水力坡度计算公式(水力坡度计算公式有流速和管径)-捌号楼

[《排水工程》第八讲]

重要索引：

在上一节中，我们主要说明了污水管道和沟渠设计流量的确定。详见《排水工程》第七讲。

本节主要讲解教材第三章污水管渠的水力计算，主要从四个部分：污水在管渠中的流动特性;水力计算的基本公式;污水管道水力计算参数;污水管道的埋深和覆盖厚度。这部分内容还是《排水工程》案例高频考点，一定要掌握。

01污水在管道和沟渠中的流动特性这部分需要掌握以下几点：

排水渠道的系统设计应以重力流为基础，尽可能不设泵站，仅在重力流不能使用或重力流不经济时使用。这里肯定有考友有疑问：“为什么重力流不经济？靠重力输送污水比用泵输送要贵吗？”在考虑这个问题时，不能只看运营成本，还要综合考虑前期建设和后期运营。如果施工特别困难或昂贵，重力流不如压力流合适。

污水管和供水管在形式上正好相反。供水通过主管道输送到支管，直至到达用水点，而污水通过支管汇集到主管道，汇集到污水处理厂进行处理。给水管网有支网和环网两种形式，而污水管网只有支网一种形式。

正常运行时，污水管内部不是全流，即有自由水面，其充满度h/d小于1。这里的污水管是指分流制作的污水管，不包括合流管和分流制作的雨水管，后两者的设计充满度按1计算。

污水恒流力计算的理论基础：污水的含水率大于99%，可以假定其遵循水流的一般规律，直管段的水流可以认为是均匀流，因此可以认为是恒流。需要注意的是，这个结论只能在直管段上得出。所以下面所有计算污水水利的公式都是以直管段为基础的，如果直管段不是，下面的结论就不成立。

02水力计算基本公式这部分教材有五个公式，但我们只需要重点讲两个：

流量公式

该公式是一个通用公式，只要是恒定均匀流，就适用于给水、排水和施工的流量计算。不过这个公式并不难，只需要注意一点，就是流量V的选择，它有最小流量和最大流量。

最小设计流量见第《室外排水设计规范》条4.2.7。排水管的最小设计流量应符合下列要求：

污水管道在设计满度下为0.6m/s;雨水管、合流管全流量0.75米/秒;明渠为0.4m/s，最大设计流速见《室外排水设计规范》第4.2.5和4.2.6条。应注意的是，4.2.6明渠的最大设计流速。当水深在0.4~1.0m范围外时，表4.2.6所列的最大设计流速应乘以下列系数(此处最容易出坑):

h(水深)& lt<0.4m，0.85;1.0 & lth(水深)& lt<2.0m，1.25;h(水深)2.0m，1.40。排灌渠流速公式(注意该公式的应用也是在恒定均匀流量的条件下)

V——流量(米/秒);N——排灌渠糙率系数;R——水力半径(过水截面积与湿周的比值，m);I——水力坡度(是水面的坡度还是管底的坡度，看问题的意思)。这个公式的重要性可以说是贯穿了《排水工程》的整篇文章，要120%的重视。有关该公式中涉及的所有参数的详细说明，请参见第3章。

03污水管道水力计算参数这里不按课本。教材中所列的项目在案例题中很少出现，都是在知识点题中出现。

v(设计流量)，指设计流量和设计充满度对应的平均流量。一般排水管道的设计流量值随着设计流量的增大而增大，设计流量也随之增大或保持不变。如果流量保持不变，流量不应减少。只有当管道坡度突然减小时，才允许降低设计流量。

设计流量与管径有关。随着设计流量逐级增加，设计管径也要相应增加，一般增加一两级。

级（50mm为一级），但是当管道坡度骤然增大时，下游管段的管径可以减小，但管径的减小范围不得超过两级，也就是说管径减小不能超过100mm。这一点非常重要，在案例计算题中，有时会让考生判断最合适的管径和坡度，假如有的选项中管径缩小范围超过100mm了，那就不用计算，直接排除，否则四个选项全部计算，时间绝对会浪费很多。希望考生能够灵活运用这一点。

并且流速有最大设计流速（也叫冲刷流速）和最小设计流速（也叫不淤流速），至于具体数值，本文前部分已经说明，可以回看水力计算基本公式中的流量公式部分内容。

②n（粗糙系数），粗糙系数没难点，会查即可。规范和教材上一共有3处和粗糙系数有关，第一是排水灌渠粗糙系数，查规范表4.2.3;第二是人工渠道的粗糙系数，查教材表5-4;第三是钢筋混凝土满流时粗糙系数一般为0.013，非满流为0.014。

规范表4.2.3

教材P105表5-4

③R（水力半径），水力半径的计算方法为过水断面与湿周的比值，计算过程中的坑点在于湿周的计算，顾名思义，湿周其实就是被水沾湿的长度，没有被水沾湿的不能计算在内，举例一个截面积为正方形的带盖暗渠，假如渠内水位低于渠顶，计算湿周的时候就是正方形截面积的三条边长（不含最顶部），假如渠内水位水头高于渠顶（有压），则计算湿周时就得考虑四条边长，所以在做题时，计算湿周一定要看情况，没接触水的部分就不要计算进去。

如果是圆形管道，计算水力半径时，当充满度为1或者0.5时，R=D/4，当充满度不为1或者0.5时，查教材表格3-10获得。

注意此表可内插，且满流时流速不是最大。

④I（水力坡度），关于水力坡度需要注意的点有3处。

其一是“最小设计坡度”的概念：将相应于最小管径时的管道坡度称为最小设计坡度，而通常管径越大，最小设计坡度越小，所以最小设计坡度就可以理解为当某个系列所有管材采取这个坡度时，其流量都能满足要求的坡度。

其二是排水管道的最小管径与相应最小设计坡度，按表4.2.10取值。

其三是“不计算管段”的概念，说白了不计算管段就是采用最小管径和最小坡度时，按照充满度0.55计算的流量都大过上游设计流量，这时候就不用计算而直接采用最小管段和最小坡度就行，不用计算了当然就是“不计算管段”。

⑤h/D（充满度），合流和雨水管道按照满流设计，也就是充满度为1，而污水管道充满度一定要＜1。为什么污水管道不能满流设计？主要有以下三个方面因素。

为未预见水量的进入留有余地，避免污水溢出进而影响环境卫生;
为排除污水管道内的有害气体;
便于管道的疏通和维护管理。

至于污水管道设计充满度最大值选用多少，《室外排水设计规范》4.2.4给出了依据，原则就是管径越大，设计充满度数值越接近于1。

充满度这个参数的难点在于这个表格后面的三条小注，尤其是第一点容易让人误解。

在计算污水管道充满度时，不包括段时突然增加的污水量，但当管径≤300mm，应按满流复核;
雨水管道和合流管道应按满流计算;
明渠超高不得小于0.2m。

对于第1条，假设某工厂会偶尔排放一股大量污水，在设计该厂污水管道时，设计流量不包括这股突然排水，就只按照正常排水量计算，但是假如该厂排水管道经过计算后管径≤300mm了，这时候正常设计时仍旧不考虑突然增加的水量，但是等选定管径、坡度等参数后要把这股突然增加的水算入总水量，按照充满度=1复核，看看能不能全部通过，毕竟排水系统要优先保证能够快速排除污水，不能快速排除就得增加相应对策。

对于第3条，明渠在设计时，先按照最大设计充满度计算，假如算出来后超高＜0.2m，那就要选取更大渠高，假如算出来后超高≥0.2m，那就按照最大充满度设计即可。

04污水管道的埋设深度和覆土厚度

注意埋设深度和覆土厚度的定义，埋设深度是指埋地管渠内底至地表面的垂直距离;覆土厚度指埋地管渠外顶至地表面的垂直距离。两者相差一个管径加壁厚的距离（注意是一个壁厚而不是两个壁厚）。

《室外排水设计规范》中有关这部分的内容是4.3.7条：“管顶最小覆土深度，应根据管材强度、外部荷载、土壤冰冻深度和土壤性质等条件，结合当地埋管经验确定。管顶最小覆土深度宜为：人行道下0.6m，车行道下0.7m”，关于这一条款曾经出过案例计算题，一定要注意本条规定的是管顶最小覆土深度，而不是埋设深度。

05本节总结

本章节内容均属于重点内容，需要掌握的知识点有以下6个：