平行是合理的。当地形倾向河道的坡度很大时，主干管与等高线垂直，干管与等高线平行是合理的，这种布置虽然主干管的坡度较大，但可设为数不多的跌水井，而使干管的水力条件得到改善。有时，由于地形的原因还可以布置成几个独立的排水系统。

污水支管的平面布置取决于地形及街区建筑特征，并应便于用户接管排水。当街区面积不太大，街区污水管网可采用集中出水方式时，街道支管敷设在服务街区较低侧的街道下，称为低边式布置，如图2-2-3a所示。当街区面积较大且地势平坦时，宜在街区四周的街道敷设污水支管。建筑物的污水排出管与街道支管连接，称为周边式布置，如图2-2-3b所示。街区已按规划确定，街区内污水管网按各建筑的需要设计，组成一个系统，再穿过其他街区并与所穿街区的污水管网相连，称为穿坊式布置，如图2-2-3c所示。

图2-2-3 污水支管的布置形式

a）低边式布置b）周边式布置c）穿坊式布置

（2）污水管道系统控制点的确定与泵站的设置地点

1）控制点标高的确定：控制点是指对管道系统的埋深起控制作用的地点。它一般位于离污水处理厂或出水口最远处，或者是具有相当深度的工厂排出口或某些低洼地区的管道起点。

控制点的标高确定原则：一方面应根据城市的竖向规划，保证排水区域内各点污水都能够排出去；另一方面，不能因照顾个别控制点而增加整个管道系统的埋深。

减少控制点埋深，一般可以通过下列途径解决：加强管材强度；提高控制点的地面高程；设置局部泵站提升水位等。

2）污水泵站：在排水管道系统中，由于地形条件等因素的影响，通常可能需要设置中途泵站、局部泵站和终点泵站。当管道埋深接近最大埋深时，为提高下游的管位而设置的泵站，称为中途泵站。如果将低洼地区的污水抽升到地势较高地区的管道中，或是将高层建筑、地下室、地铁、其他地下建筑物的污水抽送至附近管道系统所设置的泵站称为局部泵站。将污水抽送到污水处理厂的第一个处理构筑物的泵站，称为终点泵站或总泵站。

（3）设计管段及设计流量

1）设计管段：两个检查井之间的管段采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，称为设计管段。

2）设计管段的设计流量：设计管段的设计流量可由以下3部分组成：

本段流量：是指从管段沿线街坊流来的污水量。

转输流量：是指从上游管段或旁侧管段流来的污水量。

集中流量：从大型企业或其他大型公共建筑物流来的污水量。

为了计算方便，通常假定本段设计污水流量集中在起点进入设计管段，而且流量不变。

本段流量计算公式为

q₁=Fq₀K_Z （2-2-4）

式中，q₁为设计管段的本段流量（L/s）；F为设计管段的本段街坊服务面积（ha）；K_Z为总变化系数；q₀为单位面积的本段平均流量，即比流量[L/（s·ha）]，可用式（2-2-5）计算