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咨询热线:17736920826从基本原理、污水管网水力计算、雨水管网水力计算、关键参数选择及常见问题等方面阐述排水管网的水力计算
本站 2025/6/12 14:24:55
排水管网的水力计算是确定管径、坡度、充满度等关键参数的核心步骤，其目的是确保管网在运行中既能高效排涝（雨水）或稳定收集污水（污水/合流），又满足流速、充满度、水头损失等规范要求。以下从基本原理、污水管网水力计算、雨水管网水力计算、关键参数选择及常见问题等方面系统阐述。
排水管网的流动属于有压管流（压力流）或无压管流（重力流），其中：
污水管网：以重力流为主（仅在提升泵站段为压力流），依赖地面坡度形成自然流动；
雨水管网：完全重力流（无压），需通过坡度驱动水流快速汇入受纳体。
水力计算的核心公式是曼宁公式（适用于紊流粗糙区，排水管网常用）：
$$v = \frac{1}{n} R^{2/3} i^{1/2}$$
其中：
$v$：管内平均流速（m/s）；
$n$：管道粗糙系数（混凝土管取0.013~0.015，HDPE管取0.009~0.012）；
$R$：水力半径（满流时 $R = D/4$，非满流时 $R = A/\chi$，$A$为过流面积，$\chi$为湿周）；
$i$：管道坡度（%或小数）。
结合流量公式 $Q = v \cdot A$，可推导出设计流量与管径、坡度的关系，用于确定满足要求的管径和坡度组合。
污水管网的设计流量需考虑生活污水量、工业废水量及地下水渗入量，其核心是“恒定流计算”（假设流量随时间变化较小，按最不利情况设计）。
$$Q = \psi \cdot q \cdot F$$
其中：
$Q$：设计流量（L/s）；
$\psi$：总变化系数（反映流量随时间的波动，与人口密度、排水体制相关）；
$q$：平均日生活污水量（L/人·d），参考《室外排水设计规范》（GB50014-2021）：
住宅：100~180L/人·d（北方偏小，南方偏大）；
公共建筑：按用水量的90%计算（如商场150~300L/人·d）；
$F$：汇水面积（ha）；
$\psi$：总变化系数（可通过公式计算：$\psi = \frac{2.7}{Q^{0.11}}$，$Q$为平均流量L/s，当$Q < 1.2L/s$时取$\psi = 2.5$）。
注：工业废水需单独计算（按工艺最大排水量），并与生活污水叠加。
通过曼宁公式反推管径 $D$ 和坡度 $i$，需满足以下规范要求：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 最小设计流速 $v_{\text{min}}$ | 防止污泥沉积，金属管≥0.6m/s，非金属管≥0.6m/s（一般取0.6~0.7m/s）。 |
| 最大设计流速 $v_{\text{max}}$ | 防止管材磨损，金属管≤10m/s，非金属管≤5m/s（一般取0.8~3.0m/s）。 |
| 最大充满度 $h/D$ | 非满流（避免堵塞），DN300管≤0.75，DN400管≤0.80，DN500及以上≤0.85（GB50014）。 |
| 最小管径 $D_{\text{min}}$ | DN200（小区支管），DN300（市政干管）。 |
计算步骤：
根据汇水面积 $F$ 和平均流量 $q$，计算设计流量 $Q$；
假设一个管径 $D$（参考最小管径），计算过流面积 $A = \frac{\pi D^2}{4} \cdot h/D$（$h$为设计水深，非满流）；
计算湿周 $\chi = \pi D \cdot h/D$（非满流时湿周小于圆周长）；
计算水力半径 $R = A/\chi$；
代入曼宁公式计算流速 $v = \frac{1}{n} R^{2/3} i^{1/2}$，并推导坡度 $i = \left( v \cdot n \cdot \sqrt{R} \right)^{-2}$；
验证流速是否在 $[v_{\text{min}}, v_{\text{max}}]$ 范围内，若不满足则调整管径或坡度；
最终确定满足所有规范要求的 $D$ 和 $i$。
示例：某居住区汇水面积 $F=5ha$，人均污水量 $q=150L/人·d$，人口密度 $500人/ha$，则平均流量 $q_{\text{avg}}=150 \times 500 \times 5 / 1000 = 375L/s$？不，正确计算应为 $q_{\text{avg}}=150L/人·d \times 5ha \times 500人/ha = 375000L/d = 156.25L/s$。总变化系数 $\psi=2.7/(156.25)^{0.11}≈1.5$，设计流量 $Q=1.5 \times 156.25≈234.38L/s$。假设选DN600混凝土管（$n=0.013$），查水力计算表（或软件计算）得：当充满度 $h/D=0.8$ 时，坡度 $i=0.002$，流速 $v=0.85m/s$（满足要求）。
雨水管网的设计流量基于设计暴雨强度和汇水面积，核心是“非恒定流计算”（需考虑降雨历时内的流量变化，但通常简化为恒定流计算）。
采用地方标准（如《室外排水设计规范》附录或地方修正公式），形式一般为：
$$q = \frac{2001(1+0.811\lg P)}{(t+8)^{0.711}}$$
其中：
$q$：设计暴雨强度（L/(s·ha)）；
$P$：设计重现期（年，城市主干管取3~5年，重要区域5~10年）；
$t$：降雨历时（min），$t = t_c + m \cdot t_1$；
$t_c$：地面集水时间（min，一般5~15min，旧城区取10~15min）；
$m$：折减系数（暗管取2，明渠取1.2）；
$t_1$：管内流行时间（min，$t_1 = \sum L_i / v_i$，$L_i$为管段长度，$v_i$为流速）。
$$Q = \psi \cdot q \cdot F$$
其中：
$Q$：设计流量（L/s）；
$\psi$：径流系数（综合值0.5~0.8，混凝土路面0.9，绿地0.15，屋面0.9）；
$q$：设计暴雨强度（L/(s·ha)）；
$F$：汇水面积（ha）。
雨水管网按满流计算（允许短时间满流），通过曼宁公式反推管径 $D$ 和坡度 $i$，需满足：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 最小管径 $D_{\text{min}}$ | 无铺砌地面DN300，有铺砌地面DN400（GB50014）。 |
| 最小设计坡度 $i_{\text{min}}$ | DN300管 $i \geq 0.005$，DN400管 $i \geq 0.004$（防止泥沙沉积）。 |
| 最大充满度 $h/D$ | 满流（$h/D=1$）。 |
| 最大流速 $v_{\text{max}}$ | 金属管≤10m/s，非金属管≤5m/s（一般控制在0.8~3.0m/s）。 |
计算步骤：
划分汇水区域，计算汇水面积 $F$；
确定设计重现期 $P$ 和地面集水时间 $t_c$，计算降雨历时 $t = t_c + m \cdot t_1$（初始 $t_1$ 可假设为管内流行时间）；
查暴雨强度公式计算 $q$；
计算设计流量 $Q = \psi \cdot q \cdot F$；
假设管径 $D$（参考最小管径），计算满流时的过流面积 $A = \pi D^2 / 4$；
计算湿周 $\chi = \pi D$（满流时湿周为圆周长）；
计算水力半径 $R = A/\chi = D/4$；
代入曼宁公式计算流速 $v = \frac{1}{n} (D/4)^{2/3} i^{1/2}$，并推导坡度 $i = \left( v \cdot n \cdot 4^{1/2} / D^{2/3} \right)^{-2}$；
验证流速是否在 $[v_{\text{min}}, v_{\text{max}}]$ 范围内，若不满足则调整管径或坡度；
同步校核 $t_1 = \sum L_i / v_i$，修正降雨历时 $t$，重复步骤5~9直至收敛。
示例：某区域汇水面积 $F=10ha$，径流系数 $\psi=0.6$，设计重现期 $P=3年$，地面集水时间 $t_c=10min$，$m=2$。查地方暴雨强度公式得 $q=300L/(s·ha)$，设计流量 $Q=0.6 \times 300 \times 10=1800L/s$。假设选DN1000混凝土管（$n=0.013$），满流时 $A=\pi \times 1^2 /4=0.785m^2$，$R=1/4=0.25m$，假设流速 $v=1.5m/s$，则坡度 $i=(1.5 \times 0.013 / 0.25^{1/2})^{-2}=(0.078 / 0.5)^{-2}= (0.156)^{-2}≈41.3$（显然不合理，说明管径过大）。实际应通过水力计算表查得：当 $D=1000mm$，$i=0.001$ 时，流速 $v=1.2m/s$，流量 $Q=1.2 \times 0.785=0.942m^3/s=942L/s$（小于1800L/s，需增大管径）。选DN1200管，查得 $i=0.0008$ 时，$v=1.3m/s$，$Q=1.3 \times 1.131=1.47m^3/s=1470L/s$（仍不足）。最终选DN1400管，$i=0.0006$，$v=1.4m/s$，$Q=1.4 \times 1.539=2.15m^3/s=2150L/s$（满足要求）。
综合区域需根据用地类型加权平均（如 $\psi = \sum \psi_i \cdot F_i / F$，$\psi_i$为各类型用地径流系数）；
海绵城市区域需降低 $\psi$（通过渗透设施减少地表径流）。
暗管取2（因雨水在管内流行时间长，峰值流量衰减），明渠取1.2（无显著衰减）；
旧城区合流管折减系数可适当减小（因管内流速低，衰减不明显）。
经济发达城市、重要区域取高值（如10年），一般区域取3~5年；
需平衡投资与风险（$P$ 过高会增加管径和成本，过低易内涝）。
污水管网需考虑地下水渗入（$q_{\text{渗}} = k \cdot (H - h) \cdot L$，$k$为渗透系数，$H$为地下水位，$h$为管内水位，$L$为渗漏段长度）；
渗透量过大时需提高管材防腐等级或增加基础刚度。
原因：管径过大或坡度过小；
解决：减小管径、增大坡度（需校核流速≤最大允许值）；或在管底设“沉泥井”定期清淤。
原因：坡度过大或管径过小；
解决：增大管径、减小坡度（需校核流速≥最小允许值）；或选用耐磨管材（如铸铁管）。
原因：设计流量计算偏大或管径选择过小；
解决：重新校核汇水面积和设计流量，增大管径；或调整下游管网坡度，避免上游壅水。
排水管网的水力计算是“流量-管径-坡度”的动态平衡过程，需结合规范要求和实际工程条件，通过曼宁公式反推关键参数，并验证流速、充满度等约束条件。其核心目标是确保管网安全运行（防堵塞、防冲刷）和经济合理（控成本、降能耗），同时兼顾海绵城市、生态排水等新兴需求。
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