本節內容主要講解課本第三章污水管渠的水力計算方面內容，主要從4部分講解：①污水在管渠中的流動(dòng)特點(diǎn)；②水力計算的基本公式；③污水管道水力計算參數；④污水管道的埋設深度和覆土厚度。本節內容仍舊是《排水工程》案例高頻考點(diǎn)，務(wù)必要掌握。

01

污水在管渠中的流動(dòng)特點(diǎn)

本部分內容需要掌握以下幾個(gè)點(diǎn)：

①排水管渠系統的設計應以重力流為主，盡量不設泵站，而只有在無(wú)法采用重力流或者重力流不經(jīng)濟的時(shí)候才設置泵站。在這里肯定有考友有疑問(wèn)：“為什么重力流還不經(jīng)濟？難道靠重力輸送污水還會(huì )比靠泵輸送花費更高？”考慮這個(gè)問(wèn)題不能僅看運行費用，要綜合考慮前期施工和后期運行，如果施工難度特別大或者花費特別高的時(shí)候，重力流就不如壓力流合適了。

②污水管道和給水管道在形式上正好相反，給水是通過(guò)干管輸送到支管在到達用水點(diǎn)，而污水是通過(guò)支管匯集到干管，在統一收集到污水廠(chǎng)處理，再有給水管網(wǎng)有枝狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)兩種形式，而污水管網(wǎng)僅有枝狀網(wǎng)一種形式。

③正常運行情況下污水管道內部是非滿(mǎn)流，也即有自由水面，其充滿(mǎn)度h/D＜1，此處的污水管道特指分流制污水管道，不包括合流管道和分流制雨水管道，后兩者設計充滿(mǎn)度按照1計算。

④污水可以恒定流水力計算的理論依據：污水含水率99%以上，可以假定其遵循一般水流流動(dòng)規律，并且可以認定在直線(xiàn)管段管道內水流為均勻流，因此可以認定為恒定流。注意一定是要在直線(xiàn)管段上，才會(huì )有如此結論，所以以下所有關(guān)于污水水利計算公式，都是建立在直線(xiàn)管段基礎上，假如非直線(xiàn)管段則以下結論都不成立。

02

水力計算的基本公式

教材中的本部分一共有5個(gè)公式，但是我們只需要重點(diǎn)掌握兩個(gè)即可：

①流量公式

這個(gè)公式是個(gè)萬(wàn)能公式，不論給水、排水和建水上面的流量計算，只要是恒定均勻流，此公式都適用。不過(guò)這個(gè)公式?jīng)]啥難度，只需要注意1點(diǎn)即可，就是流速v的選擇，流速v具有最小流速和最大流速的限制。

最小設計流速參見(jiàn)《室外排水設計規范》4.2.7條，排水管渠的最小設計流速，應符合下列規定：

1. 污水管道在設計充滿(mǎn)度下為0.6m/s；
2. 雨水管道和合流管道在滿(mǎn)流時(shí)為0.75m/s；
3. 明渠為0.4m/s。

最大設計流速參考《室外排水設計規范》4.2.5和4.2.6條，應當注意的是4.2.6明渠的最大設計流速當水流深度在0.4~1.0m范圍以外時(shí)，表4.2.6所列最大設計流速宜乘以下列系數(這里最容易出坑)：

• h(水流深度)＜0.4m，0.85；
• 1.0＜h(水流深度)＜2.0m，1.25；
• h(水流深度)≥2.0m，1.40。

②排水灌渠的流速公式(注意應用此公式同樣是在恒定均勻流條件下才行)

• v——流速(m/s)；
• n——排水灌渠粗糙系數；
• R——水力半徑(過(guò)水斷面面積與濕周的比值，m)；
• I——水力坡度(至于是水面坡度還是管底坡度需要看題意)。

這個(gè)公式的重要性，可以說(shuō)是貫穿了《排水工程》全篇，應該給與百分之一百二的重視，該公式涉及所有參數詳細解釋見(jiàn)03節。

03

污水管道水力計算參數

這里不按照課本說(shuō)法來(lái)講，課本上所列的那幾項在案例題中很少考到，都是在知識題當中考核，而對于案例題來(lái)說(shuō)，v(設計流速)、n(粗糙系數)、R(水力半徑)、I(水力坡度)、h/D(充滿(mǎn)度)這五個(gè)參數是非常重要的，所以考生弄明白這五個(gè)參數中分別涉及到的知識點(diǎn)即可。

①v(設計流速)，其意義是與設計流量、設計充滿(mǎn)度相應的水流平均速度。排水管道設計流速的取值，一般情況下隨著(zhù)設計流量的逐段增加，設計流速也逐段相應增加或者保持不變，如果流量不變，流速不應該減小。只有管道坡度由大驟然變小的情況下，設計流速才允許減小。

設計流速和管徑相關(guān)，隨著(zhù)設計流量的逐段增加，設計管徑應相應增加，一般會(huì )增大一級或者兩級(50mm為一級)，但是當管道坡度驟然增大時(shí)，下游管段的管徑可以減小，但管徑的減小范圍不得超過(guò)兩級，也就是說(shuō)管徑減小不能超過(guò)100mm。這一點(diǎn)非常重要，在案例計算題中，有時(shí)會(huì )讓考生判斷最合適的管徑和坡度，假如有的選項中管徑縮小范圍超過(guò)100mm了，那就不用計算，直接排除，否則四個(gè)選項全部計算，時(shí)間絕對會(huì )浪費很多。希望考生能夠靈活運用這一點(diǎn)。

并且流速有最大設計流速(也叫沖刷流速)和最小設計流速(也叫不淤流速)，至于具體數值，本文前部分已經(jīng)說(shuō)明，可以回看水力計算基本公式中的流量公式部分內容。

②n(粗糙系數)，粗糙系數沒(méi)難點(diǎn)，會(huì )查即可。規范和教材上一共有3處和粗糙系數有關(guān)，第一是排水灌渠粗糙系數，查規范表4.2.3；第二是人工渠道的粗糙系數，查教材表5-4；第三是鋼筋混凝土滿(mǎn)流時(shí)粗糙系數一般為0.013，非滿(mǎn)流為0.014。

規范表4.2.3

教材P105表5-4

③R(水力半徑)，水力半徑的計算方法為過(guò)水斷面與濕周的比值，計算過(guò)程中的坑點(diǎn)在于濕周的計算，顧名思義，濕周其實(shí)就是被水沾濕的長(cháng)度，沒(méi)有被水沾濕的不能計算在內，舉例一個(gè)截面積為正方形的帶蓋暗渠，假如渠內水位低于渠頂，計算濕周的時(shí)候就是正方形截面積的三條邊長(cháng)(不含最頂部)，假如渠內水位水頭高于渠頂(有壓)，則計算濕周時(shí)就得考慮四條邊長(cháng)，所以在做題時(shí)，計算濕周一定要看情況，沒(méi)接觸水的部分就不要計算進(jìn)去。

如果是圓形管道，計算水力半徑時(shí)，當充滿(mǎn)度為1或者0.5時(shí)，R=D/4，當充滿(mǎn)度不為1或者0.5時(shí)，查教材表格3-10獲得。

注意此表可內插，且滿(mǎn)流時(shí)流速不是最大。

④I(水力坡度)，關(guān)于水力坡度需要注意的點(diǎn)有3處。

其一是“最小設計坡度”的概念：將相應于最小管徑時(shí)的管道坡度稱(chēng)為最小設計坡度，而通常管徑越大，最小設計坡度越小，所以最小設計坡度就可以理解為當某個(gè)系列所有管材采取這個(gè)坡度時(shí)，其流量都能滿(mǎn)足要求的坡度。

其二是排水管道的最小管徑與相應最小設計坡度，按表4.2.10取值。

其三是“不計算管段”的概念，說(shuō)白了不計算管段就是采用最小管徑和最小坡度時(shí)，按照充滿(mǎn)度0.55計算的流量都大過(guò)上游設計流量，這時(shí)候就不用計算而直接采用最小管段和最小坡度就行，不用計算了當然就是“不計算管段”。

⑤h/D(充滿(mǎn)度)，合流和雨水管道按照滿(mǎn)流設計，也就是充滿(mǎn)度為1，而污水管道充滿(mǎn)度一定要＜1。為什么污水管道不能滿(mǎn)流設計？主要有以下三個(gè)方面因素。

• 為未預見(jiàn)水量的進(jìn)入留有余地，避免污水溢出進(jìn)而影響環(huán)境衛生；
• 為排除污水管道內的有害氣體；
• 便于管道的疏通和維護管理。

至于污水管道設計充滿(mǎn)度最大值選用多少，《室外排水設計規范》4.2.4給出了依據，原則就是管徑越大，設計充滿(mǎn)度數值越接近于1。

充滿(mǎn)度這個(gè)參數的難點(diǎn)在于這個(gè)表格后面的三條小注，尤其是第一點(diǎn)容易讓人誤解。

1. 在計算污水管道充滿(mǎn)度時(shí)，不包括段時(shí)突然增加的污水量，但當管徑≤300mm，應按滿(mǎn)流復核；
2. 雨水管道和合流管道應按滿(mǎn)流計算；
3. 明渠超高不得小于0.2m。

對于第1條，假設某工廠(chǎng)會(huì )偶爾排放一股大量污水，在設計該廠(chǎng)污水管道時(shí)，設計流量不包括這股突然排水，就只按照正常排水量計算，但是假如該廠(chǎng)排水管道經(jīng)過(guò)計算后管徑≤300mm了，這時(shí)候正常設計時(shí)仍舊不考慮突然增加的水量，但是等選定管徑、坡度等參數后要把這股突然增加的水算入總水量，按照充滿(mǎn)度=1復核，看看能不能全部通過(guò)，畢竟排水系統要優(yōu)先保證能夠快速排除污水，不能快速排除就得增加相應對策。

對于第3條，明渠在設計時(shí)，先按照最大設計充滿(mǎn)度計算，假如算出來(lái)后超高＜0.2m，那就要選取更大渠高，假如算出來(lái)后超高≥0.2m，那就按照最大充滿(mǎn)度設計即可。

04

污水管道的埋設深度和覆土厚度

注意埋設深度和覆土厚度的定義，埋設深度是指埋地管渠內底至地表面的垂直距離；覆土厚度指埋地管渠外頂至地表面的垂直距離。兩者相差一個(gè)管徑加壁厚的距離(注意是一個(gè)壁厚而不是兩個(gè)壁厚)。

《室外排水設計規范》中有關(guān)這部分的內容是4.3.7條：“管頂最小覆土深度，應根據管材強度、外部荷載、土壤冰凍深度和土壤性質(zhì)等條件，結合當地埋管經(jīng)驗確定。管頂最小覆土深度宜為：人行道下0.6m，車(chē)行道下0.7m”，關(guān)于這一條款曾經(jīng)出過(guò)案例計算題，一定要注意本條規定的是管頂最小覆土深度，而不是埋設深度。