污水管道系统的设计计算.doc

污水管道系统设计流量是污水管道及其隶属构筑物能确保经过最大流量.通常以最大日最大时流量作为污水管道第八章 污水管道系统设计计算 （一）教学要求 熟练掌握污水管道设计计算过程（二）教学内容1、污水设计流量2、污水管道设计参数3、污水管道水力计算（三）关键污水管道水力计算第一节 污水设计流量计算 污水管道系统设计流量是污水管道及其隶属构筑物能确保经过最大流量。通常以最大日最大时流量作为污水管道系统设计流量，其单位为L/s。它包含生活污水设计流量和工业废水设计流量两大部分。就生活污水而言又可分为居民生活污水、公共设施排水和工业企业内生活污水和淋浴污水三部分。一、生活污水设计流量1.居民生活污水设计流量 居民生活污水关键来自居住区，它通常按下式计算： = (8-1) 式中： Q1 居民生活污水设计流量，Ls； n 居民生活污水量定额，L(capd)； N 设计人口数，cap； KZ生活污水量总改变系数。 （1）居民生活污水量定额 居民生活污水量定额，是指在污水管道系统设计时所采取每人天天所排出平均污水量。在确定居民生活污水量定额时，应调查搜集当地居住区实际排水量资料，然后依据该地域给水设计所采取用水量定额，确定居民生活污水量定额。在没有实测居住区排水量资料时，可按相同地域排水量资料确定。若这些资料全部不易取得，则依据室外排水设计规范(GBJl4-87)要求，按居民生活用水定额确定污水定额。对给水排水系统完善地域可按用水定额90%计，通常地域可按用水定额80%计。 （2）设计人口数 设计人口数是指污水排水系统设计期限终期计划人口数，是计算污水设计流量基础数据。它是依据城市总体计划确定，在数值上等于人口密度和居住区面积乘积。即： (8-2)式中：N设计人口数，cap；人口密度，cap/hm2；F居住区面积，hm2；cap“人”计量单位。人口密度表示人口分布情况，是指单位面积上居住人口数，以cap/h m2表示。它有总人口密度和街坊人口密度两种形式。总人口密度所用面积包含街道、公园、运动场、水体等处面积，而街坊人口密度所用面积只是街坊内建筑用地面积。在计划或初步设计时，采取总人口密度，而在技术设计或施工图设计时，则采取街坊人口密度。设计人口数也可依据城市人口增加率按复利法推算，但实际工程中使用不多。（3）生活污水量总改变系数 流入污水管道污水量时刻全部在改变。污水量改变程度通常见改变系数表示。改变系数分为日改变系数、时改变系数和总改变系数三种。十二个月中最大日污水量和平均日污水量比值称为日改变系数(Kd)； 最大日最大时污水量和最大日平均时污水量比值称为时改变系数(Kh)； 最大日最大时污水量和平均日平均时污水量比值称为总改变系数(Kz)。 显然，按上述定义有 (8-3) 生活污水量总改变系数 污水平均日流量（L/s）51540701002005001000总改变系数Kz2.32.01.81.71.61.51.41.3注：当污水平均日流量为中间数值时，总改变系数用内插法求得；当居住区有实际生活污水量改变资料时，可按实际数据采取。中国在多年观察资料基础上，经过综合分析归纳，总结出了总改变系数和平均流量之间关系式，即：= (8-4)式中： Q 污水平均日流量，L/s。当Q5L/s时，Kz=2.3；当Q1000L/s时，Kz=1.3。设计时也可采取式（8-4）直接计算总改变系数，但比较麻烦。2.公共设施排水量公共设施排水量Q2应依据公共设施不一样性质，按建筑给水排水设计规范(GB50015-)要求进行计算。3.工业企业生活污水和淋浴污水设计流量工业企业生活污水和淋浴污水关键来自生产区食堂、卫生间、浴室等。其设计流量大小和工业企业性质、污染程度、卫生要求相关。通常按下式进行计算：= + （8-5） 式中 Q3工业企业生活污水和淋浴污水设计流量，L/s；A1 通常车间最大班职员人数，cap；B1通常车间职员生活污水定额，以25L/(cap班)计；K1通常车间生活污水量时改变系数，以3.0计；A2热车间和污染严重车间最大班职员人数，cap；B2热车间和污染严重车间职员生活污水量定额，以35L(cap班)计； K2热车间和污染严重车间生活污水量时改变系数，以2.5计； C1通常车间最大班使用淋浴职员人数，cap； D1通常车间淋浴污水量定额，以40L(cap班)计； C2热车间和污染严重车间最大班使用淋浴职员人数，cap； D2热车间和污染严重车间淋浴污水量定额，以60L(cap班)计； T 每工作班工作时数，h。淋浴时间按60min计。二、工业废水设计流量工业废水设计流量按下式计算： (8-6)式中 Q4 工业废水设计流量，Ls； m 生产过程中每单位产品废水量定额，L单位产品； M 产品平均日产量，单位产品/d； T 每日生产时数，h； KZ总改变系数。三、城市污水管道系统设计总流量城市污水管道系统设计总流量通常采取直接求和方法进行计算，即直接将上述各项污水设计流量计算结果相加，作为污水管道设计依据，城市污水管道系统设计总流量可用下式计算： （L/s） (8-7) 设计时也可按综合生活污水量进行计算，综合生活污水设计流量为： （L/s） (8-8)式中 Q1/综合生活污水设计流量，L/s；n/ 综合生活污水定额，对给水排水系统完善地域按综合生活用水定额90%计，通常地域按80%计；其它符号同前。此时，城市污水管道系统设计总流量为： （L/s） (8-9)【例8-1】 河北某中等城市一屠宰厂天天宰杀活牲畜260t，废水量定额为10m3/t，工业废水总改变系数为1.8，三班制生产，每班8h。最大班职员人数800cap，其中在污染严重车间工作职员占总人数40%，使用淋浴人数按该车间人数85%计；其它60%职员在通常车间工作，使用淋浴人数按30%计。工厂居住区面积为10ha,人口密度为600cap/ha。多种污水由管道聚集输送到厂区污水处理站，经处理后排入城市污水管道，试计算该屠宰厂污水设计总流量。【解】 该屠宰厂污水包含居民生活污水、工业企业生活污水和淋浴污水、工业废水三种，因该厂区公共设施情况未给出，故按综合生活污水计算。1综合生活污水设计流量计算查综合生活用水定额，河北在第二分区，中等城市平均日综适用水定额为110180L/(capd)，取165 L/(capd)。假定该厂区给水排水系统比较完善，则综合生活污水定额为16590%=148.5 L/(capd)，取为150L/(capd)。居住区人口数为60010=6000 cap。则综合生活污水平均流量为： L/s。用内插法查总改变系数表，得Kz=2.24。于是综合生活污水设计流量为Q1/=10.42.24=23.30 L/s。2工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算由题意知：通常车间最大班职员人数为80060%=480人，使用淋浴人数为48030%=144人；污染严重车间最大班职员人数为80040%=320人，使用淋浴人数为32085%=272人。所以工业企业生活污水和淋浴污水设计流量为：= +=+=8.35 L/s3工业废水设计流量计算=该厂区污水设计总流量 L/s在计算城市污水管道系统污水设计总流量时，因为城市排水区界内汇水面积较大，所以需按各排水流域分别计算，将各排水流域居住区生活污水、工业废水和工厂生活污水设计流量列表进行计算，最终再汇总得出污水管道系统设计总流量。某城镇污水管道系统设计总流量计算见表8-2、8-3、8-4、8-5。 城镇综合生活污水设计流量计算表 表8-2居住区名称排水流域编号居住区面积(ha)人口密度(cap/ha)居民人数(cap)污水量定额（L/capd）平均污水量总改变系数Kz设计流量(m3/d)(m3/h)(L/s)(m3/h)(L/s)123456789101112商业区I6050030000160480020055.61.7434896.74文卫区II4040016000180288012033.31.81217.260.27工业区III5045022500160360015041.71.7826774.23累计1506850011280470130.61.57737.9205.04注：中总改变系数是依据累计平均流量查出。中数字不是直接累计，而是累计平均流量和相对应总改变系数乘积。各工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算表 表8-3车间名称车间性质班数每班工作时数(h)生活污水淋浴污水累计设计流量(L /s) 最大班职员人数(cap)污水量定额（L/capd）时变化系数设计流量(L/s)最大班使用淋浴职工人数(cap)污水量定额（L/capd）设计流量(L /s)123456789101112酿酒厂污染38156352.50.47109601.822.29通常38108253.00.2838400.420.70肉类加工厂污染38168352.50.51116608.82.49一般3892253.00.2435402.270.63造纸厂污染38150352.50.46105601.752.21一般 38145253.00.3850400.560.94皮革厂污染38274352.50.83156602.63.43一般 38324253.00.8480400.891.64印染厂污染38450352.51.37315605.256.62一般 38470253.01.22188402.093.31总计6.617.724.3各工业企业工业废水设计流量计算表 表8-4工业企业名称班数各班时数（h）产品名称日产量(t)工业废水定额(m3/t)平 均 流 量总改变系数设计流量(m3/d)(m3/h)(L/s)(m3/h)(L/s)123456789101112酿酒厂38酒1518.627911.633.233.034.899.69肉类加工厂38牲畜162152430101.2528.131.7172.1347.82造纸厂38白纸1215018007520.831.45108.7530.20皮革厂38皮革34752550106.2529.511.4148.7541.31印染厂38布36150540022562.51.42319.588.75累计12459519.13144.2784.02217.77城镇污水设计总流量统计表 表8-5排水工程对象综合生活污水设计流量(L/s)工业企业生活污水和淋浴污水设计流量(L/s)工业废水设计流量(L/s)城镇污水设计总流量(L/s)居住区和公共建筑205.04447.11工业企业24.3工业企业217.77第二节 污水管段设计流量计算污水管道系统设计总流量计算完成后，还不能进行管道系统水力计算。为此还需在管网平面部署图上划分设计管段，确定设计管段起止点，进而求出各设计管段设计流量。只有求出设计管段设计流量，才能进行设计管段水力计算。一、设计管段划分在污水管道系统上，为了便于管道连接，通常在管径改变、敷设坡度改变、管道转向、支管接入、管道交汇地方设置检验井。对于两个检验井之间连续管段，假如采取设计流量不变，且采取一样管径和坡度，则这么连续管段就称为设计管段。设计管段两端检验井称为设计管段起止检验井（简称起迄点）。 图8-1 设计管段设计流量二、设计管段流量确定图8-1所表示，每一设计管段污水设计流量可能包含以下3种流量。 1本段流量q1 所谓本段流量是指从本管段沿线街坊流来污水量。对于某一设计管段而言，它沿管线长度是改变，即从管段起点为零逐步增加到终点达成最大。为了计算方便，通常假定本段流量是在起点检验井集中进入设计管段，它大小等于本管段服务面积上全部污水量。通常见下式计算：= （8-10）式中 q1设计管段本段流量，Ls；F设计管段服务街坊面积，hm2；KZ生活污水量总改变系数； qs 生活污水比流量，L(shm2)。 生活污水比流量可采取下式计算： = （8-11）式中 n生活污水定额或综合生活污水定额，L(capd)； 人口密度，cap/ hm2。2转输流量q2 转输流量是指从上游管段和旁侧管段流来污水量。它对某一设计管段而言，是不发生改变，但不一样设计管段，可能有不一样转输流量。 3集中流量q3 集中流量是指从工业企业或其它大型公共设施流来污水量。对某一设计管段而言，它也不发生改变。设计管段设计流量是上述本段流量、转输流量和集中流量三者之和。第三节 污水管道水力计算一、污水管道中污水流动特点 污水在管道内依靠管道两端水面高差从高处流向低处，是不承受压力，即为重力流。 污水中含有一定数量悬浮物，它们有漂浮于水面，有悬浮于水中，有则沉积在管底内壁上。这和清水流动有所差异。但污水中水分通常在99以上，所含悬浮物极少，所以，可认为污水流动遵照通常流体流动规律，工程设计时仍按水力学公式计算。 污水在管道中流速随时全部在改变，但在直线管段上，当流量没有很大改变又无沉淀物时，可认为污水流动靠近均匀流。设计时对每一设计管段全部按均匀流公式进行计算。二、污水管道水力计算设计参数 为确保污水管道正常运行，室外排水设计规范中对这些原因综合考虑，提出了以下计算控制参数，在污水管道设计计算时，通常应给予遵守。(一)设计充满度在设计流量下，污水在管道中水深h和管道直径D比值（h/D）称为设计充满度，它表示污水在管道中充满程度，图8-2所表示。 图8-2 充满度示意图当h/D1时称为满流；h/Dl时称为不满流。室外排水设计规范要求，污水管道按不满流进行设计，其最大设计充满度要求如表8-6所表示。 最大设计充满度 表8-6管径(D)或暗渠高(H)最大设计充满度(h/D)或(h/H)20030035045050090010000.600.700.750.80注：在计算污水管道充满度时，不包含淋浴或短时间内忽然增加污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。这么要求原因是： (1)污水流量时刻在改变，极难正确计算，而且雨水可能经过检验井盖上孔口流入，地下水也可能经过管道接口渗透污水管道。所以，有必需预留一部分管道断面，为未预见水量介入留出空间，避免污水溢出妨碍环境卫生，同时使渗透地下水能够顺利流泄。 (2)污水管道内沉积污泥可能分解析出部分有害气体（如CH4、H2S等）。另外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能产生爆炸性气体。故需留出合适空间，以利管道通风，立即排除有害气体及易爆气体。(3)便于管道清通和养护管理。 表8-6所列最大设计充满度是设计污水管道时所采取充满度最大限值，在进行污水管道水力计算时，所选择充满度不应大于表8-6中要求数值。但为了节省投资，合理地利用管道断面，选择设计充满度也不应过小。为此，在设计过程中还应考虑最小设计充满度作为设计充满度下限值。依据经验多种管径最小设计充满度不宜小于0.25。通常情况下设计充满度最好大于0.5，对于管径较大管道设计充满度以靠近最大限值为好。对于明渠，设计规范要求设计超高（即渠中水面到渠顶高度）大于0.2m。(二)设计流速 和设计流量、设计充满度相对应水流平均速度称为设计流速。设计流速过小，污水流动缓慢，其中悬浮物则易于沉淀淤积；反之，污水流速过高，即使悬浮物不宜沉淀淤积，但可能会对管壁产生冲刷，甚至损坏管道使其寿命降低。为了预防管道内产生沉淀淤积或管壁遭受冲刷，室外排水设计规范要求了污水管道最小设计流速和最大设计流速。污水管道设计流速应在最小设计流速和最大设计流速范围内。 最小设计流速是确保管道内不致发生沉淀淤积流速。污水管道在设计充满度下最小设计流速为0.6m/s。含有金属、矿物固体或重油杂质生产污水管道，其最小设计流速宜合适加大，明渠最小设计流速为0.4m/s。 最大设计流速是确保管道不被冲刷损坏流速。该值和管道材料相关，通常金属管道最大设计流速为10m/s，非金属管道最大设计流速为5m/s。 (三)最小设计坡度中国室外排水设计规范要求：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。(四)最小管径中国室外排水设计规范要求：污水管道在街坊和厂区内最小管径为200mm，在街道下最小管径为300mm。 三、污水管道埋设深度管道埋深是影响管道造价关键原因，是污水管道设计关键参数。 管道埋设深度有两个意义：(1)覆土厚度：是指管道外壁顶部到地面距离（图8-3）；(2)埋设深度：是指管道内壁底部到地面距离。 图8-3 管道埋深示意图 1预防冰冻膨胀而损坏管道 生活污水温度较高，即使在冬天水温也不会低于4。很多工业废水温度也比较高。另外，污水管道按一定坡度敷设，管内污水常常保持一定流量，以一定流速不停流动。所以，污水在管道内是不会冰冻，管道周围土壤也不会冰冻。所以，无须把整个污水管道全部埋设在土壤冰冻线以下。但假如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。 室外排水设计规范要求，冰冻层内污水管道埋设深度，应依据流量、水温、水流情况和敷设位置等原因确定，通常应符合下列要求： (1)无保温方法生活污水管道或水温和生活污水靠近工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。 (2)有保温方法或水温较高管道，管底在冰冻线以上距离能够加大，其数值应依据该地域或条件相同地域经验确定。 2预防管壁因地面荷载而破坏3满足街坊污水连接管衔接要求四、污水管道衔接管道衔接时应遵照以下两个标准：1.尽可能提升下游管道高程，以减小管道埋深，降低造价；2.避免在上游管段中形成回水而造成淤积。污水管道衔接方法，通常有水平面接和管顶平接两种，图8-5所表示。图8-5 污水管道衔接 水面平接是指在水力计算中，使污水管道上游管段终端和下游管段起端在设计充满度条件下水面相平，即上游管段终端和下游管段起端水面标高相同。通常见于上下游管径相同污水管道衔接。 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管内顶标高相同。通常见于上下游管径不一样污水管道衔接。 .六、污水管道水力计算步骤 污水管道设计方法和水力计算步骤，经过下面例题给予介绍。 【例7-5】 图8-6为河南省某中小城市一个建筑小区平面图。小区街坊人口密度为350cap/ha。工厂工业废水（包含从各车间排出生活污水和淋浴污水）设计流量为29L/s。工业废水经过局部处理后和生活污水一起由污水管道全部送至污水厂经处理后再排放。工厂工业废水排出口埋深为2 m，试进行该小区污水管道系统设计。图8-6 某建筑小区平面图图8-7 某建筑小区污水管道平面部署图（初步设计）设计方法和步骤以下：(一)在街坊平面图上部署污水管道由街坊平面图可知该建筑小区边界为排水区界。在该排水区界内地势北高南低，坡度较小，无显著分水线，故可划分为一个排水流域。在该排水流域内小区支管部署在街坊地势较低一侧；干管基础上和等高线垂直；主干管部署在小区南面靠近河岸地势较低处，基础上和等高线平行。整个建筑小区管道系统呈截流式部署，图8-7所表示。（二）街坊编号并计算其面积将建筑小区内各街坊编上号码，并将各街坊平面范围按百分比计算出面积，将其面积值列入表8-7中，并用箭头标出各街坊污水排出方向。各街坊面积汇总表 表8-7街坊编号1234567891011街坊面积（hm2）1.211.702.081.982.202.201.432.211.962.042.40街坊编号1213141516171819202122街坊面积（hm2）2.401.212.281.451.702.001.801.661.231.531.71街坊编号232425262728街坊面积（hm2）1.802.201.382.042.042.40(三)划分设计管段，计算设计流量依据设计管段定义和划分方法，将各干管和主干管中有本段流量进入点(通常定为街坊两端)、有集中流量进入及有旁侧支管接入点，作为设计管段起止点并将该点检验井编上号码，图8-7所表示。各设计管段设计流量应列表进行计算。在初步设计中，只计算干管和主干管设计流量；在技术设计和施工图设计中，要计算全部管段设计流量。本设计为初步设计，故只计算干管和主干管设计流量，如表8-8所表示。污水干管和主干管设计流量计算表 表8-8管段编号居住区生活污水量（或综合生活污水量）集中流量q3设计流 量(L/s) 本段流量q1转输流量q2(L/s)累计平均流量(L/s)总改变系数Kz生活污水设计流量(L/s)本段(L/s)转输(L/s)街坊编号街坊面积（ha）比流量qsL/(sha)流量q1(L/s)12345678910111212899101022334111212131314144455615161617171818667-2425-2627-28-2.201.38-2.042.04-2.40-0.4050.405-0.4050.405-0.405-0.890.56-0.830.83-0.97-1.182.654.074.074.961.643.264.546.3311.2912.121.783.735.276.6919.64-1.182.654.074.965.521.643.264.546.3312.1212.951.783.735.276.6920.61-2.32.32.32.32.282.32.32.32.262.092.062.32.32.292.251.96-2.716.109.3611.4112.593.777.5110.4414.3125.3326.684.098.5812.0715.0540.4029.00-29.0029.00-29.0029.00-29.0029.002.716.109.3640.4141.593.777.5110.4414.3154.3355.684.098.5812.0715.0569.40生活污水比流量为： =0.405(L(shm2) 工厂排出工业废水作为集中流量，在检验井l处进入污水管道，对应设计流量分别为29L/s。 图8-7和表8-8所表示，设计管段12为主干管起始管段，只有集中流量(工厂经局部处理后排出工业废水)29L/s流入，故其设计流量为29L/s。设计管段23除转输管段12集中流量29L/s外，还有本段流量q1和转输流量q2流入。该管段接纳街坊24污水，其街坊面积为2.20ha(见表8-7)， 故本段平均流量为q1qsF0.4052.200.89L/s；该管段转输流量是从旁侧管段89102流来生活污水平均流量，其值为：q2=qsF=0.405(1.21+1.70+1.43+2.21+1.21+2.28)=4.07 L/s。设计管段23 累计平均流量为q1+q2=0.89+4.07=4.96 L/s，查表8-1，得Kz2.3，故该管段综合生活污水设计流量为Q14.96 2.311.41 L/s，总设计流量为综合生活污水设计流量和集中流量之和，即：Q11.41+2940.4l L/s。其它各管道设计流量计算方法和上述方法相同。（四）水力计算各设计管段设计流量确定后，即可从上游管段开始依次进行各设计管段水力计算。本例为初步设计，只进行污水干管和主干管水力计算（在技术设计和施工图设计中全部管段全部要进行水力计算），其计算结果见表8-9、8-10。污水干管水力计算表 表 8-9管段编号管段长度L(m)设计流量Q(L/s)管道直径D(mm)设计坡度I()设计流速v(m/s)设计充满度降落量IL(m)h/Dh(m)123456789899101021112121313141441516161717181861701603201701601601601701601601602.716.109.363.777.5110.4414.314.098.5812.0715.053003003003003003003003003003003003.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.00.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.500.500.500.500.500.500.500.500.500.500.500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.1500.510.480.960.510.480.480.480.510.480.480.48管段编号标 高 (m)埋 设 深 度 (m)地 面水 面管 内 底上端下端上端下端上端下端上端 下端 10111213141516178991010211121213131414415161617171818688.1087.6087.1588.1087.5587.1086.6088.0087.5087.0586.6587.6087.1586.1087.5587.1086.6086.0087.5087.0586.6585.8086.75086.24085.76086.75086.24085.76085.28086.65086.14085.66085.18086.24085.76084.80086.24085.76085.28084.80086.14085.66085.18084.70086.60086.09085.61086.60086.09085.61085.13086.50085.99085.51085.03086.09085.61084.65086.09085.61085.13084.65085.9985.51085.03084.5501.5001.5101.5401.5001.4601.4901.4701.5001.5101.5401.6201.5101.5401.4501.4601.4901.4701.3501.5101.5401.6201.250污水主干管水力计算表 表8-10管段编号管段长度L(m)设计流量Q(L/s)管道直径D(mm)设计坡度I()设计流速v(m/s)设计充满度降落量IL(m)h/Dh(m)12345678912233445566711025017022024024029.0040.4141.5954.3355.6869.403004004004505005002.82.22.22.42.42.40.710.710.710.770.780.830.510.480.490.450.400.450.1530.1920.1960.2030.2000.2250.3080.550.3740.5280.5760.576