本節(jié)內(nèi)容主要講解課本第三章污水管渠的水力計(jì)算方面內(nèi)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(jì)算的基本公式；③污水管道水力計(jì)算參數(shù)；④污水管道的埋設(shè)深度和覆土厚度。本節(jié)內(nèi)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(nèi)容需要掌握以下幾個(gè)點(diǎn)：

①排水管渠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以重力流為主，盡量不設(shè)泵站，而只有在無(wú)法采用重力流或者重力流不經(jīng)濟(jì)的時(shí)候才設(shè)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(jì)？難道靠重力輸送污水還會(huì)比靠泵輸送花費(fèi)更高？”考慮這個(gè)問(wèn)題不能僅看運(yùn)行費(fèi)用，要綜合考慮前期施工和后期運(yùn)行，如果施工難度特別大或者花費(fèi)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(dá)用水點(diǎn)，而污水是通過(guò)支管匯集到干管，在統(tǒng)一收集到污水廠處理，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(yùn)行情況下污水管道內(nèi)部是非滿流，也即有自由水面，其充滿度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(shè)計(jì)充滿度按照1計(jì)算。

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

02

水力計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)流速參見《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.7條，排水管渠的最小設(shè)計(jì)流速，應(yīng)符合下列規(guī)定：

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

最大設(shè)計(jì)流速參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.5和4.2.6條，應(yīng)當(dāng)注意的是4.2.6明渠的最大設(shè)計(jì)流速當(dāng)水流深度在0.4~1.0m范圍以外時(shí)，表4.2.6所列最大設(shè)計(jì)流速宜乘以下列系數(shù)(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(yīng)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(shù)；
• R——水力半徑(過(guò)水?dāng)嗝婷娣e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(yīng)該給與百分之一百二的重視，該公式涉及所有參數(shù)詳細(xì)解釋見03節(jié)。

03

污水管道水力計(jì)算參數(shù)

這里不按照課本說(shuō)法來(lái)講，課本上所列的那幾項(xiàng)在案例題中很少考到，都是在知識(shí)題當(dāng)中考核，而對(duì)于案例題來(lái)說(shuō)，v(設(shè)計(jì)流速)、n(粗糙系數(shù))、R(水力半徑)、I(水力坡度)、h/D(充滿度)這五個(gè)參數(shù)是非常重要的，所以考生弄明白這五個(gè)參數(shù)中分別涉及到的知識(shí)點(diǎn)即可。

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

設(shè)計(jì)流速和管徑相關(guān)，隨著設(shè)計(jì)流量的逐段增加，設(shè)計(jì)管徑應(yīng)相應(yīng)增加，一般會(huì)增大一級(jí)或者兩級(jí)(50mm為一級(jí))，但是當(dāng)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(jí)，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(jì)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(xiàng)中管徑縮小范圍超過(guò)100mm了，那就不用計(jì)算，直接排除，否則四個(gè)選項(xiàng)全部計(jì)算，時(shí)間絕對(duì)會(huì)浪費(fèi)很多。希望考生能夠靈活運(yùn)用這一點(diǎn)。

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

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

規(guī)范表4.2.3

教材P105表5-4

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

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

注意此表可內(nèi)插，且滿流時(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(shè)計(jì)坡度”的概念：將相應(yīng)于最小管徑時(shí)的管道坡度稱為最小設(shè)計(jì)坡度，而通常管徑越大，最小設(shè)計(jì)坡度越小，所以最小設(shè)計(jì)坡度就可以理解為當(dāng)某個(gè)系列所有管材采取這個(gè)坡度時(shí)，其流量都能滿足要求的坡度。

其二是排水管道的最小管徑與相應(yīng)最小設(shè)計(jì)坡度，按表4.2.10取值。

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

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

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

至于污水管道設(shè)計(jì)充滿度最大值選用多少，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.4給出了依據(jù)，原則就是管徑越大，設(shè)計(jì)充滿度數(shù)值越接近于1。

充滿度這個(gè)參數(shù)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(jì)算污水管道充滿度時(shí)，不包括段時(shí)突然增加的污水量，但當(dāng)管徑≤300mm，應(yīng)按滿流復(fù)核；
2. 雨水管道和合流管道應(yīng)按滿流計(jì)算；
3. 明渠超高不得小于0.2m。

對(duì)于第1條，假設(shè)某工廠會(huì)偶爾排放一股大量污水，在設(shè)計(jì)該廠污水管道時(shí)，設(shè)計(jì)流量不包括這股突然排水，就只按照正常排水量計(jì)算，但是假如該廠排水管道經(jīng)過(guò)計(jì)算后管徑≤300mm了，這時(shí)候正常設(shè)計(jì)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(shù)后要把這股突然增加的水算入總水量，按照充滿度=1復(fù)核，看看能不能全部通過(guò)，畢竟排水系統(tǒng)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(yīng)對(duì)策。

對(duì)于第3條，明渠在設(shè)計(jì)時(shí)，先按照最大設(shè)計(jì)充滿度計(jì)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，那就按照最大充滿度設(shè)計(jì)即可。

04

污水管道的埋設(shè)深度和覆土厚度

注意埋設(shè)深度和覆土厚度的定義，埋設(shè)深度是指埋地管渠內(nèi)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(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)這部分的內(nèi)容是4.3.7條：“管頂最小覆土深度，應(yīng)根據(jù)管材強(qiáng)度、外部荷載、土壤冰凍深度和土壤性質(zhì)等條件，結(jié)合當(dāng)?shù)芈窆芙?jīng)驗(yàn)確定。管頂最小覆土深度宜為：人行道下0.6m，車行道下0.7m”，關(guān)于這一條款曾經(jīng)出過(guò)案例計(jì)算題，一定要注意本條規(guī)定的是管頂最小覆土深度，而不是埋設(shè)深度。