给水排水管道工程技术教案.docx
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给水排水管道工程技术教案
《给水排水管道工程技术》教案
第一章给水排水管道系统概论
本章内容：
1、给水排水系统的功能与组成
2、给水管网系统的类型
3、排水体制
本章重点：
1、给水管网系统的类型及其适用条件
2、排水体制及其选择
第一节给水排水系统的组成
一、给水排水系统的功能与组成
给水排水系统是为人们的生活、生产、市政和消防提供用水和废水排除设施的总称。
给水排水系统的功能：
向各种不同类别的用户供应满足不同需求的水量和水质，同时承担用户排除废水的收集、输送和处理，达到消除废水中污染物质对于人体健康和保护环境的目的。
给水系统是保障城市、工矿企业等用水的各项构筑物和输配水管网组成的系统。
根据系统的性质不同有四种分类方法：
按水源种类，分为地表水（江河、湖泊、水库、海洋等）和地下水（潜水、承压水、泉水等）给水系统；按服务范围，可分为区域给水、城镇给水、工业给水和建筑给水等系统；按供水方式可分为自流系统（重力供水）、水泵供水系统（加压供水）和两者相结合的混合供水系统；按使用目的，可分为生活给水、生产给水和消防给水系统。
根据用户使用水的目的，通常将给水分为生活用水、工业生产用水、消防用水和市政用水四大类。
废水收集、处理和排放工程设施，称为排水系统。
根据排水系统所接受的废水的性质和来源不同，废水可分为生活污水、工业废水和雨水三类。
给水排水系统除以上功能外，还应具有以下三项主要功能：
（1）水量保障。
（2）水质保障。
（3）水压保障。
给水排水系统组成：
（1）取水系统。
（2）给水处理系统。
（3）给水管网系统。
（4）排水管道系统。
（5）废水处理系统。
（6）废水排放系统。
（7）重复利用系统。
二、给水排水系统工作原理
1.给水排水系统的流量关系
给水排水系统流量关系如图1-3所示，其中q1为给水处理系统自用水，q2为给水管网系统漏失水量；q3为给水管网系统水量调节，其流向根据水塔（或高位水池）进水或出水而变；q4为用户使用后未排入排水系统的水量；q5为进入排水管网系统的降水或渗入的地下水；q6为排水管道水量调节，其流向根据调节池进水或出水而变化；q7为污水处理系统自耗水；q8为污水回用用水量。
清水池是用来调节给水处理水量与管网中的用水量之差。
调节池和均和池是用来调节排水管道和污水处理厂之间的流量差，排水调节池（均和池）还具有均和水质的作用，以降低因污染物随时间变化造成的处理困难。
2.给水排水系统的水质关系
3.给水排水系统的水压关系
（1）全重力供水
（2）一级加压供水
（3）二级加压供水
（4）多级加压供水
第二节给水排水管道系统的组成
1、给水管道系统和排水管道系统均应具有以下功能：
l1.水量输送
l2.水量调节
l3.水压调节
2、给水排水管道系统的功能与特点
具有一般网络的特点：
如：
分散性、扩展性等，同时又具有自身的特点，如隐蔽性。
3、给水管道系统的组成
给水管网系统一般是由输水管（渠）、配水管网、水压调节设施（泵站、减压阀）及水量调节设施（清水池、水塔、高位水池）等构成。
4、排水管道系统的组成
排水管道系统一般由废水收集设施、排水管道、水量调节池、提升泵站、废水输水管（渠）和排放口等组成。
第三节给水排不管道系统的形式
一、给水管网系统的类型
给水管网系统主要有统一给水管网系统、多水源给水管网系统和不同输水方式的给水管网系统三种类型。
1.统一给水管网系统：
根据向管网供水的水源数目，统一给水管网系统可分为单水源给水管网系统和多水源给水管网系统两种形式。
（1）单水源给水管网系统：
即只有一个水源地，处理过的清水经过泵站加压后进入输水管和管网，所有用户的用水来源于一个水厂清水池（清水库），较小的给水管网系统，如企事业单位或小城镇给水管网系统，多为单水源给水管网系统，系统简单，管理方便。
如图1-5所示。
（2）多水源给水管网系统：
有多个水厂的清水池（清水库）作为水源的给水管网系统，清水从不同的地点经输水管进入管网，用户的用水可以来源于不同的水厂。
较大的给水管网系统，如中大城市甚至跨城镇的给水管网系统，一般是多水源给水管网系统，如图1-6所示。
多水源给水管网系统的特点是：
调度灵活、供水安全可靠（水源之间可以互补），就近给水，动力消耗较小；管网内水压较均匀，便于分期发展，但随着水源的增多，管理的复杂程度也相应提高。
2.分系统给水管网系统：
分系统给水管网系统和统一给水管网系统一样，也可采用单水源或多水源供水。
根据具体情况，分系统给水管网系统又可分为：
分区给水管网系统、分压给水管网系统和分质给水管网系统。
（1）分区给水管网系统
管网分区的方法有两种：
一种是城镇地形较平坦，功能分区较明显或自然分隔而分区，如图1-7所示，城镇被河流分隔，两岸工业和居民用水分别供给，自成给水系统，随着城镇发展，再考虑将管网相互沟通，成为多水源给水系统。
另一种是因地形高差较大或输水距离较长而分区，又有串联分区和并联分区两类：
采用串联分区，设泵站加压（或减压措施）从某一区取水，向另一区供水；采用并联分区，不同压力要求的区域有不同泵站（或泵站中不同水泵）供水。
大型管网系统可能既有串联分区又有并联分区，以便更加节约能量。
图1-8所示为并联分区给水管网系统，图1-9所示为串联分区给水管网系统。
（2）分压给水管网系统：
由于用户对水压的要求不同而分成两个或两个以上的系统给水，如图1-10所示。
符合用户水质要求的水，由同一泵站内的不同扬程的水泵分别通过高压、低压输水管网送往不同用户。
（3）分质给水管网系统：
因用户对水质的要求不同而分成两个或两个以上系统，分别供给各类用户，称为分质给水管网系统。
3.不同输水方式的管网系统
根据水源和供水区域地势的实际情况，可采用不同的输水方式向用户供水。
（1）重力输水管网系统
（2）水泵加压输水管网系统
二、排水管道系统的体制
城镇和工业企业排出的废水通常分为生活污水、工业废水和雨水三类，它们可以采用同一个排水管道系统来排除，也可以采用两个或两个以上各自独立的排水管道系统来排除。
这种不同的排除方式所形成的排水系统，称为排水体制。
排水系统的体制主要有合流制和分流制两种基本方式。
1．合流制排水系统
将生活污水、工业废水和雨水混合在同一管道（渠）系统内排放的排水系统称为合流制排水系统。
根据污水汇集后的处置方式不同，又可把合流制分为下列三种情况：
（1）直排式合流制排水系统
（2）截流式合流制排水系统
（3）完全合流制排水系统：
2．分流制排水系统
将生活污水、生产废水和雨水分别在两种或两种以上管道（渠）系统内排放的排水系统称为分流制排水系统。
根据雨水的排除方式不同，分流制又分为下列两种情况：
（1）完全分流制排水系统：
在同一排水区域内，既有污水管道系统，又有雨水管道系统
（2）不完全分流制排水系统：
这种体制只有污水排水系统，没有完整的雨水排水系统。
还有一种情况称为半分流制排水系统
在一个城镇中，有时既有分流制，又有合流制，这种体制可称为混合制。
合理地选择排水体制，是城镇和小区排水系统设计的重要问题，它不仅从根本上影响排水系统的设计、施工和维修管理，而且对城镇和小区的规划和环境保护影响深远，同时也影响排水系统的工程总投资和初期投资。
通常，排水体制的选择，必须符合城镇建设规划，在满足环境保护要求的前提下，根据当地的具体条件，通过技术经济比较决定。
从城镇规划方面看。
从环境保护方面看。
从投资方面看。
从排水系统的管理上看。
总的看来，排水系统体制的选择，应根据城镇和工业企业规划、当地降雨情况、排放标准、原有排水设施、污水处理和利用情况、地形和水体条件等，在满足环境保护要求的前提下，全面规划，接近期设计，考虑远期发展，通过技术经济比较，综合考虑而定。
一般情况下，新建的城镇和小区宜采用分流制和不完全分流制；老城镇的城区由于历史原因，一般已采用合流制，要改造成完全分流制难度较大，故在同一城镇内可采用不同的排水体制，旧城区可采用截流式合流制，易改建地区和新建的小区宜采用分流制或不完全分流制；在干旱少雨地区，或街道较窄地下设施较多而修建污水和雨水两条管线有困难的地区，也可考虑采用完全合流制。
第四节给水排水管道工程规划与布置
一、给水排水管道工程规划原则与建设程序
给水排水管道系统规划是城市总体规划工作的重要组成部分，是对水源，供水系统、排水系统的综合优化功能和工程布局进行的专项规划，是城市专业功能规划的重要内容。
（一）、给水排水工程规划原则
1．贯彻执行国家和地方的相关政策和法规
在进行给水排水工程规划时，必须认真贯彻执行国家及地方政府颁布的《城市规划法》、《环境保护法》、《水污染防治法》、《海洋环境保护法》、《水法》、《城市供水条例》等法律和法规及《城市给水工程规划规范》、《饮用水水源水质标准》、《环境保护法》、《生活饮用水卫生标准》、《防洪标准》等国家标准与设计规范，它是城市规划和工程建设的指导方针。
2．给水排水工程规划要服从城镇总体规划
城镇及工业区总体规划中的设计规模、设计年限、功能分区布局、城镇人口的发展、居住区的建筑层数和标准以及相应的水量、水质、水压资料等，是给水排水工程规划的主要依据。
3．近远期规划与建设相结合
给水排水工程一般可按远期规划，而按近期规划进行设计和分期建设。
4．要合理利用水资源和保护环境
6．规划方案尽可能经济和高效
（二）、给水排水工程规划与建设程序
1．给水排水工程规划的主要依据和内容
给水排水工程规划应以批准的当地城镇（地区）总体规划为主要依据。
给水排水工程规划包括给水水源规划、给水处理厂规划、给水管网规划、排水管道规划、污水处理厂规划和废水排放与利用规划等内容。
规划工作的主要任务是：
（1）确定给水排水系统的服务范围和建设规模；
（2）确定水资源综合利用与保护措施；
（3）确定系统的组成与体系结构；
（4）确定给水排水主要构筑物的位置；
（5）确定给水处理及污水处理的工艺流程与水质保证措施；
（6）进行给水排水管网规划和干管布置与定线；
（7）确定污水的处置方案及其环境影响评价；
（8）进行给水排水工程规划的技术经济比较，包括经济、环境和社会效益分析。
给水排水工程规划应以规划文本和说明书的形式进行表达。
一般近期按5~10年进行规划，远期按10~20年进行规划。
2．规划设计基础资料的调查
基础资料调查：
（1）城镇总体规划资料的收集：
工业布局、人口规划、公共设施、地下构筑物、交通网络、竖向规划、各专项工程规划等资料的收集。
（2）踏勘：
按现状图对建设现场进行实际勘探，了解现状与城市规划的概貌，如流域的高程、坡度、坡向、建筑、道路、水资源及水环境概貌等内容，以便对工程作大体上的估计，并酝酿规划设计方案。
（3）测量：
测定规划设计流域面积、分水线、等高线、道路交叉点高程、高地和低地的高程、控制点高程。
（4）给水和排水资料的收集：
用水量标准、卫生设备情况、工业给水量和工业污水量以及水质情况、现有给水排水系统的情况等资料的收集。
（5）气象资料的收集：
风向、风速、气温（平均气温、极端最高气温和极端最低气温）、空气湿度、降雨量或当地的雨量公式等资料的收集。
（6）水文、地质资料的调查：
水体分布、河流流量、流向、水位、潮汐、地下水位、水源的水质、水体环境现状及综合利用规划，以及土质、冰冻深度、土壤承载力和地震等级等资料的调查。
3．给水排水工程建设程序
给水排水工程建设程序分可为以下几个步骤：
（1）提出项目建议书
（2）进行可行性研究
（3）编制设计文件
（4）组织施工
（5）竣工验收、交付使用
给水排水管道工程的规划设计可分为三个阶段（初步设计、技术设计、施工图设计）或两个阶段（初步设计或扩大初步设计和施工图设计）进行。
二、给水管网系统规划布置
（一）、给水管网布置原则
给水管网的规划布置应符合下列基本原则：
1．按照城市总体规划，结合当地实际情况布置给水管网，并进行多方案技术经济比较；
2．管线应均匀地分布在整个给水区域内，保证用户有足够的水量和水压，并保持输送的水质不受污染；
3．力求以最短距离敷设管线，并尽量减少穿越障碍物等
4．必须保证供水安全可靠
5．尽量减少拆迁，少占农田或不占农田；
6．管渠的施工、运行和维护方便；
7．规划布置时应远近期相结合，考虑分期建设的可能性，并留有充分的发展余地。
给水管网的规划布置主要受给水区域下列因素影响：
地形起伏情况；天然或人为障碍物及其位置；街道情况及其用户的分布情况，尤其是大用户的位置；水源、水塔、水池的位置等。
（二）、给水管网布置的基本形式
树状管网
环状管网
（三）、给水管网定线
给水管网定线是指在地形平面图上确定管线的位置和走向。
1．城镇给水管网
定线时干管的延伸方向应于水流方向基本一致。
干管位置应从用水量较大的街区通过。
干管的间距，一般为500～800m左右，连接管之间的间距一般在800～1000m左右。
干管一般按城镇规划道路定线，尽量避免在高级路面或重要道路下通过，给水管线与构筑物、铁路以及其它管道的水平净距，均应参照有关规定。
为了保证给水管网的正常运行以及消防和管网的维修管理工作，管网上必须安装各种必要的附件，如阀门、消防栓、排气阀和泄水阀等。
阀门是控制水流、调节流量和水压的重要设备，阀门的布置应能满足故障管段的切断需要，其位置可结合连接管或重要支管的节点位置；消防栓易设在使用方便、明显易见之处，如路口、道边等位置。
在干管的高处应装设排气阀，在管线低处和两阀门之间的低处，应装设泄水管。
2．工业企业管网
（四）、输水管渠定线
可设置连接管和阀门
三、排水管道系统规划布置
（一）、排水管道系统布置原则
1．按照城市总体规划，结合当地实际情况布置排水管道，并对多方案进行技术经济比较；
2．首先确定排水区界、排水流域和排水体制，然后布置排水管道，应按从主干管、干管、支管的顺序进行布置；
3．充分利用地形，尽量采用重力流排除污水和雨水，并力求使管线最短和埋深最小；
4．协调好与其它地下管线和道路等工程的关系，考虑好与企业内部管网的衔接；
5．规划时要考虑到使管渠的施工、运行和维护方便；
6．规划布置时应远近期相结合，考虑分期建设的可能性，并留有充分的发展余地。
（二）、排水管道系统布置形式
1．城镇排水管道系统的布置形式
图1-28
2．区域排水系统
图1-29
（三）、污水管道系统布置
污水管道系统布置的主要内容有：
1．确定排水区界、划分排水流域
2．污水厂和出水口位置的选定
应遵循以下原则选定污水厂和出水口的位置。
（1）出水口应位于城市河流的下游。
（2）出水口不应设回水区，以防回水区的污染。
（3）污水厂要位于河流的下游，并与出水口尽量靠近，以减少排放渠道的长度。
（4）污水厂应设在城镇夏季主导风向的下风向，并与城镇、工矿企业以及郊区居民点保持300m以上的卫生防护距离。
（5）污水厂应设在地质条件较好，不受雨洪水威胁的地方，并有扩建的余地。
3．污水管道的布置与定线
污水管道平面布置，一般按主干管、干管、支管的顺序进行。
。
4．确定污水管道系统的控制点和泵站的设置地点
控制点是指在污水排水区域内，对管道系统的埋深起控制作用的点。
5．确定污水管道在街道下的具体位置
污水管道与建筑物应有一定间距，与生活给水管道交叉时，应敷设在生活给水管的下面。
管线综合规划时，所有地下管线都应尽量设置在人行道、非机动车辆和绿化带下，只有在不得已时，才考虑将埋深大，维修次数较小的污水、雨水管道布置在机动车道下。
若各种管线布置时发生冲突，处理的原则是：
未建让已建的，临时性管让永久性管，小管让大管，有压管让无压管，可弯管让不可弯管。
（四）、雨水管渠系统布置
雨水管渠规划布置的主要内容有：
确定排水流域与排水方式，进行雨水管渠的定线；确定雨水泵房、雨水调节池、雨水排放口的位置。
雨水管渠系统的布置
1．充分利用地形，就近排入水体。
2．根据街区及道路规划布置雨水管道。
道路边沟最好低于相邻街区地面标高，尽量利用道路两侧边沟排除地面径流。
雨水管渠应平行与道路敷设，宜布置在人行道或草地下，不宜设在交通量大的干道下。
当路宽大于40m时，应考虑在道路两侧分别设置雨水管道。
雨水干管的平面和竖向布置应考虑与其它地下管线和构筑物在相交处相互协调，以满足其最小净距的要求。
3．合理布置雨水口，保证路面雨水顺畅排除。
雨水口的布置应根据地形和汇水面积确定，以使雨水不至漫过路口。
一般在道路交叉口的汇水点、低洼地段均应设置于水口。
此外，在道路上每隔25~50m也应设置雨水口。
道路交叉口雨水口的布置见图2-9所示。
4．采用明渠和暗渠相结合的形式。
5．出水口的设置。
6．调蓄水体的布置。
7．排洪沟的设置。
布置作业：
4、5、6、9、10、14、18、19、20题
第二章给水排水管道系统水力学基础
本章内容：
水头损失计算
本章难点：
无压圆管的水力计算公式
第一节基本概念
一、管道内水流特征
进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Rek，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑
紊流流态又分为三个阻力特征区：
紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流
水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流
给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多
三、恒定流与非恒定流
给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流（又称稳定流）计算。
四、均匀流与非均匀流
液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
五、水流的水头和水头损失
水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号或表示，常用单位为米水柱（mH2O），简写为米（m）。
水头分为位置水头、压力水头和流速水头三种形式。
位置水头是指因为流体的位置高程所得的机械能，又称位能，用流体所处的高程来度量，用符号表示；压力水头是指流体因为具有压力而具有的机械能，又称压能，根据压力进行计算，即（式中的为计算断面上的压力，为流体的比重）；流速水头是指因为流体的流动速度而具有的机械能，又称动能，根据动能进行计算，即（式中为计算断面的平均流速，g为重力加速度）。
位置水头和压力水头属于势能，它们二者的和称为测压管水头，流速水头属于动能。
流体在流动过程中，三种形式的水头（机械能）总是处于不断转换之中。
给水排水管道中的测压管水头较之流速水头一般大得多，在水力计算中，流速水头往往可以忽略不计。
实际流体存在粘滞性，因此在流动中，流体受固定界面的影响（包括摩擦与限制作用），导致断面的流速不均匀，相邻流层间产生切应力，即流动阻力。
流体克服阻力所消耗的机械能，称为水头损失。
当流体受固定边界限制做均匀流动（如断面大小，流动方向沿流程不变的流动）时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称沿程阻力。
由沿程阻力所引起的水头损失称为沿程水头损失。
当流体的固定边界发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力称为局部阻力。
由局部阻力所引起的水头损失称为局部水头损失。
在给水排水管道中，由于管道长度较大，沿程水头损失一般远远大于局部水头损失，所以在进行管道水力计算时，一般忽略局部水头损失，或将局部阻力转换成等效长度的管道沿程水头损失进行计算。
第二节管渠水头损失计算
一、沿程水头损失计算
管渠的沿程水头损失常用谢才公式计算（2-1）
对于圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式计算（2-2
沿程阻力系数或谢才系数与水流流态有关，一般只能采用经验公式或半经验公式计算。
主要介绍
（1）巴甫洛夫斯基公式、
（2）曼宁公式、（3）舍维列夫公式、（4）海曾－威廉公式、柯尔勃洛克－怀特公式和等公式，其中，国内常用的是舍维列夫公式和巴甫洛夫斯基公式。
二、局部水头损失计算
局部水头损失计算基本公式：
流量公式（2-13）
流速公式（2-14）
均匀流谢才公式：
流速公式（2-15）
流量公式（2-16）
圆管非满流公式：
过水断面面积A（2-17）
水力半径R（2-18）
流速公式（2-19）
流量公式（2-20）
第三章设计用水量
本章内容：
1、设计用水量组成
2、用水量变化
3、用水量计算
本章难点：
用水量计算
城市用水量计算是给水系统规划和设计的主要内容之一，是决定给水系统中水资源的利用量、取水、水处理、泵站和管网等设施的工程建设规模和投资额的基本依据。
设计用水量通常由下列各项组成：
（1）综合生活用水，包括居民生活用水和公共建筑及设施用水。
前者指城市中居民的饮用、烹调、洗涤、冲厕、洗澡等日常生活用水，后者则包括娱乐场所、宾馆、浴室、商业、学校和机关办公楼等用水；
（2）工业企业生产用水和职工生活用水；
（3）消防用水；
（4）浇洒道路和绿地用水等市政用水；
（5）管网漏失水量及未预计水量。
在确定设计用水量时，应根据各种供水对象的使用要求及发展规划和现行用水定额，计算出相应的用水量，最后加以综合作为设计的依据。
第一节用水量定额
用水量定额是指不同的用水对象在设计年限内达到的用水水平。
一、生活用水定额
生活用水定额指每人、每天的用水量，以L/（Cap•d）计。
影响生活用水定额的因素很多，如当地的水资源和气候条件、人民的生活水平、生活习惯、收费标准及办法、管理水平、水质和水压等因素有关。
1.居民生活用水定额和综合生活用水定额
设计时应根据当地国民经济、城市发展规划和水资源充沛程度，在现有用水定额基础上，结合给水专业规划和给水工程发展条件综合分析确定。
如缺乏实际用水资料，则居民生活用水定额和综合生活用水定额可参照现行《室外给水设计规范》的规定。
2.公共建筑用水定额
可参照现行《建筑给水排水设计规范》的规定。
3.工业企业职工生活及淋浴用水定额
工业企业职工生活及淋浴用水定额是指工业企业职工在从事生产活动时所消费的生活及淋浴用水量，以L/（Cap•班）计，设计时可按《工业企业设计卫生标准》的规定。
工作人员生活用水量应根据车间性质决定，一般车间采用每人每班25L，高温车间采用每人每班35L。
职工淋浴用水定额与车间特征有关，淋浴时间在下班后一小时内进行，
二、工业企业生产用水定额
工业生产
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