（模式识别与智能系统专业论文）排水管渠水力特性及设计方法的比较研究.pdf

摘要 摘要 排水管渠设计计算中粗糙系数是一个关键参数，其值与管道水力特性的变化 关系也是水力学中的一个难点。本文就圆管无压均匀流水力计算公式及管道粗糙 系数进行分析，探讨了粗糙系数在公式计算中的作用及其对不同公式计算结果的 影响，并结合工程设计对适用于u p v c 排水管的不同水力计算公式进行了比较。 本文研究表明：在不同排水管道水力计算公式中，粗糙系数的取值是影响计 算结果的重要因素。曼宁公式与巴浦洛夫斯基公式同为计算谢才系数的经验公 式，在其它条件相同的情况下，粗糙系数的取值还受管道r e 数、水力半径等多 种因素影响。 适合各计算公式的粗糙系数需通过率定的方法确定，所得数值与率定的方法 及率定时其它水力要素的确定方法有关。与水力摩阻系数类似，粗糙系数也具有 分区特性，粗糙区和光滑区的界限与r e 数和管道相对粗糙度都有关。随着管道 相对粗糙度减小，巴浦洛夫斯基计算公式因水力半径变化引起的粗糙系数相对变 化率比曼宁公式计算值要小，公式结果具有更好的稳定性。 对塑料排水管实测数据分析表明：当水深接近管顶时，在粗糙系数n 取值 0 0 0 9 时，曼宁公式计算值比实测值小1 0 - - 2 0 。巴浦洛夫斯基计算公式适合 u p v c 管的水力计算，采用n = o o l1 5 计算u p v c 管各级别管径，并应用于排水工程 设计，其计算结果与实测结果及曼宁公式计算结果较为一致，并且取值相对合理， 该公式可以作为u p v c 管水力计算使用公式。本文还以流量为形状特征参数，推 导了水流流速计算表达式。 在分析u p v c 排水管水力特性及设计方法的基础上，本文对新型塑料检查井 与传统的砖砌检查井进行了综合技术经济比较，论证了塑料检查井在街坊小区排 水管施工中推广应用的可行性。 关键词：u p v c 管粗糙系数计算公式塑料检查井 m a b s t r a c t a bs t r a c t t h er o u g h n e s sc o e f f i c i e n ti sak e yp a r a m e t e ri nd r a i n p i p ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n t h er e l a t i o n s h i po fi t sv a l u ea n dh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r a i n p i p e si sad i f f i c u l t y i nh y d r a u l i c s t h i st h e s i st e n d st oa n a l y z et h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nf o r m u l af o r u n p r e s s u f i z e du n i f o r mf l o wi nc i r c u l a rp i p e sa n dd i s c u s st h ef u n c t i o no fr o u g h n e s s c o e f j f i c i e n ti nf o r m u l ac a l c u l a t i o n i na d d i t i o n ，w ec o n d u c tac o m p a r i s o no fd i f f e r e n t h y d r a u l i cc a l c u l a t i o nf o r m u l a sa p p l i c a b l et ou p v cd r a i n p i p e s ，t a k i n ge n g i n e e r i n g d e s i g ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h es t u d yi nt h i st h e s i si n d i c a t e st h ev a l u eo fr o u g h n e s sc o g m c i e n ti sa n i m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h ec o m p u t i n gr e s u l ti nh y d r a u l i cc o m p u t a t i o n f o r m u l a sf o rv a r i o u sd r a i n p i p e sw h i l et h ev a l u ei si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r ss u c ha s r en u m b e ra n dh y d r a u l i cr a d i u su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，w i t hm a n n i n g sf o r m u l a a n dp a v l o v s k y sf o r m u l a b e i n gt h ee m p i r i c a l f o r m u l af o r c a l c u l a t i n gc h 6 z y c o e f f i c i e n t ap r o p e rr o u g h n e s sc o e f f i c i e n ti nd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nf o r m u l a sh a st ob e d e t e r m i n e db yc a l i b r a t i o nm e t h o d sa n dt h es e l e c t e dv a l u ei si n f l u e n c e db yc a l i b r a t i o n m e t h o d sa sw e l la st h em e t h o d sa p p l i e dt od e t e r m i n i n go t h e rh y d r a u l i cf a c t o r s s i m i l a rt of r i c t i o nc o g f f i e i e n t ，r o u g h n e s sc o e f f i c i e n ts h a r e sr e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i s c r i m i n a t i o nb e t w e e nar o u g hr e g i o na n das m o o t hr e g i o ni sm a d ea c c o r d i n gt o r en u m b e ra n dr e l a t i v er o u g h n e s s t h ec a l c u l a t e dv a l u ew i t hp a v l o v s k y sf o r m u l ai s l e s st h a nt h a tw i t hm a n n i n g sf o r m u l ai nc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v ec h a n g er a t eo f r o u g h n e s sc o e f f i c i e n td u et ot h ec h a n g eo fh y d r a u l i cr a d i u sa st h er e l a t i v ep i p e r o u g h n e s sd e c r e a s e s a n dt h er e s u l tw i t hp a v l o v s k y sf o r m u l at e n d st obm o r es t a b l e t h ea n a l y s i so fo b s e r v e dd r a i n p i p ed a t ai n d i c a t e sw h e nt h ew a t e rl e v e l a p p r o a c h e st h et o po fap i p e ，t h ec a l c u l a t e dv a l u ew i t hm a n n i n g sf o r m u l ai s 10 - 2 0 l e s st h a nt h em e a s u r e dv a l u e w i t hr o u g h n e s sc o e f f i c i e n tb e i n g0 0 0 9 p a v l o v s h k y s f o r m u l ac a nb ea p p l i e dt ot h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no fu p v cp i p e sa n dw a t e rd r a i n a g e w o r k sd e s i g n i nc a l c u l a t i n gt h er a d i u so fu p v cp i p e s ，t h ec a l c u l a t e dv a l u ei sa l m o s t t h es a m ea st h em e a s u r e dv a l u ea n dt h ec a l c u l a t e dv a l u ew i t hm a n n i n g sf o r m u l a , w i t har a t i o n a lr o u g h n e s sc o g 蚯c i e n tb e i n g0 0 1l5 i na d d i t i o n , w eh a v ed e r i v e dt h e c a l c u l a t i o nf o r m u l af o rf l o wv e l o c i t yw i t hf l o wa sac h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri nt h e t h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nt e c h n i q u eo fu p v c d r a i n p i p e s ，w eh a v ea l s oc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o nb e t w e e nn e wp l a s t i c i n s p e c t i o nw e l l sa n dt r a d i t i o n a lb r i c ki n s p e c t i o nw e l l si nt e r m so ft e c h n o l o g ya n d e c o n o m y , a n de x p o u n d e do nt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gp l a s t i ci n s p e c t i o nw e l l st o d r a i n p i p ec o n s t r u c t i o ni nr e s i d e n t i a la r g a s k e yw o r d s ：u p v cp i p e ；r o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ；c a l c u l a t i o nf o r m u l a ；p l a s t i c i n s p e c t i o nw e l l i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 坚刍 e l期：型望苎；。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：主兰i 导师签名墨垄三茎刍日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国排水管道系统简况 近年来，我国城市化率不断提高，城市生态环境污染负荷大大超过城市环境容量，这已成为今 后一段时间我国城市实现人口与经济、资源、环境协调以及可持续发展的直接制约因素之一。 中国水资源严重短缺，人均占有量不足2 2 4 0 立方米，仅为世界人均水量的四分之一：同时，水 资源区域分布也很不平衡，长江流域及其以南地区，国土面积只占全国面积的3 6 5 ，而其水资源 量占到全国的8 1 。在很多城市和地区，能否保证居民的供水已经成为首要难题。同时，宝贵的天 然水源还常被没有控制、没有处理的污、废水所污染，水污染已严重危害到人们经济、生活和身体 健康等各个方面。据建设部统计，2 0 0 6 年全国污水处理率为5 6 ，已经处理的部分还包括仅仅经过 简单的一级处理的污水，每年还有1 5 8 亿立方米的污水没有经过任何处理，直接排放幢1 。同时，全 国6 0 0 多个城市中仍然有近3 0 0 个城市没有污水处理厂。城市水环境受到的严重危害，已经无法适 应目前城市发展规划的要求。 设计合理的排水工程具有保护和改善环境，消除污水危害的作用。当前，举国上下都在呼吁保 护水资源、治理水污染。市政工程排水设施建设已经成为城市基础建设的热点。然而，我国下水道 普及率比较低，尚存在一些城市排水管道不成系统的状况。如有的利用街道、河道排水，严重影响 环境甲生。截j 卜2 0 0 0 年，我国年城市污水排放总量约为4 0 2 亿吨，排水管网普及率不足7 0 ，污 水二级处理率2 5 左右拉3 1 。与发达国家相比，我国现有污水处理设施在数量上差距相当大。虽然2 0 世纪9 0 年代我国对城市污水系统的投资比前4 0 年有了大幅度提高，但投资总量和比例仍低于发达 国家2 0 世纪8 0 年代的水平。根据国家建设部发展规划要求，到2 0 3 0 年，城市污水集中处理率平均 不低于8 0 ( 大城市不低予9 0 ，中等城市不低于8 0 ，小城市不低于7 0 ) 阻1 。总之，建国至今对 城市污水系统投资总量和比例过低，造成了城市污水处理设施严重不足，改善我国水环境是当务之 急。 排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪 的骨干工程。在市政建设和环境治理t 程建设中，雨水和污水管渠系统常占有较大的投资比例，( 一 般i ! i 整个排水系统投资的7 0 左右) 。冈此，如何在满足规定的各种技术条件下，合理设计城市排水 管道系统，降低管道系统的基建费用。是市政设计工作中的一个重要课题。 1 1 1 排水管渠的要求 排水管渠( 包括输送污水和雨水的管道、明渠、盖板渠、暗渠) 的系统设计，应按城镇总体规 划和分期建设情况全面考虑，统一布置，逐步实施。 排水管渠的断面形式除必须满足静力学、水力学方面的技术要求外，还应经济实用且便于养护 在静力学方面，要求管道承受荷载必须稳定和坚固。在水力学方面，管道应具有最大的排水能力， 并在一定的流速下不产生沉淀物。在经济实用方面，管道单位长度造价应该是最低的。在养护方面， 管道断面应便于冲洗和清通，没有淤积。冈此，常用的排水管渠断面形式是圆形。 排水管渠须具有足够的强度以承受外部的荷载和内部的水压，外部荷载包括土壤的重量，即静 荷载，以及由于车辆运行所造成的动荷载。压力管及倒虹管一般要考虑内部水压，当自流管发生淤 塞时或雨水管渠系统的检查井内充水时，也能引起内部水压。此外为了保证排水管道在运输和施工 中不致破裂，也必须保证管道具有足够强度。 排水管渠应有能抵抗污水中杂质的冲刷和磨损的作用，并应具有抗腐蚀的性能，以免在污水或 地下水的浸蚀作用( 酸、碱或其他) 下很快损坏。 排水管渠必须不透水，以防止污水渗出或地下水渗入。因为污水从管渠渗出至土壤将污染地下 水或邻近水体，且破坏管道及附近房屋的基础。若地下水渗入管渠，则不但降低管渠的排水能力， 而且将增大污水泵站及处理构筑物的负荷。 排水管渠内壁应光滑，使水流阻力尽量减小。还宜就地取材，以降低管渠的造价及运输和施工 费用。 合理地选择管渠材料，对降低排水系统的造价影响很大。选材时，应综合考虑技术、经济及其 它方面的因素。 1 1 2 常用排水管材 常用排水管材的技术特性： 在满足排水管材技术经济要求的基础上，常见排水管材的类型有金属管和非金属管。金属管包 括钢管和铸铁管，非金属管有陶土管、石棉水泥管、钢筋混凝土管、塑料管、玻璃钢夹砂管等。 东南大学硕卜学位论文 1 金属管 排水系统中常用的金属管有钢管和铸铁管。金属管对于压力、震动、温度等管道内、外环境均 有较好的耐受性，经防腐处理的钢管对排水水质也有广泛的适应性；同时，金属管道内壁光滑，水 流阻力小，管：肖长，可以在现场制作和焊接，是最早使用的管道材料。其主要缺点是造价昂贵，抗 腐蚀性能差，施工运输不方便。目前，在国家产业政策的指引下，钢管、铸铁管将逐渐被各种塑料 管材替代。只有在特殊地段当排水管道承受高压，或对渗漏有特别要求的部位，才采用金属管。 2 陶- 十管和石棉水泥管 陶士管具有光滑、不透水、耐磨损、耐腐蚀的表面，管道造价便宜，适用于输送酸碱性较强的 一i ! 业废水。主要缺点是管节较短，施一l ：不方便，质脆易碎，抗压、抗弯、抗拉强度低。 彳i 棉水泥管表面光滑、重量轻、管。岿长、抗腐蚀性强、易于加工和切割。主要缺点是质脆、不 耐磨、抗冲击力差，容易破损。 由于陶土管和石棉水泥管具有上述优缺点，因此，陶土管和石棉水泥管大多情况下用于特殊场 所排除酸碱性废水或用作管外有侵蚀性地下水的污水管道。 3 混凝土管和钢筋混凝土管 混凝士管和钢筋混凝土管的优点是便于就地取材，制造方便，而且可根据抗压的不同要求，制 成无压管、低压管、预应力管等，所以在排水管道系统中仍在普遍应用。主要缺点是抗腐蚀性较差， 不宜输送酸碱性较强的工业废水；同时管节较短，接头多，施工复杂，抗渗、抗漏性差。 目前，我国生产的混凝土管直径为2 0 0 m m - - 6 0 0 m m ，最小管长为1 0 0 0 m m r 钢筋混凝土管直径 为中3 0 0 m n r - - 3 0 0 0 m m ，最小长度为2 0 0 0 m m 。这些管材主要用于铺设雨水、污水、农田排灌等重力 管道，少量作为套管用于穿越铁路顶管工程中拍。 现有管材品种很多，如铸铁管、球墨铸铁管、u p v c 管、p e 管、玻璃钢夹砂管等，而钢筋混凝土 管材，尤其是口径较大的钢筋混凝土管材，仍然是铺设排水管道使用最多的管材。 混凝土管和钢筋混凝土管材的接口形式有刚性接口和柔性接口两大类。 我国最早开发研制生产的混凝土管和钢筋混凝土管都是刚性接口，即平口管和小企口管，从5 0 年代至今仍在大量生产与使用，这种传统接口形式，在铺设管道时必须做基础。由于是刚性接口形 式，管道抗地震或地基沉陷性能不好，接口密封性能差，使用中发生渗漏是不可必避免的，这是这 种接口形式致命的缺点，因此，从发展趋势看，刚性接口管材将被淘汰。 4 塑料管 塑料管种类繁多，其中包括硬聚氯乙烯管( u p v c ) 、聚乙烯管( p e ) 、聚丙烯管( e e ) 、聚丁 烯管( p b ) 、苯乙烯管( f i b s 工程塑料) 。其中u p v c 管最具有代表性。u p v c 管具有诸多优点： ( 1 ) 重量轻( 仅为同口径混凝土管的1 1 5 左右) ，管节长( 混凝土管管节一般为2 m 、3 m ，而塑 料管管节则为6 i n 、1 2 a ) 运输方便。 ( 2 ) 优异的耐酸耐碱抗腐蚀性，产品使用寿命长，一般大于5 0 年； ( 3 ) 流动阻力小，u p v c 管内壁光滑，其粗糙系数为0 0 0 9 ，而混凝土管、钢筋混凝土管的粗糙系 数为0 0 1 3 0 0 1 4 ，故在同等管径、同坡度的条件下，它比混凝土管、钢筋混凝土管的过水能力高 3 0 左右( 或在相同流量下管径可相对缩小) 哺1 ； ( 4 ) 机械强度高，u p v c 管耐水压强度、外压强度、冲击强度良好； ( 5 ) 不影响水质，不会造成二二次污染； ( 6 ) 塑料管材采用承插或焊接等接口方式，施工简捷方便，易于维护。 应根据排除污水的性质选择管材当排除污水为中性或弱碱性( p h = 8 一- 1 0 ) ，上述各种管材都 能使用。排除碱性( p h i o ) 的工业废水时可用铸铁管或砖渠，也可在钢筋混凝土渠内做塑料衬砌。 排除弱酸性( p h = 5 - 一6 ) 的工业废水可用陶土管或砖渠。排除强酸性( p h 5 ) 的工业废水时可用耐 酸陶十管及耐酸水力砌筑的砖渠或用塑料衬砌的钢筋混凝土渠。而u p v c 管对于各类酸碱废水均有很 好的适应性。 根据管道受压、管道埋设地点及土质条件，压力管( 泵站压力管、倒虹管) 一般都可采用金属 管，钢筋混凝土管或预应力钢筋混凝土管。在地震区或施工条件较差的地区( 地下水位高、有流沙等) 以及穿越铁路等。也可采用金属管。而在一般地区重力流管道常采用塑料管、混凝土管、钢筋混凝 土管。 1 2 排水管渠的发展趋势 上世纪5 0 年代以来，随着石油化工的飞速发展，石油深加工技术日趋完善，塑料制品种类多样 化，产量迅速增长，使之逐步发展成为一种新型工程材料。塑料管和传统管材相比，具有重量轻， 耐腐蚀，水流阻力小，节约能源，安装简便迅速，造价较低等显著优势，受到了管道工程界的青睐。 2 第一章绪论 为此，许多发达国家塑料管制造商与管道。r j 掣界进行j 。泛合作，投入了大量入力、物力和财力进行 全面的开发研究，使原料合成生产，管材管件制造技术，设计理论和施1 ：技术等方面得剑了发展和 完善，并积累了丰富的实践经验，促使塑料管在管道 ：程中占据相当重要的位置，并形成一种势不 可挡的发展趋势n 1 。 近年，我国高度重视环境保护问题，不少地区开始大力治理江河湖海的污染：在塑料埋地排水 管的产品研究试验、标准及规范制定以及试点推广t 作也取得了明显的进展，这些因素促进了塑料 埋地排水管的市场发展。到2 0 0 5 年，塑料管道在全国各类管道市场占有率达到5 0 以上。其中， 城市供水管道5 0 采用塑料管，村镇供水管道6 0 采用塑料管，城市排水管道2 0 采用塑料管。 城市燃起管道( 中低压管) 5 0 采用塑料管。2 0 1 5 年全国新建上程中，塑料管道使用率将达到8 5 以上阳1 。其优越性正在得到认同，许多地区已在大量推广应用一1 ，塑料埋地排水管开发应用及研究 已成为新的热点。 综上所述，对市政工程中埋地排水管进行性能比较，塑料排水管的优点如下： 1 强度和刚度 柔性塑料埋地排水管与刚性钢筋混凝土管在受外压负荷时，承受负载的机理是完全不同的。柔 性塑料管在受压之后、破坏之前可以有较大的变形，而刚性混凝土管则不可能有较大变形。同样外 压负载下，柔性塑料管管壁内的应力较小，它和周围的回填士共同承受负载，管、土共同作用。因 此，柔性塑料埋地排水管不需要和刚性混凝十管一样的强度和刚度，在合适的刚度下，完全可达到 使用要求0 。 2 水力特性 塑料管由于内壁光滑，输送液体时摩阻明显小于混凝土管。塑料管的内壁粗糙系数为0 0 0 9 一 o 0 l ，而混凝土管为0 0 1 3 - - 0 0 1 4 ，因此在相同使用条件下，塑料管的输水量可比混凝土管提高3 0 。 实践证明，在同样坡度下，采用直径较小的塑料埋地排水管就可以达到同样大口径混凝土排水管的 流量。 3 接口的密封性 在管材接口密封方面，塑料排水管的连接采用橡胶圈承插接口，是柔性接口，比较可靠。而混 凝土排水管在保证密封性方面比较困难，小管径混凝土管虽为承插接口，但承插口深度有限，采用 石棉水泥或油麻填封并不牢固，大口径混凝土管的平接口和企口仅在连接处抹一圈混凝土，时间一 长很难保证不渗漏；又因其是刚性或半刚性连接，管道稍有偏转或移位( 如土壤不均匀沉降) 连 接处就可能被破坏，形成渗漏。 4 使用寿命长、耐腐蚀 埋地排水管输送的生活污水和雨水有腐蚀性( 雨水流过地面时常溶入腐蚀性物质) ，或成酸性 或成碱性；生产污水如工业排水更有强腐蚀性。塑料埋地排水管不仅使用寿命长，其耐腐蚀性远胜 于金属管，也明显优于混凝土管。同时，塑料埋地排水管的抗磨损性也很好。 5 管道施工安装。 在管道铺设安装方面，塑料埋地排水管的优点：重量轻，长度长，接头少，对于管沟和基础的 要求低( 而混凝土管一般需要做素混凝土基础) ，连接方便，旄工速度快。而混凝土管的基础和连 接处需要进行养护，在城市拥挤或地质恶劣地区( 如地下水位高、地基松软地区) ，塑料埋地排水 管的优点更明显。 6 综合经济性。 近年，随着各地区地方标准的不断完善，中、小1 ：3 径塑料管得到广泛应用，其制作工艺已经普 及，塑料管厂商不断增多，塑料管价格也逐渐具有竞争优势。 但塑料管材因其材料价格及制作工艺尚不成熟，常用的管道规格还限于中、小管径，管道承受 外压能力不强、且容易受地底温度影响发生热涨冷缩、容易老化、故不适合在马路，桥梁中使用 同时，相对于已经发展较为成熟的混凝土管材，塑料管e h 于发展太快，其行业规范及检测指标的制 定尚待完备；加上各地厂商良莠不齐，有为追求利润而偷工减料、以次充好等情况，在客观上影响 了它的应用推广 1 3 硬聚氯乙稀( u p v c ) 排水管使用情况及研究状况 在我国，u p v c 管材、管件在众多p v c 制品中呈快速增长之势，是各种塑料管道中消费量最大的品 种。u p v c 管的最多应用是建筑业。目前已在全国各省市的建筑给排水和市政工程领域推广应用。在 建筑业上主要用作排水管、雨水管和穿线管。u p v c 管因具有耐化学腐蚀，自熄性和阻燃性好，耐氧 化，内壁光滑，所以开发u p v c 管效益明显。生产和使用u p v c 管比生产铸铁管节能5 5 6 8 。生产和使 用u p v c 供水管比镀锌管节身p ：6 2 7 5 ，而且，同规格单位长度的价格只有镀锌管的1 2 ，安装费用比生 3 东南大学硕l 学位论文 产镀锌管低7 0 ，使用1 吨u p v c 供水管可以代替1 2 吨铸铁管，应用1 吨u p v c 波纹管可以节约2 5 吨钢材。 资料显示，d n 5 0 m m 至d n l 5 0 m m 的塑料排水管比铸铁排水可：青省材料费用6 8 8 2 ；安装同管径、同长 度的塑料排水管可比铸铁排水管提高一 效和节省人! 费近3 6 7 3 幢1 。在发达国家中，p v c 管消费 量一般1 1 1 。塑料管市场的7 0 一8 0 ，而我国p v c 管产量仅占塑料管总量的5 0 左右，因此我国p v c 管的发展 潜力十分巨大。 发达国家p v c 在各种管材中的消费比例是：供水管占3 3 ，下水管占2 2 3 ，排污管占1 5 7 ， 灌溉管占5 2 ，煤气管占o 8 9 6 ，其它管材占2 2 7 。其中管件与管材的消费量比约为1 ：8 。 在建筑市场上，使用的p v c 管材有两种：一种是耐乐管，一种是无压管。过去一般使用铸铁管 和铜管作为耐压管材，不仅腐蚀严重，而且需要经常维护、更换，成本较高。现国外建筑上广泛使 用的耐压自来水管、热水供应管大多使用p v c 管。小口径的p v c 管( u p v c 管，c p v c 管) 具有成本低、 耐腐蚀、不需经常维修更换等优点。用大口径p v c 耐压管( 直径在1 0 0 - 9 0 0 m m ) 替代铸铁管、增强 水泥管，有供水系统流动性好、耐腐蚀、重量轻的优点。 1 3 1 使用情况 目前公称直径5 0 0 m m 及其以下的混凝士管材在市政与住宅小区排水工程中已逐渐被塑料排水管 替代，公称直径5 0 0 m m 以上的大口径塑料排水管材在工程建设中已经有一定比重，供设计、施工和 使用单位选择的塑料管材品种越来越多。近年来，许多排水工程都采用塑料排水沟管。根据使用场 所不同，已开发出具有不同特性的u p v c 管道1 川。如： p v c 径向加筋管：是一种重型大口径超强筋环状波纹管材。特点是管外壁上带有径向加强筋， 能大大提高管材环刚度和耐压强度的作用，特别适用于市政工程中的排水。生产这种管材采用特殊 模具和成型后续装置。 双壁波纹管：双壁波纹管是同时挤出两个同心管，再将波纹管外管熔接在内壁光滑的铜管上而 制成的。具有光滑的内壁和波纹状外壁，质轻而强度高，比普通u p v c 管可节省4 0 一6 0 9 6 的原料，主 要用作通讯电缆护管、建筑排气管和农用排水管等。 p v c 透明增强管：经内、外两层塑料挤出成型而制成，中间夹有合成纤维，柔韧性好，可弯曲。 p v c 透明管具有较好的耐酸、耐碱、耐油、耐老化性能，可取代橡胶管，且价格便宜。广泛用于氮 气、氧气、一氧化碳等气体和水、稀碱、油类等液体的输送，也可用作热水器、喷雾器、煤气灶等 的导管n 4 1 。 c p v c 管：c p v c 管材是由含氯量高达6 6 以上的氯化聚氯乙烯加工而得的一种耐热性好的塑料管 材。c p v c 管材的耐热温度比u p v c 管材高3 0 以上，而且尺寸稳定性提高，线膨胀系数降低。c p v c 管耐热、耐老化、耐化学腐蚀，在沸水中也不变形，可用于热水、腐蚀液体和气体的输送川。 1 3 2 研究状况 目前，随着塑料管道在工程建设中的大规模推广应用，有关塑料管道的讨论日渐增多。在中国 学术期刊网( c n k i ) 中检索，得出如下信息：自2 0 0 0 年至今，有关“塑料管道”的论文有5 3 0 条：有 关“u p v c 排水管”的论文有5 0 条；而有关“管道水力特性”的论文有3 条。经过分析发现，大多数论 文研究内容主要集中在以下几个方面：各种新型管道的材料特性比较；塑料管道在工程中应用、推 广及施工技术；塑料排水管行业发展趋势预测等几个方面，内容趋于雷同。 相对而言，与工程设计关系密切的管道水力特性、水力计算等方面研究论文则鲜有报道，研究 成果也相对陈旧，工程设计人员对管道水力计算中的概念比较模糊，而这些内容作为工程设计的主 要依据却直接影响着工程造价和设计的经济性与合理性。 因为圆形断面有较好的水力性能，在一定坡度下，规定的断面面积具有最大的水力半径，因此 流速大，流量也大。此外，圆形管便于预制，使用材料经济，对外力的抵抗较强，若挖土的形式与 管道相称时，能获得较高的稳定性，在运输和施工养护方面也较方便，因此是最常用的一种断面形 式。城市排水管道通常采用圆形断面。为考虑通风、防爆、排除有害气体以及适应污水量变化，设 计时圆管内水流为非满流。对于城市合流管道或雨水管道，设计时常使管内水流恰好充满整个断面， 但断面顶端压强仍为大气压，称为满流。非满流和满流均可按明渠无压流计算。研究圆形断面管道 无压流水力特性，对于分析研究人工管渠、明流涵洞、无压泄洪隧洞中的水流运动及管道瞬变流和 明满流等均具有重要的实际意义。 1 3 3 工程中常用排水管道水力计算方法 有关管道水力计算的理论公式很多，但工程中排水管道水力计算的方法通常有两种： 1 水力计算法 t 即利用经典水力学计算公式进行计算，迄今为止已有许多管道紊流流速计算公式，其中，曼宁 4 。 第一章绪论 ( m a n n i n g ) 公式、达西一魏斯巴赫( d a r c y - - w e i s b a c h ) 公式、海曾一威廉( h a z e n w i l l i a m s ) 公式应用 较为普遍，可由统一形式表达： v = k j 。r 6q = a v 式中 v _ 断面平均流速( m s ) ； r 水力半径( m ) ； 卜。水力坡度； k 反映管壁粗糙情况的参数； a ，b 经验指数； r 水力半径，r = a x ( 卜过流断面面积x 一过流断面湿周) 卜流量； 在曼宁公式中，k = l n ；a = l 2 ，b = 2 3 ； n 相糙系数。 通常认为，海曾一威廉公式或达西一魏斯巴赫公式适用于有压管道流，曼宁公式则适用于管道 明流。水力计算法计算方便，但流速计算公式为经验公式，并没有得到严格证实，量纲也不和谐， 并且，曼宁公式中流速受管道粗糙系数的影响较大，当管道坡度及水力半径一定时，管内流速与n 成反比关系，这一结论尚待试验或观察证实副。 2 。查手册图表法 给排水设计手册一常用资料及其它一些工程设计手册都有可供查询管道流量的图表，在满 足已知管道过流流量时，通过这些图表假定管道坡度和充满度，可以查出满足条件的管道尺寸及相 应流速。该种方法较为简便，但大多数工程手册中的图表编制较早，所对应的管道材料都是混凝土 管或钢筋混凝土管。随着塑料管材不断普及，市政工程中。中小管径雨、污水管大量采用壁面光滑 的塑料管道，其粗糙系数与图表对应参数相差很大，这给工程设计带来很大麻烦。实际工程中，设 计人员在缺乏资料的情况下，有先采用钢筋混凝土管估算，后将所得管径根据情况减小一至两号的 做法，这种做法不但缺乏理论依据，而且全凭设计人员的主观经验，有很大的不确定性。 1 4 问题的提出及研究内容 排水管网作为排水系统的主体，占整个污水处理系统工程造价的比例最大。随着塑料管材在给 排水管道中的应用和发展，u p v c 等以其优良的材料特性逐渐在工程实践中得到认可，而已使用上百 年的传统管材铸铁管、钢管、钢筋砼管等将要被新型管材取代n 引。给排水专业的设计、施工和 监理人员及工程建设的管理人员等，都将面临专业知识更新的问题。传统管道的设计参数计算方法 等都不一定能适用于新型塑料管道，确定适用于新型管道的设计参数及计算公式对满足工程设计的 经济性与合理性有着重要的现实意义。因此。有关市政给排水管道水力特性及计算方法的研究刻不 容缓。 1 4 1 问越的提出 目前，对于圆形断面管道无压均匀流计算，工程设计采用的方法及有关教科书上所介绍的方法 均为计算流量比、流速比方法，首先根据充满度确定圆心角，进而由圆心角与流量比、流速比解析 表达式计算得到。实际工作中，由于直接进行计算比较复杂，往往根据预先作好的图表计算即根 据计算的数据绘制成充满度与流量比、流速比的关系曲线( 排水管道水力元素曲线) 这一计算方法 延续了几十年，并被工程人员广泛采用，由于历史条件的限制，这些公式及图表的主要参数都是针 对混凝土或钢筋混凝土管，面对日益广泛采用的新型塑料管道，其流速、流量随充满度变化的机理 及水力特性至今没有很好的分析研究。圆管无压流比有压流复杂，自由水面和过流断面形状对流动 的影响一般只能根据经验估计现有管道非满流流速计算公式大多为经验公式，并没有得到严格证 实，且量纲也不和谐。 近年，国内外已有一些科技人员对圆形管道的水力特性做了研究，取得了一定进展。如： 1 9 6 7 年。p o m e r o y r d 对排水管渠内流速分布做了研究。 1 9 9 3 年，英国h e r i o t - w a t t 大学的m a o zy 对圆管内非稳定半满流的运动机理做了研究。 一直以来，我国在城市排水方面，偏重于污水处理技术研究，对城市排水体制方面的关注较少 科技进步对城市排水管网领域的推动作用不大，作为一个整体系统。城市排水管网领域的现代科学 理论和技术己大大落后，与先进城市污水处理理论与技术形成强烈的反差。 近年来，我国一些研究机构对排水管道处理污水技术及水力特性研究作了如下有益的探索： 2 0 0 3 年，周健等人就下水道活性污泥系统处理城镇污水作了试验性研究。 5 东南大学硕 j 学位论文 2 0 0 6 年，清华大学的茅泽育、相鹏等人对圆形断面排水管道水力特性做了探讨。 2 0 0 7 年，清华人学的茅泽育、赵旋等人对圆形断面管道非满流流速计算表达式进行了推导。 本文也拟通过试验数据图解出塑料排水管道流量、流速、粗糙系数及坡度之间的关系，并验证 现有各水力计算公式及水力计算图表的适用性，通过试验数据及公式推导，比较筛选出适用于新型 塑料管道的水力计算公式及参数。 1 4 2 研究内容 在总结前人研究成果的基础上，本文将对u p v c 管道粗糙系数的计算、圆管无压管流的水力特性 及水力计算公式开展研究，探索粗糙系数与紊流水力特性的相互联系，研究粗糙系数在计算中的作 用以及对计算结果的影响，为认识粗糙系数的性质并能在计算中正确选择和调整公式计算结果提供 依据。 本文着重研究的问题： 1 管道水力计算公式比较 2 水力特性与粗糙系数关系分析 3 通过实测数据确定适合塑料管道及巴浦洛夫斯基计算公式的粗糙系数 4 u p v c 排水管水力计算公式及设计方法研究 5 u p v c 管材在市政工程中的新进展 6 第章管道沿程损失汁算公式研究 第二章管道沿程损失计算公式研究 管道水力计算的目的在于合理、经济地选择管道断面尺寸、坡度和埋深。由于计算的依据是根 据水力学规律，所以称做管道的水力计算。根据前面所述，如果在设计与施工中注意改善管道的水 力条件，可使管内污水的流动状态尽可能地接近均匀流，因此，为了简化计算工作，目前在排水管 道的水力计算中仍采用均匀流为研究模型。 2 1 管道层流及紊流理论 2 1 1 圆管的紊流结构 在实际液流中，由于液体与管壁间的附着力作用，会有一极薄层液体贴附在管壁上不动，其流 速为零，此称为无滑动条件。在紧靠管壁附近的液层流速从零增加到有限值，速度梯度很大，而管 壁却抑制了附近液体质点的紊动，混合长度几乎为零。 因此，在这一液层内，紊流附加切应力钯= o ，但粘性切应力1 7 ，不可忽视。这一薄层称为粘性底 层或层流底层，其厚度6 按下式计算： 万：一3 2 8 1 v ：，3 2 8 1 d ( 2 1 )口= 1 = #、， v 4 , tr e 4 ；t 式中 入- 沿程阻力系数； r e 一雷诺数； d 管径： v 断面平均流速( m s ) ； 1 卜一运动粘度。 公式( 2 1 ) 表明，6 0 c1 r e 或8 1 1 ) ，流速增大，6 将随之变薄。一般6 只有十分之几毫米， 但它对水流阻力或水头损失却有重大影响。 如图2 - 1 ( a ) 、( b ) 所示，在紊流运动中，由于层流底层厚度可随流速( 或雷诺数) 变化，设 管壁绝对粗糙度为，则管壁粗糙度对水流的影响可能出现两种情况： - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 c a ) 水力光滑管( b ) 水力粗糙管 图2 - 1 管壁粗糙度对水流的影响 1 6 ，称为“水力粗糙管”或“水力粗糙面”。此时突出于层流底层之外的紊流流核中， 造成漩涡，加剧紊流脉动，加大了水流阻力，因此，管壁粗糙度将加大水头损失。此时，水头损失 不但与雷诺数有关，而且与管壁粗度有关。即： 层流区或水力光滑管 = ( r e ) 紊流水力粗糙管 a = ( r e ，a d ) 水力光滑管与水力粗糙管概念并无绝对不变的含义。 层的厚度则