污水管渠系统水力计算习题及答案

污水管渠系统水力计算习题及答案一、单选题（每题2分，共20分）1.某钢筋混凝土圆形污水管，设计充满度0.75，管径D=800mm，粗糙系数n=0.013，坡度S=0.002。若采用曼宁公式计算，其设计流量最接近下列何值？A.0.42m³/sB.0.58m³/sC.0.71m³/sD.0.85m³/s答案：C解析：曼宁公式Q=(1/n)·A·R^(2/3)·S^(1/2)。D=0.8m，h/D=0.75，查圆管水力要素表得：A=0.6317D²=0.404m²，R=0.3017D=0.241m。代入得Q=(1/0.013)×0.404×0.241^(2/3)×0.002^(1/2)=0.71m³/s。2.下列关于“不冲刷流速”的说法，正确的是：A.与管道材料无关，仅与流量有关B.混凝土管的不冲刷流速一般低于HDPE管C.不冲刷流速随管径增大而线性减小D.不冲刷流速与水温呈正相关答案：B解析：混凝土表面粗糙，抗冲能力弱于光滑HDPE，故允许不冲刷流速低；A、C、D均与规范结论相反。3.某管段服务面积20ha，综合污水量标准400L/(ha·d)，总变化系数Kz=1.5，则该管段设计流量为：A.116L/sB.139L/sC.154L/sD.185L/s答案：B解析：平均日流量=20×400/86400=0.0926m³/s=92.6L/s；设计流量=92.6×1.5=139L/s。4.在污水管网水力计算中，“最小设计坡度”的设定主要目的是：A.保证自净流速B.降低埋深C.减小冲刷D.节约管材答案：A解析：规范规定最小坡度对应最小流速≥0.6m/s，防止沉积。5.一矩形暗渠宽1.2m，水深0.6m，n=0.015，坡度0.001，其输水流量为：A.0.35m³/sB.0.42m³/sC.0.49m³/sD.0.56m³/s答案：C解析：A=1.2×0.6=0.72m²，R=0.72/(1.2+2×0.6)=0.3m，Q=(1/0.015)×0.72×0.3^(2/3)×0.001^(1/2)=0.49m³/s。6.当圆管污水流处于半管流（h/D=0.5）时，其水力半径R与管径D的关系为：A.R=D/2B.R=D/3C.R=D/4D.R=D/5答案：C解析：半管流A=πD²/8，湿周P=πD/2，R=A/P=D/4。7.采用海曾威廉公式计算旧铸铁管水头损失时，若粗糙系数C=90，与C=130相比，同流量同管径下的水头损失约：A.增加30%B.增加70%C.减少30%D.减少70%答案：B解析：hf∝1/C^1.852，(130/90)^1.852≈1.70，即损失增加70%。8.某管段下游水位较高，出现压力流，下列措施最经济有效的是：A.增大管径B.设置提升泵站C.降低出口水位D.增设透气阀答案：C解析：降低受纳水体水位可消除淹没出流，常通过修建挡水坝或调整排口高程实现，比泵站节省能耗。9.污水管网水力计算时，若采用“极限强度法”，其设计降雨历时一般取：A.5minB.10minC.集水时间+管渠流行时间D.120min答案：C解析：极限强度法认为峰值流量出现在全流域汇流完成时刻，故t=tc+tf。10.下列关于“管道局部水头损失”的说法，错误的是：A.90°弯头损失系数大于45°弯头B.突然扩大损失大于突然缩小C.损失系数与雷诺数无关D.检查井内跌水属于局部损失答案：C解析：局部损失系数在紊流光滑区基本恒定，但进入过渡区后随Re变化，C表述绝对化，故错。二、多选题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.影响污水管道最小埋深的主要因素有：A.防冻要求B.地面荷载C.支管接入标高D.管道强度E.地下水埋深答案：A、B、C、D解析：防冻、荷载、支管衔接、强度均决定最小覆土；地下水埋深影响抗浮，不直接决定最小埋深。12.下列关于“曼宁公式”与“海曾威廉公式”对比，正确的有：A.曼宁公式适用于明渠，海曾威廉适用于压力管B.两公式均基于紊流粗糙区试验C.曼宁n与海曾威廉C均可通过实验测定D.曼宁公式指数恒定，海曾威廉指数与Re相关E.曼宁公式单位需统一为英制或公制答案：A、B、C解析：D错误，海曾威廉指数1.852为常数；E错误，曼宁公式国际单位制直接适用。13.某管段设计流量为200L/s，管径600mm，坡度0.002，n=0.013，下列校核结果正确的有：A.流速0.82m/sB.充满度0.65C.流量大于设计流量D.需调整坡度至0.003才能满足自净E.若改用n=0.010，流量可提高约23%答案：A、B、E解析：查表计算得h/D=0.65时Q=220L/s>200L/s，流速0.82m/s>0.6m/s已自净；n由0.013降至0.010，Q增幅(0.013/0.010)=1.23。14.关于“污水管网管径选择”的原则，正确的有：A.由上游至下游逐段增大B.变化幅度一般按公称直径级差C.应留有余量适应城市发展D.最小管径不小于300mmE.坡度越大管径可越小答案：A、B、C、E解析：D错误，规范最小管径为DN300，但山区可放宽至DN200，表述绝对化。15.下列措施可同时起到“降低埋深”与“减少冲刷”作用的有：A.采用粗糙系数小的管材B.设置跌水井C.增大坡度D.采用卵砾石垫层E.选用环刚度高的管材答案：A、B解析：A降低n可减小坡度需求，从而减埋深且流速可控；B跌水井集中消能，既减下游埋深又防冲刷。C增大坡度反而易冲刷；D、E与埋深无直接关系。三、填空题（每空2分，共20分）16.某圆形污水管D=1000mm，设计充满度0.70，此时水流断面面积A=________m²，湿周P=________m。答案：0.587；2.20解析：查圆管水力要素表，h/D=0.70时A=0.587D²=0.587m²，P=2.20m（按弧度计算）。17.采用曼宁公式计算时，若流量不变，管径增大一倍，则所需坡度变为原来的________倍。答案：0.16解析：Q=(1/n)A·R^(2/3)·S^(1/2)，D→2D，A→4A，R→2R，令Q不变，则S^(1/2)∝1/(4·2^(2/3))，S∝1/6.35≈0.16。18.某管段长120m，上游管底标高45.60m，下游管底标高45.00m，则该管段坡度为________‰。答案：5解析：S=(45.6045.00)/120=0.005=5‰。19.当污水管道流速为1.2m/s，输送悬浮固体颗粒粒径1mm，颗粒密度2650kg/m³，水温20℃，此时颗粒沉降速度约为________m/s（取斯托克斯公式，动力黏度1×10⁻⁶m²/s）。答案：0.10解析：ws=g(ρsρ)d²/(18μ)=9.81×(26501000)×(0.001)²/(18×1×10⁻³)=0.10m/s。20.污水管网设计时，若总变化系数Kz=2.0，则最大日最大时流量与平均日平均时流量的比值为________。答案：2.0解析：Kz定义即为该比值。21.某城市人口50万，人均综合污水量250L/(人·d)，则平均日污水量为________万m³/d。答案：12.5解析：50×0.25=12.5。22.一矩形渠道宽2m，水深1m，曼宁n=0.015，坡度0.0005，其输水流量为________m³/s。答案：1.31解析：A=2m²，R=2/(2+2)=0.5m，Q=(1/0.015)×2×0.5^(2/3)×0.0005^(1/2)=1.31m³/s。23.管道局部水头损失公式为hj=ξ·v²/(2g)，若ξ=1.0，v=1.5m/s，则hj=________m。答案：0.115解析：hj=1×1.5²/(2×9.81)=0.115m。24.当圆管满流时，其水力半径R=________D。答案：0.25解析：R=A/P=(πD²/4)/(πD)=D/4。25.某管段设计流量300L/s，采用DN700mm，n=0.013，坡度0.002，校核得充满度0.75，则其流速为________m/s。答案：1.05解析：A=0.6317×0.7²=0.309m²，Q=0.3m³/s，v=Q/A=0.97m/s；查表精确值修正得1.05m/s。四、计算题（共45分）26.（10分）某圆形污水主干管D=1200mm，n=0.013，设计流量Q=1.8m³/s，要求充满度不超过0.75，且流速不低于0.8m/s。试计算：（1）为满足流量要求的最小坡度；（2）校核该坡度下的流速是否满足自净要求；（3）若坡度保持最小值不变，将管径改为D=1350mm，求新的充满度。解：（1）h/D=0.75，查表得A=0.6317D²=0.909m²，R=0.3017D=0.362m。由曼宁公式：S=[Q·n/(A·R^(2/3))]²=[1.8×0.013/(0.909×0.362^(2/3))]²=0.00096≈1.0‰。（2）v=Q/A=1.8/0.909=1.98m/s>0.8m/s，满足。（3）D=1.35m，设h/D=x，试算：令Q=1.8m³/s，S=0.00096，n=0.013，迭代得x≈0.62。答：（1）1.0‰；（2）1.98m/s，满足；（3）0.62。27.（10分）如图所示串联管道，AB段DN500mm，长300m，S1=0.002；BC段DN600mm，长400m，S2=0.0015；n=0.013。A点管底标高28.50m，C点管底标高25.30m。若设计流量Q=600L/s，试判断：（1）C点是否需要设跌水井？（2）若需要，计算跌差；（3）校核AB段流速是否满足自净。解：（1）计算水头损失：AB段：h/D=0.70，A=0.6317×0.5²=0.158m²，v=0.6/0.158=3.80m/s，R=0.3017×0.5=0.151m，hf1=(v·n/R^(2/3))²·L=(3.80×0.013/0.151^(2/3))²×300=1.18m。BC段：h/D=0.65，A=0.587×0.6²=0.211m²，v=0.6/0.211=2.84m/s，R=0.293×0.6=0.176m，hf2=(2.84×0.013/0.176^(2/3))²×400=0.72m。总hf=1.90m；可用落差=28.5025.30=3.20m>1.90m，剩余1.30m，需设跌水井消能。（2）跌差取1.30m。（3）AB段v=3.80m/s>0.8m/s，满足。答：（1）需要；（2）1.30m；（3）满足。28.（10分）某区域采用分流制污水管网，服务面积80ha，人口密度400人/ha，人均污水量280L/(人·d)，总变化系数Kz=1.45。区域内另有两座公共建筑：医院污水50m³/d，学校污水30m³/d。试计算该区域设计流量。解：生活污水量=80×400×280/86400=103.7L/s；Kz=1.45，则最大日最大时=103.7×1.45=150.4L/s；公共建筑=（50+30）×1000/86400=0.93L/s，取总变化系数1.0；总设计流量=150.4+0.93≈151L/s。答：151L/s。29.（15分）某梯形混凝土暗渠，底宽1.5m，边坡1:1，n=0.015，设计流量Q=2.5m³/s，最大允许流速3.0m/s，最小自净流速0.7m/s。试确定：（1）正常水深h；（2）对应坡度S；（3）若渠道长1km，求沿程水头损失；（4）校核流速是否超限。解：（1）设水深h，则A=(b+mh)h=(1.5+h)h，P=b+2h√(1+m²)=1.5+2.828h，R=A/P。曼宁公式Q=(1/n)A·R^(2/3)·S^(1/2)，先令S=0.001试算：h=1.0m，A=2.5m²，P=4.33m，R=0.577m，Q=2.51m³/s≈2.5m³/s，满足。（2）反推S：S=[Q·n/(A·R^(2/3))]²=0.0010。（3）hf=S·L=0.001×1000=1.0m。（4）v=Q/A=2.5/2.5=1.0m/s，介于0.7~3.0m/s，满足。答：（1）1.0m；（2）1.0‰；（3）1.0m；（4）满足。五、案例综合题（共40分）30.（20分）某滨海新城规划污水主干管，全长4.2km，地面坡降仅1.2m，服务面积500ha，规划期末人口密度600人/ha，综合污水量标准350L/(人·d)，工业废水占生活污水量20%，总变化系数Kz=1.45。要求：（1）计算规划期末设计流量；（2）若全程采用DN1200mm钢筋混凝土管（n=0.013），求为满足流量所需平均坡度，并判断能否利用自然地形；（3）若自然坡度不足，提出两种工程方案并做技术经济比较；（4）绘制水力剖面示意图（文字描述即可），标注跌水井、泵站位置。解：（1）生活污水=500×600×350/86400=1215L/s；工业废水=0.2×1215=243L/s；平均日流量=1458L/s；设计流量=1458×1.45=2114L/s≈2.11m³/s。（2）DN1200mm，h/D=0.75，A=0.909m²，R=0.362m，S=[Q·n/(A·R^(2/3))]²=[2.11×0.013/(0.909×0.362^(2/3))]²=0.00138≈1.4‰。自然坡降=1.2/4200=0.29‰<1.4‰，不足。（3）方案A：中途设一座提升泵站，将后半段扬升1.5m，再沿1.0‰坡度敷设；泵站土建+设备投资约1200万元，年电费80万元。方案B：全线设3座跌水井，每座跌差0.4m，总跌差1.2m，将剩余0.9m不足坡度通过局部放大管径至DN1350mm解决；跌水井投资300万元，放大管径增加投资约600万元，无运行费。比较：方案B投资900万元<1200万元，且无运行费，推荐方案B。（4）水力剖面：起点埋深2.5m，沿0.29‰坡降敷设1.4km至1号跌水井，跌0.4m；再1.4km至2号跌水井，跌0.4m；再1.4km至3号跌水井，跌0.4m；末段放大至DN1350mm，坡度0.29‰，出口埋深约4.2m。31.（20分）某老城区合流制溢流（CSO）调蓄管渠，采用圆形隧道，D=3.0m，n=0.014，长1.8km，上游旱季污水流量1.5m³/s，设计调蓄降雨历时30