下水道设计要点.doc

第九章 污水管网设计与计算 来源：广州大学给水排水管道系统课程网站 发表时间：2007-4-24 最近更新时间：2007-7-10 污水管网设计的主要任务：（1）污水管网总设计流量及各管段设计流量计算；（2）污水管网各管段直径、埋深、衔接设计与水力计算；（3）污水提升泵站设置与设计；（4）污水管网施工图绘制等。9.1 污水设计流量计算9.11 设计污水量定额设计污水量定额应根据相关规范选取。在计算设计污水量时应明确，污水管网是按最高日最高时污水排放流量进行设计。9.1.2 污水量的变化污水量日变化系数Kd：指设计年限内，最高日污水量与平均日污水量的比值；污水量时变化系数Kh：指设计年限内，最高日最高时污水量与该日平均时污水量的比值；污水量总变化系数Kz：指设计年限内，最高日最高时污水量与平均日平均时污水量的比值。（1）居民生活污水量变化系数（2）工业废水量变化系数9.1.3 污水设计流量计算（1）居民生活污水设计流量：（2）工业废水设计流量：（3）工业企业生活污水量和淋浴污水的设计流量：（4）公共建筑污水设计流量：（5）城市污水设计总流量：9.2 管段设计流量计算9.2.1 污水管网的节点与管段在设计计算时，将污水管网中流量和管道敷设坡度不变的一段管道称为管段；将该管段的上游端汇入污水流量和该管段的收集污水量作为管段的输水流量，称为管段设计流量；每个设计管段的上游端和下游端称为污水管网的节点。9.2.2 节点设计流量计算污水管网的节点流量是该节点下游的一条管段所连接的用户污水流量与该节点所接纳的集中污水流量之和，前者称为本段流量，后者称为集中流量。9.2.3 管段设计流量计算9.3 污水管道设计参数9.3.1 设计充满度在一个设计管段中，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度。当h/D=1时，称为满管流；当h/D1时，称为非满管流。9.3.2 设计流速与设计流量、设计充满度相对应的水流平均速度称为设计流速。最小设计流速是保证管道内不产生淤积的流速。最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。9.3.3 最小管径根据设计流量设计管径，在污水管网上游部分，管径很小，极易堵塞，为了养护工作方便，常规定一个允许的最小管径。在街区和厂区内最小管径为200mm，在街道下的最小管径为300mm。9.3.4 最小设计坡度将相应与最小设计流速的管道坡度称为最小设计坡度。9.3.5 污水管道埋设深度污水管道埋设深度是指管道的内壁底部离开地面的垂直距离，也称管道埋深。管道的顶部离开地面的垂直距离称为覆土厚度。污水管道的最小覆土厚度，一般应满足下述三个因素的要求：（1）防止管道内污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏管道；（2）防止地面荷载而破坏管道；（3）满足街区污水连接管衔接的要求。9.3.6 污水管道的衔接管道衔接要遵循两个原则：（1）避免上游管道形成回水，造成淤积；（2）在平坦地区应尽可能提高下游管道的标高，以减少埋深。管道常用衔接方法：（1）水面平接：在确定上、下游管道直径和设计充满度后，设计管道的埋深时使上、下游管道内的设计水面保持等高。（2）管顶平接：上、下游管道顶部保持相等高度。9.4 污水管网水力计算确定管段直径和坡度是污水管网设计的主要内容，也是决定污水管网技术合理性和经济性的关键步骤。（1）不计算管段的确定（2）较大坡度地区管段设计（3）平坦或反坡地区管段设计（4）管段衔接设计（5）水力计算时应注意的问题9.5 绘制管道平面图和纵剖面图污水管网的平面图和纵剖面图，是污水管网设计的主要图纸。初步设计阶段的管道平面图就是管道总体布置图，施工阶段的管道平面图要求更为详细确切。管道纵剖面图反映管道沿线的高程位置，和平面图相对应。 排水管道的布置形式 来源：广州大学给水排水管道系统课程网站 发表时间：2007-7-9 最近更新时间：2007-7-11 排水管道的平面布置，根据城市地形、竖向规划、污水厂的位置、土壤条件、水体情况，以及污水的种类和污染程度等因素确定。下面几种布置形式是以地形为主要因素的布置形式。1.正交式布置在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大体垂直相交的方向布置，这种布置称为正交式布置。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，直接排放形式仅用于雨水排除。2.截流式布置在正交式布置的基础上，沿河岸再敷设总干管将各干管的污水截流并输送至污水厂，这种布置称为截流式布置。截流式布置对减轻水体污染、改善和保护环境有重大作用，适用于分流制的污水排水系统。将生活污水和工业废水经处理后排入水体，也适用于区域排水系统。此种情况下，区域性的管截流总干管需要截流区域内各城镇的所有污水输送至区域污水厂进行处理。对于截流式合流制排水系统，因雨天有部分混合污水泄入水体，对水体有所污染，这就是合流制的缺点。3.平行式布置在地势向河流方向有较大倾斜的地区，为了避免干管坡度及管内流速过大，使管道受到严重冲刷，可使干管与等高线及河道基本平行、主干管与等高线及河道成一定斜角的形式敷设，这种布置称为平行式布置。但是，能否采用上述的平形式布置，取决于城镇规划道路网的形态。4.分区式布置在地势高低相差较大地区，当污水不能靠重力流流至污水厂时，可采用分区式布置。分区式布置的含义是:分别在地形较高区和地形较低区依各自的地形和路网情况敷设独立的管道系统。高地区污水靠重力流直接流入污水厂，低地区污水用水泵抽送至高地区干管或污水厂。这种布置只能用于个别阶梯地形或起伏很大的地区，其优点是能充分利用地形较高区的地形排水，节省能源。5.分散式布置当城市周围有河流，或城市中央部分地势较高、地势向四周倾斜的地区，各排水流域的干管常采用放射状分散式布置，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、管道埋深浅等优点，但污水厂和泵站(如需要设置时)的数量将会增多。在地形平坦的大城市，采用辐射状分散布置也可能是比较有利的。6.环绕式布置在分散式布置的基础上，沿城市四周布置截流总干管，将各干管的污水截流送往污水厂，这种布置称为环绕式布置。在环绕式布置中，便于实现只建一座大型污水厂，避免修建多个小型污水厂，可减少占地、节省基建投资和运行管理费用。应当注意的是城市的地形是非常复杂的，加之多种因素的影响，在实际中单独采用一种形式布置管道的情况较少，通常是根据当地条件，因地制宜地采用各种形式综合布置。将两个以上城镇地区的污水统一排除和处理的系统，称作区域(或流域)排水系统。这种系统是以一个大型区域污水厂代替许多分散的小型污水厂，不仅能够降低污水厂的基建和运行管理费用，而且能可靠地防止工业和人口稠密地区的地面水污染，改善和保护环境。实践证明，生活污水和工业废水的混合处理效果以及控制的可靠性，大型区域污水厂比分散的小型污水厂要好。在工业和人口稠密的地区，将全部对象的排水问题同本地区的国民经济发展、城市建设和工业扩大、水资源综合利用以及水体污染控制的卫生技术措施等各种因素，进行综合考虑研究解决，是经济合理的。区域排水系统就是由局部单项治理发展至区域综合治理，是控制水污染、改善和保护环境的新发展。污水管道定线 来源：广州大学给水排水管道系统课程网站 发表时间：2007-7-9 最近更新时间：2007-7-11 污水管道定线应尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出。地形一般是影响管道定线的主要因素。定线时应充分利用地形。使管道的走向符合地形坡向的趋势，有利顺坡排水。在整个排水区域较低的地方敷设主干管及干管，便于支管的污水自流接入，而横支管的坡度尽可能与地面坡度一致。在地形平坦地区，应避免小流量的横支管长距离平行于等高线敷设，宜让其尽早接入干管。干管宜与等高线垂直，主干管与等高线平行敷设。由于主干管管径较大，保持最小流速所需坡度小，其走向与等高线平行是合理的。当地形倾向河道的坡度很大时，主干管与等高线垂直，干管与等高线平行，这种布置虽然主干管的坡度较大，但可少设置跌水并，从而使干管的水力条件得到改善。地形比较复杂时，宜布置成几个独立的排水系统。如由于地形中间隆起而布置成两个排水系统；地势起伏较大，宜布置成高低区排水系统；高区不宜随便设置跌水井，应优先保证向污水厂的重力流输水的实现；个别低洼地区采取局部泵站提升。污水总干管的走向和数目取决于污水厂和出水口的位置和数目。在大城市或地形复杂的城市，可能需要建几个独立的污水厂分别处理与利用污水，这就需要敷设几条总干管。在小城市或地形倾向一方的城市，通常只设一座污水厂，则只需敷设一条总干管。若相邻城镇联合建造污水厂，则需建造相应的区域性截流污水总干管道。如果适当增大起端干管的直径，可能减小管道敷设坡度而减少整个管道系统的埋深，则适当增大干管上游段的直径是有利的。管道定线时还应考虑街道宽度及交通情况。污水干管一般不宜敷设在交通繁忙而狭窄的街道下。若街道宽度超过40 m时，为了减少连接支管穿越街道的次数以及与其他地下管线的交叉次数，可考虑在街道的两侧分别设置一条相互平行的污水管道(街道双侧敷管)。污水支管的平面布置取决于地形、街坊平面和建筑规划，并应便于用户接管排水。当街区面积不太大，街区污水管网可采用集中出水方式时，街道支管敷设在服务街区较低侧的街道下，称为低边式布置。当街区面积较大且地势平坦时，宜在街区四周的街道敷设污水支管，称为周边式布置。街区内污水管网按各建筑的需要设计，组成一个系统，再穿过其他街区并与所穿街区的污水管网相连，称为穿坊式布置。考虑到地质条件、地下构筑物以及其他障碍物对管道定线的影响，应将管道，特别是主干管布置在坚硬密实的土壤中，尽量避免或减少管道穿越高地、基岩浅露地带或基质土壤不良地带；尽量避免或减少与河道、山谷、铁路及各种地下构筑物的交叉，以降低施工费用、缩短工期及减少日后养护工作的困难。管道定线时，若管道必须经过高地，可采用隧洞或设提升泵站的方法解决；若需经过土壤不良地段，应根据具体情况采取不同的地基处理措施，以保证地基与管道基础有足够的承载能力。当污水管道无法避开铁路、河流、地铁或其他地下建(构)筑物时，管道最好垂直穿过障碍物，并根据具体情况采用倒虹管、管桥或其他工程措施。选择采用的排水体制也影响管道定线。分流制系统一般有两个或两个以上的排水管道系统，定线时必须在平面和高程上互相配合。采用合流制时要确定截流干管及溢流井的正确位置。若采用混合体制，则在定线时应考虑两种体制管道的衔接方式。污水管道设计参数 来源：广州大学给水排水管道系统课程网站 发表时间：2007-7-9 最近更新时间：2007-7-11 l) 设计充满度设计流量下，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值称为设计充满度(或水深比)。当h/D=1时称为满流；h/D1称为非满流。我国室外排水设计规范规定，污水管道应按非满流进行设计，对管道的最大设计充满度有相应的限制，污水管道设计充满度指的是h/D。对于明渠，设计规范还规定了设计超高(即渠中水面到渠顶或渠道翼墙顶的高度)不小于0. 2m。各种管道的允许最大设计充满度在室外排水设计规范( GB 50014-2006 )中有明确的规定。在计算配置污水管道的管径时，管道的设计流量中不包括淋浴或短时间内突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应复核当其满流时是否能满足设计流量的通过要求。2) 设计流速对应于设计流量、设计充满度的管道内的水流平均速度叫做设计流速。为了防止管道中产生淤积或冲刷，设计流速不宜过小或过大，最好在最大和最小设计流速范围之内。最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的控制流速。室外排水设计规范(GB 50014-2006)规定了污水管道在设计充满度下的最小设计流速定为0. 6m/s。含有金属、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大，其值要根据试验或调查研究决定。明渠的最小设计流速为0.4m/s。最大设计流速与管材相关，是保证管道不因长期剧烈冲刷而缩短运行寿命的控制流速。通常，金属管道的最大设计流速为1Qm/s，非金属管道的最大设计流速为5 m/s，更为具体的规定参见室外排水设计规范(GB 50014-2006 )。3) 最小管径在污水管道系统的上游部分，由于设计污水流量很小，若根据流量计算，则管径会很小，而管径过小极易堵塞；此外，采用较大的管径，可选用较小的坡度，使管道埋深减小，因此，为了养护工作的方便，常规定一个允许的最小管径。在街区和厂区内污水管道最小管径为DN200，街道下为DN300。在污水管道系统上游的管段，由于管段服务的排水面积较小，因而设计流量较小，按此设计流量计算得出的管径会小于最小管径，这时应采用最小管径值。一般可根据最小管径在最小设计流速和最大充满度情况下能通过的最大流量值，计算出设计管段服务的排水面积。若计算管段的服务排水面积小于此值，即可直接采用最小管径而不再进行管道的水力计算。这种管段称为不计算管段。对于这些不计算管段，当有适当的冲洗水源时，可考虑设置冲洗井(类似于污水检查井)。4) 最小设计坡度在污水管道设计时，应尽可能减小管道敷设坡度以降低管道埋深。但管道坡度造成的流速应等于或大于最小设计流速，以防止管道内产生淤积和沉淀。因此，将相应于管道内流速为最小设计流速时的管道坡度叫做最小设计坡度。不同管径的污水管道有不同的最小坡度。管径相同的管道，因充满度不同，其最小坡度也不同。在给定设计充满度条件下，管径越大，相应的最小设计坡度值越小。通常对同一直径的管道只规定一个最小坡度，以满流或半满流时的最小坡度作为最小设计坡度。室外排水设计规范(GB 50014-2006 )只规定了最小管径对应的最小设计坡度，街坊内污水管道的最小管径为DN200 ，相应的最小设计坡度为0.004；街道下为DN300，相应的最小设计坡度为0. 003。若管径增大，相应于该管径的最小坡度由最小设计流速保证。5) 污水管道埋设深度污水管道的埋设深度通常指管道的内壁底到地面的距离。管道外壁顶部到地面的距离称为覆土厚度。管道埋深是影响管道造价的重要因素，是污水管道的重要控制参数。在实际工程中，同一直径的管道，采用的管材、接口和基础形式均相同，因其埋设深度不同，管道单位长度的工程费用相差较大。因此，合理地确定管道埋深对于降低工程造价是十分重要的。在土质较差、地下水位较高的地区，若能设法减小管道埋深，降低工程造价的效果尤为明显。为了降低造价，缩短施工期，管道埋设深度愈小愈好。但覆土厚度应有一个最小的限值，否则就不能满足应对管道上方可能出现荷载的要求。这个最小覆土厚度限值称为最小覆土厚度。污水管道的最小覆土厚度，一般应满足下述三个因素的要求：(1) 必须防止管道内污水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道。室外排水设计规范(GB 50014-2005 )规定：无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管内底最高可埋设在冰冻线以上0.15m处。有保温措施或水温较高的管道，管底在冰冻线以上的距离可以加大，其数值应根据该地区或条件相似地区的经验确定。(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管顶覆盖土壤静荷载和地面上车辆运行产生的动荷载。为防止管道因外部荷载影响而损坏，首先要注意管材质量，另外必须保证管道有一定的覆土厚度。室外排水设计规范(GB 50014-2006 )规定，在车行道下管顶最小覆土厚度一般不小于0.7m；在管道保证不受地面荷载损坏时，最小覆土厚度可适当减小。(3) 必须满足街区污水接入支管衔接的要求。为了使住宅和公共建筑内产生的污水能以重力流的形式顺利排入街道污水管网，就必须保证街道污水管道接入支管的连接点高程低于或等于街坊污水支管在该连接点高程，而街坊污水支管上游起点高程又必须低于或等于建筑物污水出户管高程。在气候温暖且地势平坦地区，这一点对于确定街道管网起点的最小埋深或覆土厚度是很重要的。从安装技术方面考虑，要使建筑物首层卫生设备的污水能顺利排出，污水出户管的最小埋深一般采用0.5-0.7 m，所以街坊污水管道起点最小埋深也应有0.6-0.7m。根据街坊污水管道起点最小埋深值，可计算出街道管网起点的最小埋没深度。对每一个具体管道，从上述三个不同的因素出发，可以得到三个不同的管底埋深或管顶覆土厚度值。这三个数值中的最大一个值就是这一管道的允许最小覆土厚度或最小埋设深度。当管道的坡度大于地面坡度时，管道的埋深就愈来愈大，尤其在地形平坦的地区更为突出。埋深愈大，则管道的造价愈高，施工期也愈长。允许的管道埋深最大值称为最大允许埋深。该值的确定应根据管材、地下水位埋深、技术经济指标及施工方法而定，一般在干燥土壤中，最大埋深不超过7-8m；在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。当超过最大埋深时，应考虑建设提升泵站，以减小下游管道埋深。污水管道的衔接 来源：广州大学给水排水管道系统课程网站 发表时间：2007-7-9 最近更新时间：2007-7-11 污水管道系统中的检查井是清通维护管道的设施，也是管道的衔接设施。一般在管道管径、坡度、高程、方向发生变化及管道交汇时，必须设置检查井以满足结构衔接和维护管理的需要。在检查井中上、下游管段必须有较好的衔接，以保证管道顺利运行。水面平接是指在管道水力计算中。使上游管段(通常管径不大于下游管段)终端和下游管段(通常管径会等于或大于上游管段)起端的设计水面高程(由管内底高程和设计充满度推求所得)在检查井内保持齐平，即上游管段终端与下游管段起端的水面高程相同。由于上游管段的水面变化较大，水面平接时在上游管段中易形成回水，对管道的排水顺畅性不好，而且高程推算复杂。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高程相同。采用管顶平接时，由于下游管段的管径通常会等于或大于上游管段的管径(通常是100mm),采用管顶平接就不至于使上游管段内产生回水现象，且高程推算大为简化。所以此法在工程的设计实践中被广泛采用。但是，采用管顶平接时下游管段的埋深将增加。这对于平坦地区或埋设较深的管道，有时是不适宜的，应采用水面平接的方法。无论采用哪种衔接方法，下游管段起端的水面和管底高程都不得高于上游管段终端的水面和管底高程。在地形坡度较大地区，为了限制管内流速不至于太大，采用的管道坡度将会小于地面坡度。为了保证下游管段的最小覆土厚度和减少上游管段的埋深，可根据地面坡度采用跌水井连接。在地势平坦地区，管道坡度大于地面坡度，当管道埋深达到允许最大埋深时，必须减小下游管道埋深，这时上、下游管道宜采用提升泵站衔接。在旁侧支管与干管交汇处，支管接入干管的转弯角度，与下游管道的夹角一般应大于90，以防止在上游管道中产生回水。支管接入交汇检查井时，应避免与干管底有较大落差，若落差不足1m，可在支管上设斜坡；若落差大于1m以上，可在支管上设跌水井跌落后再接入与干管的交汇井，以保证于管有良好的水利条件。