排水工程.ppt

城市排水工程,大气,降水,雨,雪,蒸发,渗流,径流,冰川,蒸发,地下水,江河湖泊,海洋,水的自然循环,本章的主要内容,概论污水（雨水）管道系统设计排水管渠及附属构筑物,-排水工程概念、内容、作用、排水体制、排水系统的布置形式等,-排水管渠断面形式、接口、基础、附属构筑物等,-管道系统设计流量、水力计算等,1.1排水工程的概念、作用、内容,什么是排水工程在城镇，从住宅、工厂和各种公共建筑中不断地排除各种各样的污水，需要有效地收集、输送，并进行适当的处理，以保护环境卫生；对城镇降水也需要及时地排除，否则将会积水成灾，妨碍社会生活。排水工程就是用完善的管渠系统及泵站、处理厂等各种设施，将城镇各种污水和雨水，进行收集、输送、处理和利用的工程。,1、排水工程概论,排水工程的作用,1保护环境免受污染，使城市免受污水之害和洪水之灾,2促进工农业生产，保证城市可持续发展,3保护人民的身体健康与正常生活,城市污水的再利用有控制地利用污水灌溉农田，工业废水中有价值的原料的回收，以及城市污泥的利用等。,通常污染的水对人类健康的危害有两种方式：传染疾病：污水中含有致病微生物而引起传染病的蔓延，如伤寒、霍乱、胃肠炎、痢疾、传染性肝炎等污水中的有毒有害物质，能引起人们急性或慢性中毒，甚至引起癌症或其它各种“公害病”。,排水工程的任务将污、雨水收集并输送到排放地点，是排水管网的任务；将排水管网输送来的污水，进行妥善处理和合理的利用，是污水处理厂的任务。,什么是污水人类生活和生产中用过的，改变了原来的化学成分和物理性质的水，叫污水。污水的种类,1.2污水含义及种类,生活污水生活污水，是指在人们日常生活中经使用过的水，包括从厕所、卫生间、浴室、厨房、食堂和洗衣房等处排除的水。它来自居民住宅区、公共建筑、机关、学校、医院、商店及工厂中生活间部分。主要成分：有机物(例如蛋白质、动植物脂肪、碳水化合物、尿素、氨氮等)。污染较严重，需处理后排放,工业废水工业废水，是指工矿企业在生产过程中排放的废水。工业废水按其污染程度的不同可分为；生产废水和生产污水两类。生产废水是指在使用过程中受到轻度污染或水温增高的水。如冷却水即属于这一类，通常经局部处理即可在生产中重复利用，或直接排入水体。生产污水是指在使用过程中受到严重污染的水，其成分复杂，往往含有大量的有机物，重金属及有毒物质，这类污水一般需要经过适当处理后才能排放，或在生产中重复利用。天然降水天然降水，一般是指雨水及融化的冰雪水。由于天然降水的径流量很大，必须及时排除，否则，会积水成灾，影响当地居民的正常生活和生产活动。,污水的最终出路有三：,一是排放水体,二是灌溉农田,三是重复使用,其中排放水体是最常用的一种处置方式。,污水的收集、输送、处理和排放等设施以一定的方式组成的总体。排水系统包括管道系统和污水处理系统。管道系统：收集和输送污水的设施，把污水从产生处输送至污水厂或出水口，它包括排水设备、检查井、管渠、水泵站等工程设施。污水处理系统：处理和利用污水的设施，包括城市及工业企业污水厂(站)中的各种处理构筑物及除害设施等。,1.3排水系统体制,排水系统的含义,排水系统体制的含义,城市中的生活污水、工业废水和降水的收集与排除方式称为排水系统的体制，简称排水体制。,排水体制的分类,完全分流制分流制不完全分流制排水体制半分流制（截流式分流制）合流制直排式合流制截流式合流制完全合流制,将生活污水、工业废水及天然降水采用同一管网系统收集、输送和排放时，一般称这种排水方式为合流制排水系统。,合流制排水系统,直排式合流制,在一些大城市，早期修建的合流制排水系统，对于收集、输送的城市污水及天然降水都不经任何处理，直接排入天然水体，这种形式称为直排式合流制。国内外的许多大城市，在早期建成的排水系统，几乎都是采用的直排式合流制系统，对水体污染严重。,优点：采用这种系统时，街道下只有一条排水管道，因而管网建设比较经济;又不建污水厂，所以投资一般较低。有时出水口构造复杂，造价较高，但总投资还是较低的。缺点：由于全部污水不经处理直接排入水体，故对水体污染严重。,截流式合流制排水系统，是在原有直排式合流体制基础上，增建一条或多条截流干管，将原有的各个独立的出口串联起来，沿水体增建截流总干管并设置溢流井。,截流式合流制,污水与雨水合流后排向沿河的截流干管，并在干管上设置雨水溢流井。不降雨水时，污水流入处理厂进行处理；降雨时，管中流量增大，当管内流量超过一定限度时，超出的流量将通过溢流井溢入河道中。该系统中，城市污水及部分初降雨水得到了处理，从而大大地改善了排放污水的水质，减轻了对天然水体的污染。即使在雨天，也仅有部分混合污水不经处理直接排入水体，故对水体的污染较直排式合流制有很大的改善；但在多雨的地区，污染可能仍然严重。适合于老城市的旧合流制的改造。,将污水和雨水合流于一条管渠，全部送往污水处理厂进行处理。特点：卫生条件较好，街道下只有一条排水管道，因而管网建设比较经济。缺点：几种污水汇集后都流入处理厂，使处理厂的规模过大，投资过多，建设困难；不降雨时，排水管内水量较小，管中水力条件较差；污水厂的运行管理不便。因此，采用者不多。,完全合流制,分流制排水系统的排水方式是：将生活污水、工业废水与天然降水分类排除。为此要建造两个或两个以上的排水管网系统，分别收集、输送和排除。,分流制排水系统,在分流制排水系统中，一般将生活污水与工业废水合并排入同一排水管网系统；将天然降水单独排入另一排水管网系统。我们将收集、输送、排除生活污水和工业废水的排水管网称为污水管网系统；收集、输送、排除天然降水的排水管网，称为雨水管网系统。,（1）完全分流制分设污水和雨水两个管渠系统，前者汇集生活污水、工业废水，送至处理厂，经处理后排放和利用；后者汇集雨水，就近排入水体。新建的城市、工业区和开发区，一般应采用该形式。,特点：完全分流制系统卫生情况好，管内水力条件也较佳，并可以分期建设，减少一次投资。实际采用的较多。缺点：由于管道数增多，投资比合流制增大。同时，因雨水可直接排入河道，初降的雨水较脏，有可能污染河道。,（2）不完全分流制只有污水管道系统而没有完整的雨水排水系统。污水通过污水排水系统流至污水处理厂，经过处理利用后，排入水体；雨水通过地面漫流进入不成系统的明沟或小河，然后进入较大的水体。该种体制投资省，主要用于有合适的地形，有比较健全的明渠水系的地方，以便顺利排泄雨水。对于新建城市或发展中地区，为了节省投资或急于排出污水，先采用明渠排雨水，待有条件后，再改建雨水暗管系统，变成完全分流制系统。对于地势平坦，多雨易造成积水地区，不宜采用不完全分流制。,（3）半分流制（截流式分流制）既有污水排水系统，又有雨水排水系统。与完全分流制的不同之处是在于它具有把初期雨水引入污水管道的特殊设施，称雨水跳越井。在小雨时，初期雨水经截流干管与污水一起进行污水处理厂处理；大雨时，后续雨水跳越截流干管经雨水干管排入水体。该种体制可以更好地保护水环境，卫生条件好，但投资大，在经济条件好，生活水平高，对环境卫生有特殊要求的地区可采用，目前使用不多。,合流制和分流制的比较：,环保方面：完全合流制对环境的污染最小；截留式合流制雨天时部分污水溢流入水体，造成污染；分流制在降雨初期有污染。,造价方面：合流制管道比完全分流制可节省投资20%40%，但合流制泵站和污水处理厂投资要高于分流制，总造价看，完全分流制高于合流制。而采用不完全分流制，初期投资少、见效快，在新建地区适合采用。,合流制污水厂维护管理复杂。晴天时合流制管道内易于沉淀。同时，晴天和雨天流入污水厂的水量变化很大，增加了污水厂运行管理的复杂性。,维护管理：,排水体制的选择,1、工业企业中，一般采用分流制排水系统多数情况下，采用分质分流、清污分流。若生产废水的成分和性质同生活污水类似时，可将生活污水和生产污水用同一管道系统排放。水质较清洁生产废水可直接排入雨水管道，或重复利用。含有特殊污染物的有害生产污水，应在车间附近设置局部处理设施，不允许与生活或生产污水直接混合排放。,2、城市中环境保护是选择排水体制时所考虑的主要问题。在新建地区，排水系统一般应采用分流制。可考虑采用合流制排水系统的情况：a.附近有水量充沛的大河或近海；b.街道较窄且地下设施较多，修建污水和雨水两条管线有困难地区；c.雨水稀少，废水全部处理的地区(沙漠地区)。,我国目前排水系统的状况：排水管渠多为合流制，且普及率低。城市污水处理率低，大部分城市污水未经处理直接排入水体，造成水体污染。污染较多严重的“三河”“三湖”三河：辽河、海河、淮河三湖：滇池、太湖、巢湖此外，渤海湾近40%的海域污染严重(主要是富营养化)，据统计，鱼类已由119种减至53种(2000年底),排水系统的组成为了及时、有效地收集、输送、排除城市污水及天然降水，可以采用不同的排水体制。任何一种排水体制，都是由一系列作用不同的各种设施组成的。,1.4排水系统的组成及布置形式,污水排水系统的组成,雨水排水系统的组成,城市污水排水系统的组成部分,室内污水管道系统与设备,室外污水管道系统,污水处理厂,出水口,事故排出口,污水泵站或压力管道,手盆、便器、水封管、支管、竖管、出户管,街坊管道、街道污水管道、附属构筑物等,1生活污水排水系统生活污水排水系统由室内污水排水系统和室外污水排水系统两大部分组成。,污水排水系统的组成,(1)室内污水排水系统室内污水排水系统主要包括：室内污水排水管道及其附属卫生设备。它用于收集、输送室内的生活污水，并将其排至室外的管网。(2)室外污水排水系统室外污水排水系统包括街坊污水系统与街道污水系统两个组成部分，设置在工厂或居民住宅区内的污水管道，称为街坊污水系统，其作用是将厂区、居住区的生活污水收集并输送至街道污水系统。街道污水系统是敷设在街道下，一般布置在市政道路下，其作用是接纳从街区、厂区排水管的污水，经过各级管道输送至污水处理厂或排水出口。污水沿着由支管、干管、主干管组成的地下枝状管网排出。,庭院或街坊管道系统敷设在一个庭院地面以下，连接各房屋出户管的管道系统称为庭院管道系统。敷设在一个街坊地面以下，并连接一群房屋出户管或整个街坊内房屋出户管的管道系统称为街坊管道系统。如果敷设在居住小区内，则称为居住小区管道系统。,街道污水管道系统敷设在街道下面用以排除庭院或街坊管道流来的污水的管道系统称为街道污水管道系统。在市区内它由支管、干管和主干管等组成。,支管承接由庭院或街坊污水管道流来的污水。在排水区界内，常按分水线划分成几个排水流域，在各排水流域内，干管汇集输送由支管流来的污水，也常称为流域干管。主干管汇集输送由两个或两个以上干管流来的污水，市郊干管把污水从主干管输送至总泵站、污水厂、出水口等。管道系统上还包括检查井、跌水井、倒虹管等附属构筑物。,2污水管网系统上的附属构筑物在污水管网系统中，除必须的管渠外，还设有一些必要的附属构筑物，其中包括：检查井、连接井、跌水井、倒虹管等，有关这些构筑物的详细内容，将在以后介绍。,3污水泵站及压力管道污水一般以重力流排除，但当受到地形等条件限制、重力流有困难时，就需要设置泵站。泵站分为局部泵站、中途泵站和总泵站等。压送泵站出来的污水至高地自流管道或污水厂的承压管段，称为压力管道。,局部泵站：低洼地区的污水需要提升至较高地区的管道中污水泵站中途泵站：当埋深大于最大允许值时设置总泵站：污水厂中(终点泵站),4污水处理厂污水在排入天然水体前，为了保护水体、减少污染，一般要经过必要的处理，以改善排放污水的水质。这些处理污水和污泥的构筑物及其附属设施的组合，称为污水处理厂。城市污水处理厂，一般在排水管网的总出水口前，位于河流的下游，并距城镇的居住区或公共建筑有一定的卫生防护距离。,5出水口及事故排出口污水排入受纳水体的渠道和出口称为出水口，它是整个城市污水排水系统的终点设备。事故排出口是指在污水排水系统的中途，在某些易于发生故障的组成部分前面所设置的辅助性出水渠。一旦发生故障，污水就通过事故排出口直接排入水体。,雨水收集系统与设备,街坊或厂区雨水管道系统,街道雨水管道系统,出水口,雨水泵站,雨水口、天沟、雨水斗、水落管,雨水排水系统的组成部分,1房屋雨水排除设备用于收集、输送来自住宅、厂房、公共建筑等屋面的雨水，并将其排到地面的集水设施，一般包括：天沟、雨水斗、水落管及建筑周围的雨水沟等。,雨水排水系统的组成,房屋雨水排除设备与雨水排水系统的关系,4、雨水排水泵站雨水管网系统中，雨水一般可就近直接排入天然水体。设计中，力求不设置雨水排水泵站。然而，在地势平坦地区，排水范围广，管线长的条件下，有时不得不设置雨水排水泵站。此外，在汛期，由于接纳水体的水位高，雨水管网受天然水体标高的限制，不能直接排入，也需要在出口处建设泵站，经泵站提升后强制排入水体。,2、街坊雨水排水系统设置于厂区或居住区内的雨水管道、雨水明渠、雨水口及其支管，被称为街坊雨水排水系统。它用于收集、输送厂区或居住区内的地面雨水，并将其排入街道雨水排水系统。,3、街道雨水排水系统设置于城镇主要街道及工业区主要干道的雨水干管和城市主要雨水排水渠，构成城市排水的骨干系统，称为街道雨水排水系统。它不仅收集、输送所在道路及其汇水范围内的地区雨水，还要接纳由街坊雨水管网系统转送来的全部雨水。,排水系统的布置形式,排水系统的布置原则,充分利用地形、地势，就近排入水体，以减小管道埋深、降低工程造价,排水系统布置的影响因素,地形地势,土壤情况,河流情况,气候情况,城市总体规划,1正交式布置当地势向水体适当倾斜的地区，各排水流域的干管可以最短距离沿与水体垂直相交的方向布置，这种称为正交式布置。正交布置的干管长度短、管径小，造价经济，污水排出迅速。但污水未经处理直接排放会使水体遭受严重污染。因此，在现代城市中，这种形式仅用于排除雨水。,就地形条件而论，排水系统有以下几种主要布置形式：,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-干管；5-出水口；6-污水厂；7-灌溉田；8-泵站口,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,2平行式布置在地势向水体有较大倾斜的地区，为了避免因干管坡度和管内流速过大，使干管受到严重冲刷，可使干管与等高线或水体基本平行，主干管与等高线或水体成一定倾斜角度敷设，这种布置形式称为平行式布置。,1-干管；2-主干管；4-污水泵站；5-压力管道；6-污水处理厂；7-出口管渠,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,3分区式布置在地势高低相差很大的地区，当污水不能靠重力流至污水厂时，可采用分区式布置。即在地势高的地区和地势低的地区分别敷设独立的管道系统，高地势地区的污水靠重力流直接进入污水厂，而低地势地区的污水则靠泵站提升至高地势地区干管或污水厂。它只能用于个别阶梯地形或地形起伏很大的地区，优点是能充分利用地形排水，节省电力。,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-干管；5-出水口；6-污水厂；7-灌溉田；8-泵站口,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,对正交式布置，在河岸再敷设总干管，将各干管的污水截流送至污水厂，这种布置称为截流式。这种方式对减轻水体污染，改善和保护环境有重大作用。适用于分流制污水排水系统，将生活污水及工业废水经处理后排入水体。也适用于区域排水系统，区域总干管截流各城镇的污水送至城市污水厂进行处理。同样适用于截流式合流制排水系统，但应注意雨天有部分混合污水排入水体，易造成水体污染。,（4）截流式布置,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-干管；5-出水口；6-污水厂；7-灌溉田；8-水体,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,当城市周围有河流，或城市中央部分地势高，地势向周围倾斜的地区，各排水流域的干管常采用辐射状分散布置，各排水流域具有独立的排水系统。这种布置具有干管长度短、管径小、管道埋深浅、便于污水灌溉等优点，但污水厂和泵站的数量将增多。在地形平坦的大城市，采用辐射状分散布置可能是比较有利的。对于大城市可以考虑采用，如我国上海等城市便采用了该种布置形式。,（5）分散式布置,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-干管；5-出水口；6-污水厂；7-灌溉田；8-水体,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,（6）环绕式布置,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-干管；5-出水口；6-污水厂；7-灌溉田；8-水体,1-城市边界；2-排水流域分界线；3-支管；4-主干管；5-污水厂；6-污水泵站；7-出水口,近年来，由于建造污水厂用地不足，而且建造大型污水厂比建造多个小型污水厂经济等原因，而倾向于建造规模大的污水厂，所以将分散式发展成环绕式布置，通过截流主干管将污水截流送至污水厂。对于中小城市可以考虑采用。,排水管道在街道上的位置在现代化城市的街道下，埋有各种地下设施：(1)各种管道一给水管、排水管、煤气管、供热管等；(2)各种电缆电话电缆、电灯电缆、电力电缆、电信电缆等；(3)各种隧道一人行地道、地下铁道、防空隧道、工业隧道等。这些设施在街道横断面上的位置(平面位置和垂直位置)，均由规划部门统筹安排。建设部门必须按批准的位置进行建设。,1.5排水管道平面与纵向布置,所有地下管线应尽量布置在人行道、非机动车道和绿化带下，不得已时，才将埋深大、修理次数少的污水、雨水管道布置在机动车道下。从道路红线向道路的中心线方向平行布置的次序宜为：电力电缆、电信电缆、燃气配气、给水配水、热力管道、燃气输气、给水输水、雨水排水、污水排水。各种管线在立面上的布置一般为：给水管在污水排水管之上，电力管线、煤气管线、热力管线在给排水管线之上。,因此，污水管道与其他地下管线或设施的水平和垂直最小净距见下表。,一般情况下，污水管道与其他地下管线或设施之间的相对位置应满足下列要求；(1)保证在敷设和检修管道时互不影响；(2)污水管道损坏时，不致影响附近建筑物及基础，不致污染生活饮用水。,(3)与建筑物水平净距：管道埋深浅于建筑物基础时，一般不小于2.5m(压力管不小于5.0m)；管道埋深深于建筑物基础时，按计算确定，但不小于3.0m。(4)与给水管水平净距：给水管管径小于或等于200mm时，不小于1.5m；给水管管径大于200mm时，不小于3.0m。与生活给水管道交叉时，污水管道.合流管道在生活给水管道下面的垂直净距不应小于0.4m。当不能避免在生活给水管道上面穿越时，必须予以加固，加固长度不应小于生活给水管道的外径加4米。(5)与乔木中心距离不小于1.5米；如遇现状高大乔木时，则不小于2.0米。(6)穿越铁路时应尽量垂直通过。沿单行铁路敷设时应距路堤坡脚或路堑坡顶不小于5米。,管道的埋设深度是指管底内壁到地面的距离。管道的埋设深度对整个管道系统的造价和施工影响很大。管道埋深越大，造价越高，施工期越长。有的管道埋深增加2-3m，成本将增加1倍以上。为了降低造价，缩短施工期，管道埋深愈小愈好。但覆土厚度应有一个最小的限值，以满足技术上的要求，这个最小限值成为最小覆土厚度。,污水管道的埋深与覆土厚度,经计算，污水管网占污水工程总投资的50-75，而构成污水管道造价的管槽开挖、回填、沟槽支撑、管道基础等都与管道的埋设深度有关，因此确定经济合理的管道埋深对于降低工程造价是十分重要的。,覆土厚度是指管道外壁顶部到地面的距离；覆土厚度应有一个最小的限值，即最小覆土厚度。它是为满足以下技术要求而提出的：(1)防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道冰冻层内污水管道埋设深度或覆土厚度，应根据流量、水温、水流情况和敷设位置等因素确定。由于污水温度较高，即使在冬天水温也不会低于4。比如，根据东北几个寒冷城市冬季污水管道的调查，满洲里市、哈尔滨、齐齐哈尔市的出户污水管水温，经过多年实测在4-15之间，齐齐哈尔市的街道污水水温平均为5，一些高达8-9。此外，污水管道按一定的坡度敷设，管内污水经常保持一定的流量不断流动。因此，污水在管道内是不会冰冻的，管道周围的土壤也不会冰冻。所以，不必把整个污水管道都埋设在土壤冰冻线以下。但如果将管道全部埋设在冰冻线以上，则因土壤冰冻膨胀可能损坏管道基础，从而损坏管道。,最小埋深或最小覆土厚度的确定,室外排水设计规范规定：无保温措施的生活污水管道或水温和它接近的工业费水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m，并应保证管顶最小覆土厚度。国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地的养护经验采用。无养护资料时，管底最小埋深在最低冰冻线以上的数值采用如下：管径小于500mm，为0.3m；管径大于500mm，为0.5m，但管顶最小覆土厚度不得小于0.7m。,(2)必须防止管壁因地面荷载而受到破坏埋设在地面下的污水管道承受着覆盖其上的土壤静荷载和地面上车辆运行造成的动荷载。为防止管壁在这些动、静荷裁作用下被破坏，除提高管材强度外，重要的措施就是保证管道有一定的覆土厚度。因为车辆运行对管道产生的动荷载，其垂直压力随着深度增加而向管道两侧传递，最后只有一部分集中的轮压力传递到地下管道上。从这一因素考虑并结合各地埋管经验，管顶最小覆土厚度应根据管材强度、外部荷载和土壤性质等条件，结合当地经验确定。管顶的最小覆土厚度宜为：人行道下0.6m，车行道下0.7m.,(3)满足街区污水连接管衔接的要求,最小埋深必须满足街坊内管道与街道下管道衔接上的要求。街道污水管道必须能承接街坊污水管、而街坊污水管又必须承接房屋出户污水管，因此，街道污水管埋深受到出户污水管埋深的控制。在气候温暖的地区，居民出户管的最小埋深，从安装技术讲，要使建筑物首层卫生器具内的污水顺利排出，通常采用0.55-0.65m；在寒冷地区，按室外排水设计规范规定计算，最小埋深过大。哈尔滨建筑大学经过调查认为，应该采用减小埋深而增大出户管坡度的办法。管径D150mm用1坡度；D200mm用7坡度。寒冷地区可将污水出户管顶浅埋至最大冰冻厚度1/3处。,街道污水管起始端埋深，可根据污水出户管埋深进行计算,管道的埋深有一个最大限值，称为最大埋深。一般应据技术经济指标及施工方法决定。,在污水排水区域内，对管渠系统的埋深起控制作用的地点称为控制点。各条管渠的起点大都是这些管渠的控制点，离出水口最远的起始点，一般情况是整个管渠系统的控制点。,从上述三个不同因素出发，可以得到三个不同的管道埋深或覆土厚度，这三个数值中的最大值就是这一管道的最小覆土厚度或最小埋深。,污水管道的衔接在污水管道系统中，为了满足衔接与养护管理的要求，通常在管径、坡度、高程、方向发生变化及支管接入的地方设置检查井。在检查井中必须考虑上下游管道衔接时的高程关系。管道衔接应遵循以下两个原则：(1)尽可能提高下游管段的高程，以减小管道的埋深，降低工程造价；(2)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。,水面平接水面平接是指在水力计算中，使上游管段终端和下游管段起端在设计充满度条件下的水面相平，即上游管段终端与下游管段起端的水面标高相同。一般用于上下游管径相同的污水管道的衔接。由于上游管段中的水面变化较大，水面平接时在上游管段内的实际水面标高可能低于下游管段的实际水面标高，因此，在上游管段中易形成回水。,管顶平接管顶平接是指在水力计算中，使上游管段终端和下游管段起端的管顶标高相同。一般用于上下游管径不同的管道的衔接。采用管顶平接可以避免在上游管段中产生回水，但下游管段的埋深将增加。这对于城市平坦地区或埋设较深的管道，有时是不适宜的。,无论采用哪种衔接方法，下游管段起端的水面和管内底标高都不得高于上游管段终端的水面和管内底标高。,污水管道系统设计的首要任务，在于正确地确定污水设计流量。污水设计流量是污水管道及其附屑构筑物能保证通过的最大流量。通常以最大日最大时流量作为污水管道系统的设计流量。它包括生活污水设计流量和工业废水设计流量两部分。,2污水管道系统设计流量的确定,居住区生活污水设计流量,2.1生活污水设计流量,城市污水管道的生活污水主要来自居住区、工业企业的生活间和公共建筑三部分。生活污水量计算方法各不相同，现分述如下：,(1)居住区生活污水量标准n,居住区生活污水量标准也称为居住区生活污水排水定额，是指在居住区污水排水系统设计中所用的每人每日所排出的平均污水量。它与给水量标准、室内卫生设备情况、气候、居住条件、生活习惯、生活水平及其他地方条件等许多因素有关。,(2)设计人口设计人口是指污水排水系统设计期限终期的规划人口数，是计算污水设计流量的基本数据。它是由城市总体规划确定的，在数值上等于人口密度与服务面积的乘积。,(3)生活污水量总变化系数由于居住区生活污水量标准是平均值，因而根据设计人口数和生活污水量标准计算所得到的是污水平均日流量。而实际上流入污水管道的污水量时刻都在变化。夏季与冬季不同，一天中白天和晚上也不相同，白天每小时的污水量也有很大差异。一般说来，居住区的污水量在凌晨几个小时最小，上午6-8时和下午5-8时最大。就是在一小时内，污水量也是有变化的，但这个变化较小，通常假定一小时内流入污水管道的污水是均匀的。这种假定一般不会影内污水排水系统设计和运转的合理性。,实际上，总变化系数随污水平均流量的大小而不同，平均流量愈大，则总变化系数愈小。,工业企业的生活污水主要来自生产区的食堂、卫生间等，淋浴污水来自浴室，并且在每个工作班下班后1h内较均匀流出。因此，工业企业生活污水和淋浴污水的设计流量可按下式计算：,工业企业生活污水和淋浴污水设计流量,公共建筑生活污水设计流量某些小型公共建筑和工业企业的污水量已包括在居住区生活污水量标准之内，而大型公共建筑和排水量大的工业企业的污水量则作为集中流量单独计算。如需计算排水量大的工业企业或大型公共建筑的集中污水流量，亦按上述方法计算。,工业废水设计流量按下式计算,2.2工业废水设计流量,工业废水量标准取决于产品种类、生产工艺、单位产品用水量以及给水方式等。在不同的工业企业中，工业废水的排出情况很不一致，有些工业废水是均匀排出的，而有些则变化较大，甚至个别车间的工业废水在短时间内一次排放。因而工业废水量的变化取决于工业企业的性质和生产工艺。一般情况下，工业废水量的日变化较少，其日变化系数为1。时变化系数可通过实测废水量最大一天的各小时流量计算。某些工业废水量的时变化系数大致为：冶金工业1-1.1；化学工业1.3-1.5；纺织工业1.5-2；食品工业1.5-2；皮革工业1.5-2；造纸工业1.3-1.8。,2.3地下水渗入量,当土质、地下水位、管道和接口材料以及施工质量、管道运行时间等因素的影响，地下水位高于排水管渠时，排水系统的设计应考虑渗入的地下水量。渗入的地下水量Q4根据测定资料确定，一般按单位管长和管径的渗入地下水量计，也可按平均日综合污水和工业废水量计。日本规定采用经验数据，按每人每日最大污水量的10-20%计，美国按0.01-1.0m3/d.mm-km计。,这种计算方法是假定排出的各种污水都在同一时间内出现最大流量，这在污水管道设计中是合理的。但在泵站和污水厂设计中，如采用此法计算污水设计流量将造成巨大浪费。因为各种污水最大时流量同时发生的可能性很小，且各种污水汇合时能相互调节，因而可使流量高峰降低。因此，在确定泵站和污水厂的设计流量时，应以各种污水混合后的最大时流量作为设计流量才是经济合理的。,城市污水设计流量为：,2.4城市污水设计总流量,Q=Q1+Q2+Q3+Q4,例：某肉类联合加工厂每天宰杀活牲畜258t，废水量标准为8.2m3/t，总变化系数为1.8，三班制生产，每班8h。最大班职工人数860人，其中在高温及严重污染车间工作的职工占总数的40，使用淋浴人数按85计；其余60的职工在一般车间工作，使用淋浴人数按30%计。工厂居住区面积为9.5hm2，人口密度为580人hm2。生活污水量标准为160L/(人d)，各种污水由管道汇集送至污水处理站，试计算该厂的污水设计流量。,3污水管道的水力计算,3.1污水管道的水力计算,污水管道水力计算的目的在于合理地、经济地选择管道断面尺寸、坡度和埋深。由于这种计算是根据水力学规律，所以称为管道的水力计算。如果在设计与施工中注意改善管道的水力条件，则可使管内污水的流动状态尽可能地接近均匀流。由于变速流公式计算的复杂性和污水流动的变化不定。因此，为了简化计算，目前在排水管道设计中仍采用均匀流公式。,污水在管道中流动的特点污水由支管流入干管，再流入主干管，最后流入污水处理厂。管道由小到大，分布类似河流，呈树枝状。污水在管道中一般是靠管道两端的水面差从高处向低处流动，管道内不承受压力，靠重力流动。,排水管道水力计算的基本公式,流量公式,流速公式,C流速系数或谢才系数；,（过水断面面积与湿周的比值）,（过水断面面积）,计算C值的经验公式，常用的有曼宁公式。,经进一步计算得,污水管道设计参数由水力计算公式可知，设计流量与设计流速和过水断面积有关，而流速则与管壁粗糙系数、水力半径和水力坡度有关。为保证污水管道的正常运行，室外排水设计规范(GBJl4-87)(1997年版)中对这些因素综合考虑，提出了如下的计算控制参数，在污水管道设计计算时，必须予以遵守。,设计充满度在设计流量下，污水在管道中的水深h与管道直径D比值称为设计充满度，它表示污水在管道中的充满程度,当H/D1时称为满流，H/D1时称为不满流。室外排水设计规范规定，污水管道按不满流进行设计，其最大设计充满度的规定如表所示。,(1)为了安全,污水流量时刻在变化，很难精确计算，而且雨水或地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，有必要保留一部分管道断面，为未预见水量的增长留有余地，避免污水溢出妨碍环境卫生，同时使渗入的地下水顺利流泄。,(2)有利通风,污水管通内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体，可能形成爆炸性气体。故需留出适当的空间，以利管道的通风，排除有害气体。,管道部分充满时，管道内水流速度在一定条件下比满流时大一些。例如，h/D0.813时，流速达到最大值，而当h/D1和0.5时的流速相等。h/D=0.95时，流量Q达到最大值，然后降低，而h/D1时的流量比h/D=0.5时的流量大一倍。,(3)水力条件,污水按照不满流设计的原因是：,设计流速设计流速是指管道在设计充满度条件下，排泄设计流量时的平均流速。设计流速过小，污水流动缓慢，其中的杂质则易于沉淀淤积；反之，污水流速过高，可能对管壁产生冲刷，甚至损坏管道。为了防止管道内产生淤积或管壁遭受冲刷，室外排水设计规范规定了污水管道的最小设计流速和最大设计流速。最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的流速。根据污水管道实际运行的经验，污水管道在设计充满度下的最小设计流速为0.6ms。最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材料有关，通常金属管道的最大设计流速为10ms，非金属管道的最大设计流速为5ms。,最小设计坡度在均匀流情况下，水力坡度等于水面坡度，即管底坡度。管道的流速和水力坡度间存在一定的关系。相应于最小设计流速的坡度就是最小设计坡度，即是保证管道不发生淤积时的坡度。由流速公式可得，设计坡度与R成反比，而水力半径R又是过水断面积与湿周的比值，因此在给定设计充满度条件下，管径越大，相应的最小设计坡度则越小。最小设计坡度具体规定为；管径为200mm时，最小设计坡度为0.004；管径为300mm时，最小设计坡度为0.003；管径为400mm时，最小设计坡度为0.0015。,最小管径一般在污水管道系统的上游部分，污水设计流量很小，若根据设计流量计算，则管径会很小。根据养护经验证明，管径过小极易堵塞。此外，采用较大的管径则可选用较小的坡度，从而使管道埋深减小，造价降低。因此，为了养护工作的方便，常规定一个允许的最小管径。污水管道在街坊和厂区内的最小管径为200mm，在街道下为300mm。若按设计流量计算确定的管径小于最小管径，则应采用规定的最小管径，其坡度采用相应的最小设计坡度，而不再进行水力计算，这样的管段称为不计算管段。,在污水管道的水力计算中，污水流量通常是已知值，而需要确定管道的直径和坡度。所确定的管道断面尺寸需在规定的设计充满度和设计流速条件下，能够排泄设计流量。管道敷设坡度的确定应充分考虑地形，参照地面坡度和最小设计坡度确定。一方面要使管道尽可能与地面坡度平行敷设，以减小埋深；另一方面也必须满足设计流速的要求，使管道不发生淤积和冲刷。,污水管道水力计算的方法,在具体计算中，对每一管道而言有六个水力参数，分别是：管径D、粗糙系数n、充满度hD、水力坡度i、流量Q、流速v，而只有流量Q为已知数，用水力计算的基本公式计算极为复杂。为了简化计算，通常把上述各水力参数之间的关系绘制成水力计算图。对每一张图而言，D和n为已知数。它有四组线，其中横线代表Q，竖线代表i，从左下方向右上方倾斜的斜线代表hD，从左上方向右下方倾斜的斜线代表v。通过该图，在Q、i、hD、v这四个水力参数中，只要知道两个，就可以查出另外两个。,水力计算图,例:已知n0.014，D300mm，i0.004，Q30Ls，求v和hD。解采用D300mm的计算图先在纵轴上找到代表J0.004的横线，再从横轴上找到代表Q30Ls的竖线，两条线相交得一点。这一点落在代表流速v为0.8ms与0.85ms的两斜线之间，按内插法计算v0.82ms，同时该点还落在hD0.5与hD0.55的两斜线之间，按内插法计算hD0.52。,例:已知n0.014，D300mm，Q32Ls，hD0.6，求i和v。,水力计算表每一张表的管径和粗糙系数是已知的，在不同坡度与充满度中，可以得到相应的流量和流速。表中Q、i、hD、v因素中，已知两个，可求出另外两个。使用时可直接查得所需因素，比查图精确。,例：图为某市一个街坊的平面图。居住区街坊人口密度为350人/hm2，污水量标准为100L(人d)。公共浴室的污水设计流量为4Ls，工厂的工业废水设计流量为25L/s。生活污水及经过局部处理后的工业废水全部送至污水厂处理。工厂工业废水排出口的管底埋深为2m，试进行该街坊污水管道系统的设计。,污水管道的设计方法与水力计算步骤,(1)在街坊平面图上布置污水管道,(2)街坊编号并计算其面积,(3)划分设计管段，计算设计流量,根据设计管段的定义和划分方法，将各干管和主干管中有本段流量进入的点(一般定为街坊两端)、集中流量及旁侧支管进入的点，作为设计管段的起止点并将该点的检查井编上号码。,污水管道流量设计步骤,管道布置,污水管道水力计算,(1)从管道平面布置图上量出每一设计管段的长度，填入表中。(2)将各设计管段的设计流量填入表中。设计管段起止点检查井处的地面标高填入表中第10、11项。(3)计算每一设计管段的地面坡度，作为确定管道坡度时的参考值。例如，管段1-2的地面坡度为(86.20-86.1)1100.0009。(4)根据管段1-2的设计流量，参照地面坡度估算管径。设计流量Q为25Ls，若采用最小管径200mm，当h/D0.6(最大设计充满度)时，v1.25m/s，i0.016。起始管段坡度太大，会增大整个管道系统的埋深，故不采用。放大管径，采用250mm的管径，在最大充满度h/D0.6时，坡度为0.0047，比本管段的地面坡度大得多。为了使管道埋深不致增加过多，宜采用较小坡度,故继续放大管径。采用D300mm的管道，查水力计算图，当Q25L/s时，v0.7m/s，h/D0.51，i0.003，均符合控制参数的规定，故采用。将确定的管径、坡度、流速和充满度四个数据分别填入表中第4、5、6、7项。,(5)根据设计管段长度和管道坡度求管段降落量。如管段1-2的降落量为i*L0.0031100.33m，填入表中第9项。(6)根据管径和充满度求管段的水深。如管段1-2的水深为hD(hD)0.30.510.153m，填入表中第8项。(7)求设计管段上、下端的管内底标高和埋设深度。首先要确定管网系统的控制点。本例中控制点是1点。再计算各点的管内底标高和埋设深度。,(8)求设计管段上、下端水面标高。管段上下端水面标高等于相应点的管内底标高加水深。如管段1-2中1点的水面标高为84.2+0.15384.353m，填入表中策12项；2点的水面标高为83.87十0.15384.023m，填入表中第13项。,3.2排水管渠的断面形式,城市排水工程中，常用的管渠断面形式有圆形、半椭圆形、马蹄形、矩形、梯形和蛋形等。,1、圆形断面圆形断面的水力性能较好，在一定坡度下，指定的断面积具有的水力半径最大，因而流速大，流量也大。此外，圆形管便于预制，节省材料，受力条件好，若沟槽形式与管道相称时，能获得较高的稳定性，在运输、施工和养护管理方面也较方便。因此图形断面是最常用的一种断面形式。,2、矩形断面矩形断面可以就地浇制或砌筑，为增大排水量，可根据需要增加深度。因此，它的运用性较广。某些工业企业的污水管道、路面狭窄地区的排水管道和排洪沟均可采用。,很多地区在矩形断面的基础上加以改造，将渠道底部制成弧形流槽或低流槽，它们适用于合流制管渠，晴天污水在低流槽或弧形流槽内流动，以保持一定的充满度和流速，减轻管道的淤积。,3、半椭圆形断面半椭圆形断面在土压力和动荷载较大时，可以更好地分配管壁压力，因而可减小管壁厚度。在污水流量变化不大及管渠直径大于2m时，采用较为合适。,4、马蹄形断面马蹄形断面的高度小于宽度。在地质条件较差或地形平坦，因受纳水体水位的限制而要尽量减小管道的埋深时，可采用此种形式的断面。此外，马蹄形断面的下部较大，排除流量无大变化的大流量污水较为适宜。但其稳定性需依赖于回填土的密实度，若回填土松软，两侧底部的管壁易产生裂缝。,5、蛋形断面蛋形断面从理论上看，由于底部断面较小，小流量时可以维持较大的流速，因而可减少淤积。但实际养护经验证明，此种断面的冲洗和清通工作比较因难，实际工程采用不多。,6、梯形断面梯形断面一般用于排水明渠。在市区内可采用砖石，混凝土块铺砌。对于无铺砌的土明渠，可根据当地的土质条件采用不同的边坡。,3.3排水管渠应具备的条件,排水管渠必须具有足够的强度，以承受外部的荷载和内部的水压，并保证在运输和施工过程中不致破裂。排水管渠应具有抵抗污水中杂质的冲刷磨损能力和抗腐蚀能力，以免在污水或地下水的侵蚀作用下很快损坏。排水管渠必须密闭不透水，以防止污水渗出或地下水渗入。排水管渠的内壁应平整光滑，使水流阻力尽量减小。排水管渠应就地取材，并尽量采用预制管件，以降低管渠的造价和缩短工期。,3.4常用的排水管材,混凝土管和钢筋混凝土管适用于排除雨水和污水，目前施工中一般都是采用预制的混凝土管和钢筋混凝土管。分混凝土管、轻型钢筋混凝土管和重型钢筋混凝土管三种。管口通常有承插式、企口式和平口式三种形式。,3.4.1混凝土管及钢筋混凝土管,混凝土管的管径一般小于450mm，长度多为1m，适用于管径较小的无压管。当管道埋深较大或敷设在土质条件不良地段，以及穿越铁路、河流、谷地时通常采用钢筋混凝土管。,混凝土管和钢筋混凝土管便于就地取材，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得到广泛的应用。钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管除用作重力流排水管道外，还可用作泵站的压力管及倒虹管。,它们的主要缺点是抵抗酸、碱侵蚀及抗渗性能差、管节短、接头多、施工复杂。在地震烈度大于8度的地区及饱和松砂、淤泥和淤泥土质、冲填土和杂填土的地区不宜敷设。另外，管径大时自重大，搬运不便。,3.4.2陶土管,陶土管是由塑性粘土制成的。为了防止在焙烧过程中产生裂缝，通常加入一定比例的耐火粘土和石英砂，经过研细、调和、制坯、烘干、焙烧等过程制成。根据需要可制成无釉、单面釉、双面釉的陶土管。若采用耐酸粘土和耐酸填充物，还可制成特种耐酸陶土管。,陶土管一般制成圆形断面，有承插口和平口两种形式。,带釉的陶土管内外壁光滑，水流阻力小，不透水性好，耐磨损，抗腐蚀。但陶土管质脆易碎，不宜远运，不能受内压，抗弯抗拉强度低，不宜敷设在松土中或埋深较大的地段。此外，管节短、接口多增加了施工的麻烦和费用。陶土管适用于排除酸性废水，或管外有侵蚀性地下水的污水管道。,普通陶土管的最大公称直径为300mm，有效长度为800mm，适用于居住区室外排水管道。耐酸陶土管的最大公称直径为800mm，一般在400mm以内，管节长度有300mm、500mm、700mm、1000mm四种，适用于排除酸性废水。,3.4.3金属管,常用的金属管为铸铁管或钢管。室外排水管道很少采用，只有在地震烈度大于8度或地下水位高、流砂严重的地区，或承受高内压、高外压的管道及对渗漏要求特别高的地段才采用金属管。金属管质地坚固，抗压、抗震、抗渗性能好；内壁光滑，水流阻力小；管节长度大，接头少。但价格昂贵，采用钢管时需加防腐措施。,随着新型建筑材料的不断研制，用于制作排水管道的材料也日益增多，新型排水管道也不断涌现，如英国正式生产的玻璃纤维钢筋混凝土管和热固性树脂管，日本生产的离心混凝土管等，其性能都优于普通的混凝土管和钢筋混凝土管。在国内，对于小口径（DN600以下）排水管道，正逐渐被硬聚氯乙烯管代替。,3.4.4新型管材,1、质轻，搬运装卸便利：2、耐酸、耐碱、耐腐蚀性优良3、流体阻力小PVC管的壁面光滑，对流体的阻力小，其粗糙系数仅为0.009。4、机械强度大PVC管的耐水压强度，耐外压强度，耐冲击强度等均甚良好5、电气绝缘性佳6、不影响水质7、施工简易PVC管之接合施工迅速容易，故施工工程费低廉,硬聚氯乙烯管（PVC-U管）的特性,在很多地区，除采用上述各种管材排除城市污水外，还采用浆砌砖、石渠道或大型钢筋混凝土渠道。砖砌渠道应用普遍，常用的断面形式有圆形、矩形、半椭圆形等。可用普通砖或特制的楔形砖砌筑。在石料丰富的地区，可用料石或毛石砌筑。渠道的上部称作渠顶，下部称作渠底，两壁称作渠身。通常将渠底和基础做在一起，渠顶砌成拱形，渠底和渠身勾缝，以便水力性能良好。,3.4.5排水渠道,排水管道的预制管径一般小于2m，实际上当管道的设计断面大于1.5m时，通常就在现场建造排水渠道。常用的建筑材料有砖、石、混凝土块、钢筋混凝土块和现浇钢筋混凝土。我国常用的几种渠道形式：,3.5排水管道的接口与基础,3.5.1排水管道的接口,在排水管网系统中，每条管道都是由一节节管子连接而成的。两节管子之间的连接处，即所谓管接口，是整条管线的薄弱环节。排水管道的密闭性和耐久性在很大程度上取决于敷设管道时接口的质量。管道接口应具有足够的强度、不透水、能抵抗污水或地下水的侵蚀，并有一定的弹性。根据接口的弹性，一般分为柔性、刚性和半柔半刚性三种接口形式。,1、柔性接口允许管道纵向轴线交错3-5mm或交错成一个较小的角度，而不致引起渗漏。常采用石棉沥青卷