《城市排水工程》PPT课件.ppt

1,专题 城市排水工程,人们在生活和生产活动中产生大量污水，污水中含有很多有害物质，极易腐化发臭，污染环境，危害人们的生活和生产；天然降水，在降落及流行过程中也受到一定的污染，如不及时排泄，也会危害人们的生活和生产。排水工程由排水管网、排水泵站、污水处理厂及处理后的排放设施等部分组成。,2,一、排水体制,1、定义：城市的生活污水、工业生产污水和废水以及空中降水所采用的排水方式称为排水体制。2、分类：合流制分流制,3,3、合流制,（1）完全合流制。当生活污水、工业污水和雨水在同一排水系统汇集和排除时，称为合流制排水系统。优点：采用这种系统时，街道下只有一条排水管道，因而管网建设比较经济。缺点：几种污水汇集后 都流入处理厂，使处理厂的规模过大，投资过多，建设困难；不降雨时，排水管内水量较小，管中水力条件较差；如果直接排入水体又极不卫生。,4,直排式合流制,直排式合流制,合流支管,合流干管,5,(2)截流式合流制,定义：污水与雨水合流后排向沿河的截流干 管，并在干管上设置雨水溢流井。不降雨水时，污水流入处理厂进行处 理；降雨时，管中流量增大，当管内 流量超过一定限度时，超出的流量将 通过溢流井溢入河道中。,6,4、分流制,定义：污水与雨水分别排除的系统。分类：完全分流制，不完全分流制。1）完全分流制。生活污水、工业废水和雨水分别以三个管道来排除；或生活污水与水 质相类似的工业污水合流，而雨水则流入雨水管道。,7,特点：完全分流制系统卫生情况好，管内水力条件也较佳，并可以分期建设，减少一次投资。实际采用的较多。缺点：由于管道数增多，投资比合流制增大。同时，因雨水可直接排入河道，初降的 雨水较脏，有可能污染河道。,8,(2)不完全分流制,定义：是城市只设污水排水系统而不设雨 水系统。雨水沿街道边沟或明渠排入水体。特点：比较经济，但需具有有利地形时才能采用。在新建城 市中，初期采用不完全分流制系统，先解决污水排除问题。随着城市的发 展，道路逐渐完善，雨水管也建设起来，改为完全的分流制，这样分期建设排水系统，有利城市的发展。,9,二、排水管渠和附属构筑物,一般规定：排水管渠系统应根据城镇总体规划和建设情况统一布置，分期建设。排水管渠断面尺寸应按远期规划的最高日最高时设计流量设计。管渠平面位置和高程，应根据地形、土质、地下水位、道路情况、原有的和规划的地下设施、施工条件以及养护管理方便等因素综合考虑确定。管渠材质、管渠构造、管渠基础、管道接口，应根据排水水质、水温、冰冻情况、断面尺寸、管内外所受压力、土质、地下水位、地下水侵蚀性、施工条件及对养护工具的适应性等因素进行选择与设计。,10,输送腐蚀性污水的管渠必须采用耐腐蚀材料，其接口及附属构筑物必须采取相应的防腐蚀措施。工业区内经常受有害物质污染场地的雨水，应经预处理达到相应标准后才能排入排水管渠。排水管渠系统的设计，应以重力流为主，不设或少设提升泵站。当无法采用重力流或重力流不经济时，可采用压力流。雨水管渠系统设计可结合城镇总体规划，考虑利用水体调蓄雨水，必要时可建人工调蓄和初期雨水处理设施。污水管道和附属构筑物应保证其密实性，防止污水外渗和地下水入渗。,11,当排水管渠出水口受水体水位顶托时，应根据地区重要性和积水所造成的后果，设置潮门、闸门或泵站等设施。排水管渠系统中，在排水泵站和倒虹管前，宜设置事故排出口。,12,水力计算：,式中:v 流速(ms)R 水力半径(m)I 水力坡降 n 粗糙系数 C 谢才系数；,式中:Q设计流量(m3s)A 水流有效断面面积(m2)v 流速(ms),四川农业大学本科生课程环工原理,13,当量直径 用下式求得 式中 有效截面积，m2；湿周，即流体湿润有效截面的周界长度，m；水力半径，m。,14,1 重力流污水管道应按非满流计算，其最大设计充满度：,2 雨水管道和合流管道应按满流计算。3 明渠超高不得小于0.2m。,15,4.管径与坡度的关系:,16,排水管道的最大设计流速：金属管道为10.0ms。非金属管道为2.0ms。排水明渠的最大设计流速：当水流深度为0.41.0m时，按表确定。当水流深度在0.41.0m范围以外时，表列最大设计流速宜乘以下列系数：h0.4m 0.85 1.0h2.0m 1.25 h2.0m 1.40注：h为水流深度。,17,明渠最大设计流速表,18,排水管渠的最小设计流速：1 污水管道在设计充满度下为0.6ms2 雨水管道和合流管道在满流时为0.75ms3 明渠为0.4ms。,19,污水管道的埋设深度,（1）管道的埋设深度有两个意义：覆土厚度、埋设深度,覆土厚度,埋设深度,（3）决定污水管道最小覆土厚度的因素有哪些？,冰冻线的要求,满足地面荷载的要求,满足街坊管连接要求,地面,管道,（2）管网造价 在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、管道直径、施工现场地质条件、管道埋设深度等四个主要因素决定。,20,室外排水设计规范规定：无保温措施的生活污水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温措施或水温较高的管道，距离可以加大。国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地的养护经验确定。无养护资料时，采用如下数值：管径小于500mm，管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm，为0.5m。,2）冰冻线的要求,1）满足地面荷载的要求,车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非车行道下，污水管的最小覆土厚度可适当减小。,21,3）满足街坊管连接要求,22,H=Z1（Z2h）IL+h式中：H街道污水管网起点的最小埋深，m；h街坊污水管起点的最小埋深，0.60.7m；Z1街道污水管起点检查井检查井处地面标高，m；Z2街坊污水管起点检查井检查井处地面标高，m；I街坊污水管和连接支管的坡度；L街坊污水管和连接支管的总长度，m；h连接支管与街道污水管的管内底高差，m。,23,对于每一个具体的设计管段，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该管段的允许最小埋设深度或最小覆土厚度。除考虑最小埋深外，还应考虑最大埋深：在干燥土壤中，一般不超过78 m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5 m。,污水管道的埋设深度（续）,24,（2）衔接的方式：水面平接 管顶平接,污水管道的衔接,（1）衔接的原则：尽可能地提高下游管段的高程，减小埋深，降低造价；避免上游管段回水淤积。,水面平接较难做到，一般采用管顶平接,25,污水管道的水力计算方法,在进行污水管道水力计算时，各管段的设计流量为已知。污水管网水力计算包括两方面内容：1、确定各管段的直径和坡度（流速和充满度）确定出的管段直径和坡度，必须符合设计规范要求，即：计算得来的一定管径在一定坡度的敷设下，通过设计流量时，流速要满足最小流速、最大流速的要求，充满度要满足最大充满度的要求。2、确定各管段始点和终点的埋设深度（水面标高、管底标高）处理好各管段之间的衔接设计,26,1、确定各管段的直径和坡度,确定管段的直径和坡度，应从上游管段开始，依次向下游管段计算。,在具体计算时，设计流量Q和管道粗糙系数n已知，还有管径D、充满度h/D、管道坡度I和流速v是未知的，因此需要先假定2个求其它两个，这样的数学计算非常复杂，而且经常要试算。为了简化计算，常采用水力计算图进行。,（Q、v、D、n、h/D、I）,27,对每一张水力计算图而言，管径D和粗糙系数n是已知的，图上的曲线表示的是Q、v、I、h/D之间的关系，这四个因素中，只要确定两个因素，就可以通过图查出其它两个因素。计算时，Q为已知，D不知，应确定D。只要再知道一个因素就可以查图计算了，通常情况下先想办法假定坡度I。由Q和I，就可查图得出v、h/D 复核v、h/D 的设计规定若符合，则该管段的D、I(v、h/D)即确定。若不符合，重新设定I或管径D进行计算。计算中涉及到管径的假定。坡度和管径的假定是相互制约的。假定哪一个分情况：,28,管道坡度可以先假定为地面坡度，管径的选择越小越好。选择时，采用污水管道直径选用图，,（1）在有较大坡度地区时，先假定管道的敷设坡度I，然后求出管径,在该图中，根据设计流量和坡度可以确定一个点，根据该点所处的区域即可选定一个合适管径。,流量,坡度,29,管道的直径采用污水管道直径选用图选择。,（2）在平坦或缓坡地区时，先假定管道的直径，然后求出敷设坡度I,30,按上述方法，可以暂时确定出每一个管段的管径和坡度。确定出的管径和坡度还要进行复核。复核时，可以根据水力计算图进行查图计算，当计算出的v、h/D 符合设计规定时，则初步确定的管径和坡度即为所求，此时管道的v、h/D 也就计算出来了。若v、h/D 中有一个不符合设计规定时，则要调整管径或管道坡度重新计算。另外，在计算时，还要注意一点，就是不计算管段的水力计算。不计算管段一般在管网的起端，当街坊起端流量小于9.19L/s，街道起端流量小于14.63L/s时，管道分别采用200mm和300mm的管径。,31,2、确定各管段始点和终点的埋设深度（水面标高、管底标高）,即衔接设计，衔接设计也是由上游管段向下游管段进行的。（1）首先确定第一个管段的起点、终点的埋深（管底标高、水面标高）a、确定出第一个管段的起点埋深H1：第一个管段的起点通常是管网的控制点。根据埋深的三个要求，确定出第一个管段的起点埋深H1 b、起点的管底标高=起点的地面标高E1起点埋深H1 c、起点的水面标高=起点的管底标高+管中水 深h d、终点的管底标高起点的管底标高 IL e、终点的水面标高终点的管底标高+管中水 深h f、终点的埋深H2=终点的地面标高E2终点的管底标高,覆土厚度,埋设深度,地面,管道,32,（2）确定第二个管段的起点、终点的埋深（管底标高、水面标高）,首先应确定与第一个管段的衔接关系（根据具体情况选用一种）如管顶平接（上游管段的终点与下游管段的起点管顶标高相同）第二管段起点的管底标高上游终点的管底标高+上游管径下游管径第二管段起点的水面标高起点的管底标高+管中水深h第二管段起点的埋深H1=起点的地面标高E1起点的管底标高即可求出第二管段终点的管底标高、水面标高、埋设深度如水面平接（上游管段的终点与下游管段的起点水面标高相同）第二管段起点的管底标高上游终点的水面标高下游管中的水深同理可依次求出后续下游管段的起点和终点埋深,33,污水管道水力计算应注意的问题,（1）确定管道的管径和坡度应与确定管道的起点终点埋深交错进行。（2）必须仔细研究管网系统的控制点。控制点常位于区域的最远或最低处。各条管道的起点、低洼地区的个别街坊、污水出水口较深的工业企业或公共建筑都是研究的对象。（3）水力计算从上游依次向下游进行 一般情况下，随着设计流量逐段增加，设计流速也应相应增加或不变。当管道坡度突然变小时，设计流速才允许减小。另外，随着设计流量逐段增加，设计管径也应相应增加或不变。但是，当管道坡度突然增大时，管径也可以减小，减小的范围不得超过50100mm。,34,（4）跌水井的设置 在地面坡度太大时，为了减小管内水流速度，防止管壁被冲刷，管道坡度往往需要小于地面坡度。这就有可能使下游管段的覆土厚度无法满足最小限值的要求，甚至超出地面，因此在适当的点可设置跌水井。在旁侧管与干管的连接处。要考虑干管的埋深是否允许旁侧管接入，根据情况设置跌水井。（5）泵站的设置 在干燥土壤中，管道的埋深一般不超过78 m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5 m。如果超过，则要设置泵站。,污水管道水力计算应注意的问题,35,36,明渠的水力计算,37,天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。,当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。,明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。,主要内容：,明渠的几何特性,明渠均匀流的特性,明渠均匀流的计算公式,明渠均匀流的水力计算,水力最佳断面及允许流速,38,明渠的几何特性,1.明渠的底坡,明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。,i 0顺坡、正坡,i等于渠底线与水平线夹角的正弦，即i=sin。,i=0平坡,i 0逆坡、负坡,39,2.明渠的横断面,垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线称为明渠的横断面。,梯形断面,河道断面,矩形断面,反映断面的形状特征值称为断面水力要素。,底宽,水深,边坡系数,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称为棱柱体渠道。断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。,40,常见的过水断面的水力要素,断面形状,水面宽度 B,过水断面积 A,湿 周 x,水力半径 R,*式中 以弧度计,41,明渠均匀流的特性,均速运动,充分长直的棱柱体顺坡(i 0)明渠,1.过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。2.过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。3.总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即4.水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=Ff。,产生均匀流的条件：,水流应为恒定流。流量应沿程不变，即无支流。,渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。,42,明渠均匀流的计算公式,43,明渠均匀流的水力计算,以梯形断面为例：,已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量Q。已知渠道的断面尺寸b、m、h及设计流量Q、粗糙系数n，求底坡i。已知渠道的断面尺寸b、m、h及通过的流量Q、底坡i，求粗糙系数n。已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求正常水深h0。已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m和粗糙系数n，求底宽b。,44,例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s，边坡系数m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系数n=0.0225，底宽b=1m。求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。,解：根据谢才曼宁公式，并代入梯形断面水力要素，有,设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的Q值如下表,h(m)0.5 0.75 1.0 Q(m3/s)1.07 2.29 4.03,从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=0.86m。,45,水力最佳断面,从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为水力最佳断面。,所以水力最佳断面是湿周最小的断面。,工程中多采用梯形断面，在边坡系数m已定的情况下，同样的过水面积A，湿周的大小因底宽与水深的比值b/h而异。,可以证明：梯形水力最佳断面的宽深之比为,此时，,46,证明水力最佳断面的宽深比,根据水力最佳断面的条件,即,而,将A、分别对h求一阶导，并使之为零,上二式中消去db/dh后，解得,47,例：试按水力最优条件设计一梯形断面渠道的尺寸。已知设计流量Q3.5m3/s，底坡i0.005，边坡系数m1.5，渠壁粗糙系数n0.025。,48,无压圆管均匀流的水力计算,过水面积A：,湿 周：,水力半径R：,充满度：,水面宽度：,49,例：已知某圆形污水管管径d800mm，粗糙系数n0.014，底坡i0.0024，试求最大设计充满度时的流量Q。,50,排水管道采用压力流时，压力管道的设计流速宜采用0.72.0ms。污水厂压力输泥管的最小设计流速，按表确定：,51,污水厂压力输泥管的最小设计流速表,52,检查井跌水井水封井雨水口截流井倒虹管出水口,53,检查井,检查井的位置，应设在管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处、跌水处以及直线管段上每隔一定距离处。,54,跌水井,管道跌水水头为1.02.0m时，宜设跌水井；跌水水头大于2.0m时，应设跌水井。管道转弯处不宜设跌水井。跌水井的进水管管径不大于200mm时，一次跌水水头高度不得大于6m；管径为300600mm时，一次跌水水头高度不宜大于4m。跌水方式可采用竖管或矩形竖槽。管径大于600mm时，其一次跌水水头高度及跌水方式应按水力计算确定。,55,水封井,当工业废水能产生引起爆炸或火灾的气体时，其管道系统中必须设置水封井。水封井位置应设在产生上述废水的排出口处及其干管上每隔适当距离处。水封深度不应小于0.25m，井上宜设通风设施，井底应设沉泥槽。水封井以及同一管道系统中的其他检查井，均不应设在车行道和行人众多的地段，并应适当远离产生明火的场地。,56,雨水口,雨水口的形式、数量和布置，应按汇水面积所产生的流量、雨水口的泄水能力及道路形式确定。雨水口间距宜为2550m。当道路纵坡大于0.02时，雨水口的间距可大于50m，其形式、数量和布置应根据具体情况和计算确定。坡段较短时可在最低点处集中收水，其雨水口的数量或面积应适当增加。雨水口深度不宜大于lm，并根据需要设置沉泥槽。,57,截流井,截流井的位置，应根据污水截流干管位置、合流管渠位置、溢流管下游水位高程和周围环境等因素确定。截流井宜采用槽式，也可采用堰式或槽堰结合式。截流井溢流水位，应在设计洪水位或受纳管道设计水位以上，当不能满足要求时，应设置闸门等防倒灌设施。,58,倒虹管,通过河道的倒虹管，不宜少于两条；通过谷地、旱沟或小河的倒虹管可采用一条。倒虹管的设计，应符合下列要求：最小管径宜为200mm。管内设计流速应大于0.9ms，并应大于进水管内的流速，当管内设计流速不能满足上述要求时，应增加定期冲洗措施，冲洗时流速不应小于1.2ms。倒虹管的管顶距规划河底距离一般不宜小于1.0m，通过航运河道时，其位置和管顶距规划河底距离应与当地航运管理部门协商确定，并设置标志，遇冲刷河床应考虑防冲措施。倒虹管宜设置事故排出口。,59,出水口,排水管渠出水口位置、形式，应根据受纳水体的水质要求、水体的流量、水位变化幅度、水流方向、波浪状况、稀释自净能力等因素确定。出水口应采取防冲刷、消能、加固等措施，并视需要设置标志。有冻胀影响地区的出水口，应考虑用耐冻胀材料砌筑，出水口的基础必须设在冰冻线以下。,60,三、泵站,设计流量：污水泵站的设计流量，应按泵站进水总管的最高日最高时流量计算确定。雨水泵站的设计流量，应按泵站进水总管的设计流量计算确定。合流污水泵站的设计流量，应按下列公式计算确定：,61,泵站后设污水截流装置时，按QPQd Qm Qs计算 泵站前设污水截流装置时，雨水部分和污水部分分别按公式计算:1)雨水部分 QpQs noQdr2)污水部分 Qp(no 1)Qdr 式中 Qp 泵站设计流量(m3/s)；Qs 雨水设计流量(m3/s)；Qdr 旱流污水设计流量(m3/s)；no 截流倍数。,综合生活污水量,工业废水量,62,设计扬程：雨水泵的设计扬程，应根据设计流量时的集水池水位与受纳水体平均水位差和水泵管路系统的水头损失确定。污水泵和合流污水泵的设计扬程，应根据设计流量时的集水池水位与出水管渠水位差和水泵管路系统的水头损失以及安全水头确定。,63,二、污水处理,物化法化学法生物法,64,污水处理设计流量,综合生活污水量工业废水量雨水量地下水的渗入量,65,综合生活污水量,综合生活污水定额应根据当地采用的用水定额，可按当地相关用水定额的8090采用。综合生活污水量总变化系数可按当地实际综合生活污水量变化资料采用，没有测定资料时，可按下表取定。,66,综合生活污水量变化系数,注：当污水平均日流量为中间数值时，总变化系 数可用内插法求得。,67,工业废水量,工业区内工业废水量和变化系数的确定，应根据工艺特点，并与国家现行的工业用水量有关规定协调。,68,工业废水设计流量的计算,工业废水设计流量计算公式,式中：Q4工业废水设计流量，L/s；m生产过程中每单位产品的废水量标准，L/单位产品；M产品的平均日产量；T每日生产时数；KZ总变化系数，与工业企业性质有关。,69,雨水量,QsqF(3.2.1)式中 Qs 雨水设计流量(Ls)；q 设计暴雨强度L(shm2)；径流系数；F 汇水面积(hm2)。注：当有允许排入雨水管道的生产废水排入雨水管道时，应将其水量计算在内。,70,式中 q 设计暴雨强度L(shm2)；t 降雨历时(min)；P设计重现期(年)；A1，C，b，n 参数，根据统计方法进行计算确定。,71,地下水渗入量,地下水渗入量宜根据测定资料确定,72,污水处理设计水质,城镇污水的设计水质应根据调查资料确定，或参照邻近城镇、类似工业区和居住区的水质确定。无调查资料时，可按下列标准采用：生活污水的BOD5可按每人每天2550g计算；悬浮固体量可按每人每天4065g计算；总氮量可按每人每天511g计算；总磷量可按每人每天0.71.4g计算。工业废水的设计水质，可参照类似工业的资料采用.,