Основы гидравлики, водоснабжения и водоотведения

 
ʤ͘ʦ͘ʺ̨̨̨̬͕̏̚ʦ͘ʤ͘ʺ̨̨̨̬͕̏̚
˃͘ʦ͘ʿ̨̨̛̣̦̏̌̏̌












ʽˁʻʽʦˏʧʰʪˀʤʦʸʰʶʰ͕ 
ʦʽʪʽˁʻʤʥʮʫʻʰ˔ʰʦʽʪʽʽ˃ʦʫʪʫʻʰ˔ 



˄̸̨̨̨̛̖̦̖̪̭̖̍̍

 

 
˄̨̯̖̬̙̖̦̏̔ ̸̨̱̖̦̍-̸̨̡̛̛̥̖̯̖̭̥̔ ̨̨̭̖̯̥̏  
˓̨̐-ʯ̨̨̪̦̌̌̔̐ ̨̨̨̭̱̬̭̯̖̦̦̐̔̌̏̐ ̛̛̱̦̖̬̭̯̖̯̏̌ 














ʺ̨̡̭̏̌ʦ̨̨̣̐̔̌
ͨʰ̴̦̬̌-ʰ̛̦̙̖̦̖̬́ͩ
2022 
 

УДК 532:628.1 
ББК 30.123+38.761 
 
М80 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
доктор технических наук, профессор Курской сельскохозяйственной академии  
В. И. Серебровский; 
доктор сельскохозяйственных наук, профессор Курского государственного университета  
М. В. Кумани 
 
 
 
 
 
Морозов, А. В. 
М80  
Основы гидравлики, водоснабжения и водотведения : учебное пособие / 
А. В. Морозов, В. А. Морозов, Т. В. Поливанова. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 192 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1052-6 
 
Даны основные положения гидравлики, систем водоснабжения и водоотведения. Особое внимание уделено расчету совместной работы насосных станций и сетей. Приведены основы расчета водопроводной сети, элементы систем внутренней 
канализации. 
Для студентов и аспирантов строительных специальностей. Может быть полезно 
инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами расчета и эксплуатацией гидравлических систем в строительстве. 
 
УДК 532:628.1 
ББК 30.123+38.761 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1052-6 
© Морозов А. В., Морозов В. А., Поливанова Т. В., 2022 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2

 
 
ʽʧʸʤʦʸʫʻʰʫ 
 
Предисловие 
................................................................................................................................... 
5 
 
Список принятых обозначений .................................................................................................... 
6 
 
Введение ......................................................................................................................................... 
7 
 
1. Основные физические свойства жидкостей ....................................................................... 
8 
 
2. Гидростатика 
.......................................................................................................................... 
15 
2.1. Гидростатическое давление 
................................................................................................. 
15 
2.2. Свойства гидростатического давления 
............................................................................... 
16 
2.3. Дифференциальные уравнения покоящейся жидкости. Уравнения Эйлера .................. 
18 
2.4. Основное уравнение гидростатики 
..................................................................................... 
20 
2.5. Закон Паскаля. Гидростатические машины ....................................................................... 
22 
2.6. Эпюры гидростатического давления .................................................................................. 
25 
2.7. Относительное равновесие жидкостей 
............................................................................... 
27 
2.8. Сила давления жидкости на плоские поверхности ........................................................... 
30 
2.9. Центр давления ..................................................................................................................... 
32 
2.10. Сила давления жидкости на криволинейные поверхности ............................................ 
35 
2.11. Частные случаи определения полной силы давления 
..................................................... 
36 
2.12. Расчёт трубопроводов, подверженных внутреннему гидростатическому  
давлению 
.............................................................................................................................. 
37 
2.13. Закон Архимеда. Плавание тел ......................................................................................... 
38 
 
3. Гидродинамика ...................................................................................................................... 
40 
3.1. Задачи и методы гидродинамики ........................................................................................ 
40 
3.2. Гидравлические элементы потока....................................................................................... 
43 
3.3. Средняя скорость потока и уравнение неразрывности 
..................................................... 
45 
3.4. Основные уравнения динамики жидкости (уравнения Л. Эйлера) ................................. 
46 
3.5. Уравнение неразрывности идеальной жидкости 
............................................................... 
46 
3.6. Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости ..................... 
48 
3.7. Уравнение Д. Бернулли для потока реальной жидкости. Уклоны .................................. 
51 
3.8. Режимы течения вязкой жидкости 
...................................................................................... 
53 
3.9. Расчет пограничного слоя вязкопластичной жидкости .................................................... 
55 
 
4. Гидравлические потери 
........................................................................................................ 
59 
4.1. Потери при ламинарном течении жидкости ...................................................................... 
59 
4.2. Потери напора при турбулентном течении жидкости ...................................................... 
61 
4.3. Местные гидравлические сопротивления .......................................................................... 
64 
 
5. Гидравлический расчет напорных трубопроводов ........................................................ 
66 
5.1. Основные расчётные зависимости 
...................................................................................... 
66 
5.2. Расчёт простого трубопровода ............................................................................................ 
67 
5.3. Расчёт сифонного трубопровода 
......................................................................................... 
69 
5.4. Расчёт сложных трубопроводов с использованием расходной характеристики 
............ 
70 
5.5. Гидравлический удар ........................................................................................................... 
73 
3

6. Истечение жидкости через отверстия и насадки 
............................................................. 
76 
6.1. Истечение жидкости в газовую среду при постоянном напоре 
....................................... 
77 
6.2. Истечение жидкости под уровень 
....................................................................................... 
79 
6.3. Истечение жидкости при переменном напоре 
................................................................... 
80 
6.4. Истечение через насадки ..................................................................................................... 
82 
 
7. Взаимодействие струи и преграды 
..................................................................................... 
86 
 
8. Водоснабжение ....................................................................................................................... 
88 
8.1. Основные схемы и состав сооружений водоснабжения ................................................... 
88 
8.2. Источники водоснабжения и водоприемные сооружения ............................................... 
90 
8.3. Нормы водопотребления и определение расчетных расходов воды 
............................... 
93 
8.4. Основы расчета водопроводной сети ................................................................................. 
96 
8.5. Арматура водопроводной сети 
.......................................................................................... 
105 
8.6. Эксплуатация систем водоснабжения .............................................................................. 
108 
8.7. Насосы, применяемые в системах водоснабжения ......................................................... 
109 
8.8. Станции очистки водопровода для хозяйственно-питьевых нужд 
................................ 
124 
 
9. Водоотведение ...................................................................................................................... 
132 
9.1. Системы водоотведения 
..................................................................................................... 
132 
9.2. Особенности проектирования систем водоотведения .................................................... 
134 
9.3. Водоотводящая сеть ........................................................................................................... 
137 
9.4. Расчет и проектирование сетей для отвода атмосферных вод 
....................................... 
139 
9.5. Сооружения на водоотводящих сетях и системах........................................................... 
141 
9.6. Очистка сточных вод 
.......................................................................................................... 
147 
9.7. Обработка осадков сточных вод ....................................................................................... 
152 
 
10. Внутреннее холодное водоснабжение ............................................................................ 
154 
10.1. Системы и схемы внутреннего водоснабжения ............................................................ 
154 
10.2. Элементы и схемы систем внутреннего водоснабжения 
................................................ 
154 
10.3. Расчет системы внутреннего хозяйственно-питьевого водоснабжения ..................... 
157 
10.4. Устройство внутреннего хозяйственно-питьевого водопровода 
................................. 
167 
10.5. Системы и схемы горячего водоснабжения 
................................................................... 
169 
10.6. Сети горячего водоснабжения 
......................................................................................... 
172 
10.7. Устройство внутреннего горячего водопровода ........................................................... 
174 
 
11. Внутренняя канализация 
................................................................................................. 
176 
11.1. Системы внутренней канализации 
.................................................................................. 
176 
11.2. Элементы систем внутренней канализации 
................................................................... 
176 
11.3. Канализационная сеть ...................................................................................................... 
179 
11.4. Устройство системы канализации .................................................................................. 
180 
 
12. Водостоки зданий 
............................................................................................................... 
185 
12.1. Конструирование внутренних водостоков. 
.................................................................... 
185 
 
Библиографический список ...................................................................................................... 
188 
 
 
4

 
 
ʿˀʫʪʰˁʸʽʦʰʫ 
 
Цель данного учебного пособия – дать студентам, магистрантам, аспирантам кроме основных сведений по разделу «Гидравлика», практическое применение в инженерных расчетах систем водоснабжения и водоотведения. 
Даны основные материалы по системам и сооружениям водоснабжения и водоотведения. Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами расчёта и эксплуатацией гидравлических систем в строительстве. Особое внимание уделено расчету совместной работы 
насосных станций и сетей, расчёту сетей.  
Методической особенностью данного издания является то, что материал, изложенный в нём, может быть использован в практической инженерной 
практике и научных исследованиях. Учебное пособие адресовано студентам, 
магистрантам, аспирантам и инженерно-техническим работникам строительных специальностей. 
Отзывы направлять по электронному адресу: vamorozov46@list.ru. 
 
 
 
5

 
 
ˁʿʰˁʽʶʿˀʰʻ˔˃ˏˈʽʥʽʯʻʤˋʫʻʰʱ 
 
Наименование величин 
Буквенные  
обозначения 
Размерность  
единиц измерения 
(СИ) 
Длина, ширина, глубина 
l, b, h 
м 
Толщина стенок трубы 
Толщина ламинарного слоя 
Величина зазора 
į 
м 
Диаметр 
d, D 
м 
Площадь 
S 
м2 
Объём 
V 
м3 
Скорость линейная, окружная 
V, u 
м/с 
Линейное ускорение 
Į 
м/с2 
Число оборотов, угловая скорость 
n, ɘ 
об ,1/с
мин
 
Ускорение свободного падения 
g 
м/с2 
Сила, сила тяжести 
F, G 
Н 
Работа, энергия 
А, Э 
Н Â м (Дж) 
Мощность 
N 
м
Н
(Вт)
с
˜
 
Давление, напряжение в материале 
p, ɐ 
2
Н (Па)
м
 
Плотность среды 
ɏ 
кг/м3 
Удельный вес 
ɀ 
Н/м3 
ȕt 
ȕp 
E 
1/град 
м2/Н 
Н/м2 
Коэффициент объёмного расширения 
Коэффициент объёмного сжатия 
Модуль упругости материала 
Н Â с/м2 
 
м2/с 
 
– 
– 
ȝ 
 
Ȟ 
 
Ȝ 
İ 
Коэффициент динамической  
(абсолютной) вязкости 
Коэффициент кинематической  
(относительной) вязкости 
Коэффициент гидравлического трения 
Коэффициент местного сопротивления 
C 
RE 
NE 
Fr 
Se 
м1/2/с 
– 
– 
– 
– 
Коэффициент Шези 
Число Рейнольдса 
Число Фруда 
Число Эйлера 
Число Сен-Венана 
 
 
6

Всякий раз, когда имеешь дело с водой,  
прежде обратись к опыту, а потом уже рассуждай. 
Леонардо да Винчи 
 
 
ʦʦʫʪʫʻʰʫ 
 
Гидравлика – раздел механики, в котором изучают равновесие и движение 
жидкостей, силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми её телами 
или поверхностями, её ограничивающими. 
Гидравлика – это прикладная наука, практическое значение её весьма 
велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчётов во 
многих областях техники. 
Человечество с древних времён использовало силу воды и ветра для приведения в движение простейших механизмов. Строились оросительные системы, 
гидротехнические сооружения, водоподъёмные машины. Сохранились фрагменты черпаковой водоподъёмной машины, построенной в Индии за 4000 лет до 
нашей эры. В Риме за 6 столетий до н. э. был построен водопровод, что свидетельствует о высокой технологической культуре того времени. 
Хронологически первым трудом в области гидравлики следует считать 
трактат Архимеда «О плавании тел». Им же была изобретена машина для 
подъёма воды, названная «архимедовым винтом». 
В эпоху Возрождения, в XV–XVII веках, в трудах Леонардо да Винчи, 
Стевина, Галилея, Паскаля, Ньютона были сформулированы отдельные законы равновесия и движения жидкостей. 
Действительными членами Петербуржской Академии наук Л. Эйлером 
и Д. Бернулли были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. С развитием гидравлики развивалось водоснабжение и 
водоотведение, начало которых берется с древнейших времен. Знания, которые передавались из поколения в поколение, и накопленные за много веков 
позволяли принимать важные решения в этой отрасли. 
В XIX и XX веках в связи с бурным развитием науки и техники развивались прикладные инженерные науки, созданные трудами зарубежных и отечественных ученых и инженеров. 
Большой вклад в развитие водоснабжения и водоотведения внесли российские учёные и инженеры. Это Жуковский Н. Е., Карелин Я. А., Най- 
денко В. В., Павловский Н. Н., Шевелев Ф. А., Шифрин С. М., Шухов В. Г., 
Яковлев С. В.  
 
 
7

 
 
ϭ͘ʽˁʻʽʦʻˏʫˇʰʯʰˋʫˁʶʰʫˁʦʽʱˁ˃ʦʤʮʰʪʶʽˁ˃ʫʱ 
 
Жидкость – упругая, непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т. е. способностью изменять свою форму под действием сил, сколь угодно 
малых по своей величине. В отличие от твёрдых тел, жидкость характеризуется большой подвижностью своих частиц и способна принимать любую 
форму, а в отличие от газа – мало изменять свою плотность при изменении 
давления. 
В связи с этим все физические тела можно разделить на две группы: твёрдые и жидкие (включая и газы). При этом различают жидкости капельные, именуемые «несжимаемые» и газообразные – «сжимаемые». 
К физическим свойствам жидкости относятся следующие: 
1. Плотность  
Плотность – это масса жидкости, содержащаяся в единице объёма: 
 
,
m
V
U  
 
(1.1) 
где m – масса жидкости, заключённая в объеме V. 
Термин «относительная плотность» означает отношение плотности жидкости к плотности воды при температуре 4 ƒС: 
 
ж
В
.
U
G  U
 
(1.2) 
2. Удельный вес  
Удельный вес – это вес жидкости, заключенный в единице объёма: 
 
,
G
V
J  
 
(1.3) 
где G – вес жидкости. 
Удельный вес и плотность жидкости связаны между собой зависимостью, которая широко используется в гидростатических расчётах. 
Поскольку вес G = mg, то 
g
J  U ˜
. 
В таблице 1.1 приведены значения плотности, удельного веса и относительной плотности при давлении 0,1 МПа. 
3. Сжимаемость жидкостей  
Сжимаемость жидкостей характеризуется коэффициентом объёмного 
сжатия 
P
E , представляющим собой относительное изменение объёма, приходящегося на единицу давления при постоянной температуре: 
8

P
dV
V dP
E  
, 
(1.4) 
где ܸ݀ – изменение объёма при повышении давления на величину ݀ܲ. 
В инженерных расчётах можно пользоваться приближённой зависимостью для определения объёма жидкости, подверженной сжатию: 
 


0 1
,
p
V
V
P
|
E ˜'
 
(1.5) 
где V0 – начальный объём жидкости. 
Плотность при сжатии жидкости увеличивается и находится по формуле 
 
0
1
P
P
U
U |
 E ˜ '
,  
(1.6) 
где ȡ0 – начальная плотность при фиксированной температуре. 
Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия, называется объёмным модулем упругости жидкости: 
 
1
P
E  E .  
(1.7) 
В таблице 1.2 приведены значения изотермического модуля упругости 
воды при различных давлениях и температурах. 
 
Таблица 1.1 
Удельный вес, плотность и относительная плотность жидкостей  
при давлении 0,1 МПа 
Жидкость 
Температура 
t, ƒС 
Плотность 
ȡ, кг/м3 
Удельный вес 
J , Н/ м3 
Относительная 
плотность į 
Автол 10 
20 
920 
9025 
0,92 
Алкоголь (безводный) 
20 
795 
7799 
0,795 
Аммиак 
34 
684 
6710 
0,684 
Анилин 
15 
1004 
9849 
1,004 
Ацетон 
20 
792 
7770 
0,792 
 
20 
20 
 
739–780 
712–761 
 
7250–7652 
6980–7470 
Бензин: 
авиационный 
автомобильный 
 
0,739–0,780 
0,712–0,761 
 
20 
20 
 
998,1 
1020–1030 
 
9790 
10006–10104 
Вода: 
дистиллированная 
морская 
 
0,998 
1,02–1,03 
Глицерин (безводный) 
20 
1260 
12360 
1,26 
Дизельное топливо 
20 
831–861 
8150–8450 
0,831–0,861 
Керосин (ГОСТ 4753-68) 
20 
790–860 
7770–8240 
0,79–0,86 
Мазут 
15 
890–940 
8731–9221 
0,89–0,94 
9

Таблица 1.2 
Изотермический модуль упругости воды Е, МПа 
Температура 
t, ƒC 
Давление ȡ, МПа 
0,5 
1,0 
2,0 
4,0 
8,0 
0 
1890 
1900 
1920 
1950 
1980 
5 
1930 
1950 
1970 
2010 
2070 
10 
1950 
1970 
2010 
2050 
2120 
15 
1970 
2000 
2030 
2090 
2170 
20 
1980 
2020 
2060 
2120 
2217 
4. Температурное расширение  
Температурное расширение жидкостей количественно характеризуется 
коэффициентом температурного расширения ȕt, представляющим относительное расширение объёма при изменении температуры на 1 ƒС и при постоянном 
давлении: 
 
1
t
dV
V dt
E  
. 
(1.8) 
При изменении температуры и давления в небольших пределах можно 
принять ȕt = const, тогда объем и плотность можно подсчитать по следующим 
формулам: 
 
0(1
);
t
V
V
t
|
 E ˜'
 
(1.9) 
 
1
.
1
t
t
U |  E ˜'  
(1.10) 
Коэффициенты температурного расширения воды приведены в таблице 1.3. 
 
Таблица 1.3 
Коэффициенты температурного расширения воды 
Давление 
P, МПа 
Температура t, ƒC 
1–10 
10–20 
40–50 
60–70 
90–100 
0,1 
0,000014 
0,000150 
0,000422 
0,000556 
0,000719 
10 
0,000043 
0,000165 
0,000422 
0,000548 
0,000704 
20 
0,000072 
0,000180 
0,000426 
0,000539 
0,000691 
50 
0,000149 
0,000236 
0,000429 
0,000523 
0,000661 
90 
0,000229 
0,000289 
0,000437 
0,000514 
0,000621 
5. Поверхностное натяжение (капиллярность) 
Свободная поверхность жидкости, то есть поверхность на разделе двух 
сред – жидкой и газообразной, находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения вызывают в жидкости 
10