土木工程概论12 给排水工程.docx
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土木工程概论12给排水工程
土木工程概论
第十二章给排水工程
简述
给排水工程是城市基础设施的一个组成部分。
城市的人均耗水量和排水处理比例，往往反映出一个城市的发展水平。
为了保障人民生活和工业生产，城市必须具有完善的给水和排水系统。
给水排水工程可以分为城市公用事业和市政工程的给水排水工程；工业企业大中型生产的给水排水及水处理工程；建筑给水排水工程。
各类给水排水工程在服务规模及设计、施工与维护等方面均有不同的特点。
建筑给水排水工程是直接服务于工业与民用建筑物内部及居住小区（含厂区、校区等）范围内生活设施和生产设备的给水排水工程，是建筑设备工程的重要内容之一。
其工程整体由建筑内部给水（含热水供应）、建筑内部排水（含雨水）、建筑消防给水（含气体消防）、居住小区给水排水、建筑水处理以及特种用途给水排水等部分组成。
其功能的实现则凭借：
各种材料和规格的管道，卫生器具与各类设备和构筑物的合理选用；管道系统的合理布置设计；精心的施工与认真的维护管理等。
它是为适应中国城市建设现代化程度与人民生活福利设施水平不断提高而形成的一门内容不断充实更新的工程技术学科。
第一节城市给水
系统组成
一、城市给水系统的组成
城市给水主要是供应城市所需的生活、生产、市政（如绿化、街道洒水）和消防用水。
由于水源的远近，城市给水系统的组成部分略有不同:
1.远离水源的城市给水系统的组成部分：
取水工程
输水工程
水处理工程
配水管网工程
2.靠近水源的城市给水系统的组成部分
取水工程
配水管网工程
水处理工程
城市给水系统示意图—地面水源城市给水系统示意图—地下水源
主要概念：
1.城市给水设计的主要准则
2.给水处理工程设计的主要目的
3.给水管网
4.城市给水设计包含的内容
系统分类
城市给水系统分类方式多种多样，简单的可以按以下三种方式分类:
根据水源性质分类
1.地面水给水系统
2.地下水给水系统
根据给水方式分类
1.重力给水系统
2.压力给水系统
根据服务对象分类
1.城镇给水系统
2.工业给水系统
当水源位于高地且有足够的水压可直接供应用户时，可利用重力输水。
以蓄水库为水源时，常采用重力给水系统。
取用地面水时，给水系统比较复杂，须建设取水构筑物，从江河取水，由一级泵房送往净水厂进行处理。
处理后的水由二级泵房将水加压，通过管网输送到用户。
取用地下水的给水系统比较简单，通常就近取水，且可不经净化，而直接加氯消毒供应用户。
压力给水是常见的一种供水系统。
还有一种混合系统，即整个系统部分靠重力给水，部分靠压力给水。
大城市中的工业生产用水，如水质和水压与生活饮用水相近或相同，可直接由城镇管网供给。
如要求不同，可对用水量大的工厂采取分质和分压给水，以节省城镇水厂的建造和运转管理费用。
小城镇中的生产用水在总水量中所占比重不大，一般只设一个给水系统。
一般情况下，城市内的工业用水可由城市水厂供给，但如工厂远离城市或用量大但水质要求不高，或城市无法供水时，则工厂自建给水系统。
一般工业用水中冷却水占极大比例，为了保护水资源和节约电能，要求将水重复利用，于是出现直流式、循环式和循序式等系统，这便是工业给水系统的特点。
江心桥墩式取水构筑物
一座城市的历史、现状和发展规划、其地形、水源状况和用水要求等因素，使得城市给水系统千差万别，但概括起来有下列几种：
1.统一给水系统
示意图
2.分质给水系统
示意图
3.分压给水系统
示意图
4.分区给水系统
示意图
5.循环和循序给水系统
示意图12
6.区域给水系统
示意图
当城市给水系统的水质，均按生活用水标准统一供应各类建筑作生活、生产、消防用水，则称此类给水系统为统一给水系统。
这类给水系统适用于新建中、小城市、工业区或大型厂矿企业中用水户较集中、地形较平坦，且对水质、水压要求也比较接近的情况。
当一座城市或大型厂矿企业的用水，因生产性质对水质要求不同，特别对用水大户，其对水质的要求低于生活用水标准，则适宜采用分质给水系统。
分质给水系统，既可以是同一水源，经过不同的处理，以不同的水质和压力供应工业和生活用水，也可以是不同的水源，例如地面水经沉淀后供工业生产用水，地下水经加氯消毒供给生活用水等。
这种给水系统显然因分质供水而节省了净水运行费用，缺点是需设置两套净水设施和两套管网，管理工作复杂。
选用这种给水系统应作技术、经济分析和比较。
当城市或大型厂矿企业用水户要求水压差别很大，如果按统一供水，压力没有差别，势必造成高压用户压力不足而增加局部增压设备，这种分散增压不但增加管理工作量，而且能耗也大。
如果采用分压给水系统是很合适的。
分压给水可以采用并联和串联分压给水系统。
为并联分压给水系统。
根据高、低压供水范围和压差值由泵站水泵组合完成。
串联分压仍多为低区给水管网向高区供水并加压到高区管网，而形成分压串联。
分区给水系统是将整个系统分成几个区，各区之间采取适当的联系，而每区有单独的泵站和管网。
采用分区系统技术上的原因是为使管网的水压不超过水管能承受的压力。
因一次加压往往使管网前端的压力过高，经过分区后，各区水管承受的压力下降，并使漏水量减少。
在经济上，分区的原因是降低供水能量费用。
在给水区范围很大、地形高差显著或远距离输水时，均须考虑分区给水系统。
循环系统是指使用过的水经过处理后循环使用，只从水源取得少量循环时损耗的水，这种系统采用较多。
循序系统是在车间之间或工厂之间，根据水质重复利用的原理，水源水先在某车间或工厂使用，用过的水又到其他车间或工厂应用，或经冷却、沉淀等处理后再循序使用，这种系统不能普遍应用，原因是水质较难符合循序使用的要求。
当城市工业区中某些生产企业生产过程所排放的废水水质尚好，适当净化还可循环使用，或循序供其它工厂生产使用，无异这是一种节水给水系统。
这是一种统一从沿河城市的上游取水，经水质净化后，用输、配管道送给沿该河诸多城市使用，是一种区域性供水系统。
这种系统因水源免受城市排水污染，水源水质是稳定的，但开发需要投资大。
斗槽式取水构筑物
倒锥式水塔
圆壳式水塔
各种给水系统的管网有两种，一种是输水管路，另外一种是配水管网。
输水管路的功能是把水源的水量输送到净水厂，当净水厂远离供水区时，从净水厂至配水管网间的干管也可作为输水管考虑。
而配水管网则是把经过净化水量配送给各类建筑使用。
配水管网有干管和支管之分，为了保证供水可靠和便于灵活调度，大中城市或大型厂矿企业配水干管都布置成环形，但在小城市也可布置成树枝状。
第二节建筑给水
建筑内部给水工程
建筑给水是为工业与民用建筑物内部和居住小区范围内生活设施和生产设备提供符合水质标准以及水量、水压和水温要求的生活、生产和消防用水的总称。
包括对它的输送、净化等给水设施。
供给居住小区范围内建筑物内外部生活、生产、消防用水的给水系统，包括建筑内部给水系统与居住小区给水系统两类。
其供水规模较市政给水系统小，且大多数情况下无需设自备水源，直接由市政给水系统引水。
建筑内部的给水工程是将城市给水管网或自备水源给水管网的水引入室内，经配水管送至生活、生产和消防用水设备，并满足各用水点对水量、水压和水质的要求。
给水系统的分类
1.生活给水系统
2.生产给水系统
3.消防给水系统
给水系统的组成
1.引水管
2.水表节点
3.给水管道
4.配水装置和用水设备
5.给水附件
6.增压和贮水设备
建筑内部给水方式
直接给水方式
设水箱的给水方式（a）
设水箱的给水方式（b）
设水泵的给水方式（a）
设水泵的给水方式（b）
设水箱、水泵的给水方式
气压给水方式
分区给水方式
分质给水方式
高层建筑给水系统
高层建筑的供水系统与一般建筑物的供水方式不同。
高层建筑物层多、楼高，为避免低层管道中静水压力过大，造成管道漏水；启闭龙头、阀门出现水锤现象，引起噪声；损坏管道、附件；低层放水流量大，水流喷溅，浪费水量和影响高层供水等弊病，高层建筑必须在垂直方向分成几个区，采用分区供水的系统。
设备工程师在设计高层建筑的供水系统时，首先要确定整幢建筑物的用水量。
在高层建筑内工作和生活的人数很多，用水量很大，设备使用频繁，所以对供水设备和管网都有更高的要求。
由于城市给水网的供水压力不足，往往不能满足高层建筑的供水要求，而需要另行加压。
所以在高层建筑的底层或地下室要设置水泵房，用水泵将水送到建筑上部的水箱。
给水管网的布置与敷设
给水管网的干管呈枝状或环状布置。
如果把枝状管网的末端用水管接通，就转变为环状管网。
小城镇和小型工业企业一般采用枝状管网。
大中型城市、大工业区和供水要求高的工业企业内部，多采用环状管网布置。
设计时必须进行技术和经济济评价，得出最合理的方案。
近代大型给水泵统常有多个水源，有利于保证水量、水压，并且供水既经济又可靠。
随着社会的发展，用水量在不断增加，而优质水源却由于污染而减少，于是出现了分质供水的管网，即用不同的管网供应不同水质的水。
管网布置实质上是整个给水系统规划的一部分，合理与否涉及整个工程的效益。
目前可以建立数学模型，充分运用数学分析方法和计算机技术求得最优方案。
给水管网布置的基本要求：
1.要确保供水安全和良好的水力条件，力求经济合理。
管道尽可能与墙、梁、柱平行，呈直线走向，宜采用枝状布置力求管线简短，以减小工程量，降低造价。
2.管道不受损坏。
给水埋地管应避免布置在可能受重物压坏处，如穿过生产设备基础、伸缩缝、沉降缝等处。
如遇特殊情况必须穿越时，应采取保护措施。
3.不影响生产安全和建筑物的使用。
4.利于安装、维修。
管道周围应留有一定的空间，给水管道与其他管道和建筑结构的最小净距应按规范要求留置。
给水管网枝状布置示意
给水管网环状布置示意
给水管网布置方式的优劣比较：
双向供水
安全性高
节约管材
低造价
枝状布置
环状布置
给水管网的敷设分为明装和暗装两种形式：
1.明装：
即管道外露。
2.暗装：
即管道隐蔽。
其优劣比较如下：
施工简单
维修容易
造价低廉
保持建筑美观
明装
暗装
给水管网敷设中的注意事项：
给水横管穿承重墙或基础、立管穿楼板时均应预留孔洞，暗装管道在墙中敷设时，也应预留墙槽，以免临时打洞、刨槽影响建筑结构的强度。
明装和暗装的金属管道都要采取防腐措施，以延长管道的使用寿命。
设在温度低于零度以下位置的管道和设备，为保证冬季安全使用，均应采取保温措施，以防冻、防露。
同时还要在管道敷设中采取措施防漏、防振。
给水计算及增压贮水设备
建筑内部给水所需的水压、水量是选择给水系统中增压和水量调节、贮存设备的基本依据。
建筑内给水包括生活用水、生产用水和消防用水三部分。
给水系统的水压应保证配水最不利点（通常位于系统的最高、最远处）具有足够的流出水头，其计算公式如下：
H=H1+H2+H3+H4
H――建筑内给水系统所需的水压，kPa
H1――引入管起点至配水最不利点位置高度所要求的静水压，kPa
H2――引入管起点至配水最不利点的给水管路即计算管路的沿程与局部水头损失之和，kPa
H3――水流通过水表时的水头损失，kPa
H4――配水最不利点所需的流出水头，（根据不同给水配件，一般为0.02～0.04kPa或按产品要求选择）kPa
水泵
水泵是给水系统中的主要升压设备。
在建筑内部的给水系统中，一般采用离心式水泵，它具有结构简单、体积小、效率高且流量和扬程在一定范围内可以调整等优点。
水泵的流量、扬程应根据给水系统所需的流量、压力确定。
由流量、扬程查水泵性能表即可确定其型号。
卧式离心泵
单级立式离心泵
贮水池
贮水池是贮存和调节水量的构筑物，其有效容积应根据生活（生产）调节水量、消防贮备水量和生产事故备用水量确定。
贮水池应设进、出水管、溢流管、泄水管和水位信号装置，溢流管宜比进水管大一级。
圆形水池示意图
水箱
根据水箱的用途不同，有高位水箱、减压水箱、冲冼水箱、断流水箱等多种类别。
其形状通常为圆形或矩形，特殊情况下也可设计成任意形状。
制作材料有钢板（普通、搪瓷、镀锌、复合和不锈钢板等）；钢筋混凝土；塑料和玻璃钢等。
水箱的配管、附件示意图
气压给水设备
气压给水设备是根据波义耳－马略特定律即在定温条件下，一定质量气体的绝对压力和它所占的体积成反比的原理制造的。
它利用密闭罐中压缩空气的压力变化，调节和压送水量，在给水系统中主要起增压和水量调节作用。
气压给水设备
第三节城市排水
城市排水系统
排水管渠系统的组成
从总体看，城市排水系统由收集（管渠）、处理（污水厂）和处置三方面的设施组成。
通常所说的排水系统往往狭义地指管渠系统，它由室内设备、街区（庭院和厂区）管渠系统和街道管渠系统组成。
管渠系统满布整个排水区域，但形成系统的构筑物种类不多，主体是管道和渠道，管段之间由附属构筑物（检查井，其它窨井和倒虹管）连接。
有时，还需设置泵站以连接低管段和高管段。
最后是出水口。
排水管道应依据城市规划地势情况以长度最短顺坡布设，可采用截留、扇形、分区、分散形式布置。
雨水管道应就近排入水体或能贮调处。
污水处理厂的组成
城市污水在排放前一般都先进入处理厂处理。
处理厂由处理构筑物（主要是池式构筑物）和附设建筑物组成，常附有必要的道路系统、照明系统、给水系统、排水系统、供电系统、电讯系统和绿化场地。
处理构筑物之间用管道或明渠连接，一般还有一个测流量的设施。
污水处理厂的复杂程度随处理要求和水量而异。
污水处理厂的厂址一般应设于污水能自流入厂内的地势较低处并位于城镇水体下游，与居民区有一定隔离带，主导风向下方，不能被洪水浸淹，地质条件好，地形有坡度。
城市排水系统的规划原则：
1.排水系统既要实现市政建设所要求的功能，又要实现环境保护方面的要求，缺一不可。
环境保护上的要求必须恰当、分期实现，以适应经济条件。
2.城市要为工业生产服务，工厂也要顾及和满足城市整体运作的要求。
厂方对城市需要的资料应充分提供，对城市据以提出的预处理要求应在厂内完成。
3.规划方案要便于分期执行，以利集资和对后期工程提供完善设计的机会。
城市排水系统的规划步骤和要点：
1.确定计算废水量所需的各项基本数据，考虑近远期间的变化。
2.确定各种废水的水质数据。
3.专门研究排水区域内各工厂的废水问题，拟定预处理要求。
4.研究和确定各种废水的处置方式和处理要求，争取利用废水以降低排水工程的各项费用。
5.研究和确定排水区域的划分。
6.确定各排水区干管和处理厂的位置。
干管位置要便于汇集支管来水和方便施工，要考虑地形、地质和地下管线条件。
干管上避免设置造价较高的倒虹管、跌水井和泵站。
对必须设置的倒虹管和泵站，须确定其初步位置。
7.初步确定各污水处理厂的流程和各主要处理构筑物与附属建筑物的尺寸。
8.初步确定废水处置方式和工程要点。
9.调整分区界线，完成方案。
多方案时，在工程费用、工程效益、合理性和现实性上作客观而细致的综合比较。
城市排水体制
生活污水的主要危害是它的耗氧性工业废水的危害多种多样，除耗氧性等危害外，更重要的是会危害人体健康雨水的主要危害是雨洪，即市区积水造成损失。
一个排水区只有一组排水管渠，接纳各种废水（混合起来的废水叫城市污水）。
这是古老的自然形成的排水方式。
它们起简单的排水作用，目的是避免积水为害。
实际上这是地面废水排除系统，主要为雨水而设，顺便排除水量很少的生活污水和工业废水。
由于就近排放水体，系统出口甚多，实际上是若干先后建造的各自独立的小系统的简单组合。
原始的简单合流系统常使水体受到严重的污染，因而设置截流管渠，把各小系统排放口处的污水汇集到污水厂进行处理，形成截流式合流系统。
在区干管与截流管渠相交处的窨井称溢流井，上游来水量大于截流管的排水量时，在井中溢入排放管，流向水体。
这样，晴天时污水（常称旱流污水）全部得到处理。
截流管的排水量大于旱流污水量，差额与旱流污水量之比称截留倍数或截流倍数，其值将影响水体的污染程度。
设计采用的值理论上决定于水体的自净能力，实践上常制约于经济条件。
（示意图）
设置两个（在工厂中可以在两个以上）各自独立的管渠系统，分别收集需要处理的污水和不予处理、直接排放到水体的雨水，形成分流制系统，以进一步减轻水体的污染。
某些工厂和仓库的场地难于避免污染时，其雨水径流和地面冲洗废水不应排入雨水管渠，而应排入污水管渠。
在一般情况下，分流管渠系统的造价高于合流管渠系统，后者约为前者的60～80％。
分流管渠系统的施工也比合流系统复杂。
（示意图）
将分流系统的雨水系统仿照截流式合流系统，把它的小流量截流到污水系统，则城市废水对水体的污染将降到最低程度。
这就是半分流制系统的基本概念。
也可以说它是一种特殊的分流系统――不完全分流系统。
将雨水系统的水截流到污水系统的方法有待开发。
在雨水系统排放口前设跳越井是一种可行的措施。
当雨水干管中流量小时，水流将落入跳越井井底的截流槽，流向污水系统。
流量超过设计量时，水流将跳过截流槽，直接流向水体。
排水体制是排水系统规划设计的关键，也影响着环境保护、投资、维护管理等方面。
其在建筑内外的分类并无绝对相应的关系，应视具体技术经济情况而定。
如建筑内部的分流生活污水系统可直接与市政分流的污水排水系统相连，或经由局部处理设备后与市政合流制排水系统相连。
在选择排水体制时应注意以下几点：
1.除特殊情况外，新建工程宜采用分流制。
雨水管渠系统的设计方法应有所突破，以降低造价，使分流制系统的造价有可能与合流系统竞争。
2.半分流制系统应在建成的分流系统上作积极的研究和试验。
3.原有合流系统扩建时，在尽可能利用已有设施的前题下，应研究将原设施改建为分流系统的可行性。
4.在选定体制前，应深入调查原有排水设施及存在的问题。
建筑内部排水系统分类和组成
建筑排水系统
建筑排水是工业与民用建筑物内部和居住小区范围内生活设施和生产设备排出的生活排水和工业废水以及雨水的总称。
包括对它的收集输送、处理与回用以及排放等排水设施。
建筑排水系统是接纳输送居住小区范围内建筑物内外部排除的污废水及屋面、地面雨雪水的排水系统。
包括建筑内部排水系统与居住小区排水系统两类。
与市政排水系统相比，不仅其规模较小，且大多数情况下无污水处理设施而直接接入市政排水系统。
生活污水排水系统
生活污水排水系统排除居住建筑、公共建筑及工厂生活间的污废水。
有时，由于污废水处理、卫生条件或杂用水水源的需要，把生活排水系统又进一步分为排除冲洗便器的生活污水排水系统和排除盥洗、洗涤废水的生活废水排水系统。
生活废水经过处理后，可作为杂用水，用来冲洗厕所、浇洒绿地和道路、冲洗汽车等。
（示意图）
工业废水排水系统
工业废水排水系统排除工艺生产过程中产生的污废水。
为便于污废水的处理和综合利用，按污染程度可分为生产污水排水系统和生产废水排水系统。
生产污水污染较重，需要经过处理，达到排放标准后排放；生产废水污染较轻，如机械设备冷却水，生产废水可作为杂用水水源，也可经过简单处理后（如降温）回用或排入水体。
雨水径流排水系统
屋面雨水排除系统收集排除降落到多跨工业厂房、大屋面建筑和高层建筑屋面上的雨雪水。
卫生器具或生产设备的受水器是室内排水系统的起点，污、废水从器具排水栓经器具内的水封装置或与器具排水管连接的存水弯流入横支管。
管道系统由横支管、立管、横干管和自横干管与末端立管的连接点至室外检查井之间的排出管组成。
清通设备主要有检查口，清扫口和检查井。
供清通工具疏通管道用。
通气管系统是使室内外排水管道与大气相通，其作用是将排水管道中散发的有害气体排到大气中去，使管道内常有新鲜空气流通，以减轻管内废气对管壁的腐蚀，同时使管道内的压力与大气取得平衡，防止水封破坏。
屋面排水
外排水系统
外排水系统的管道敷设在外，故室内无雨水管产生的漏、冒等隐患，且系统简单、施工方便、造价低，在设置条件具备时应优先采用。
根据屋面的构造不同，该系统又分为檐沟排水系统和天沟排水系统
内排水系统
内排水是指屋面设雨水斗，建筑物内部有雨水管道的雨水排水系统。
对于跨度大、特别长的多跨工业厂房，在屋面设天沟有困难的锯齿形或壳形屋面厂房及屋面有天窗的厂房应考虑采用内排水形式。
对于建筑立面要求高的高层建筑，大屋面建筑及寒冷地区的建筑，在墙外设置雨水排水立管有困难时，也可考虑采用内排水形式。
内排水系统由雨水斗、连接管、悬吊管、立管、排出管、埋地干管和检查井组成。
降落到屋面上的雨水，沿屋面流入雨水斗，经连接管、悬吊管、入排水立管，再经排出管流入雨水检查井，或经埋地干管排至室外雨水管道。
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