【文章內(nèi)容簡介】 夫公式根據(jù)他對舊鑄鐵管和舊鋼管的水力實驗（水溫10℃），提出了計算紊流過渡區(qū)的經(jīng)驗公式。當m/s時 (33) 當m/s時 (34)將（33）、(34)式代入（32）式分別得：當m/s時 （35）當m/s時 （36）（2）海曾－威廉公式海曾－威廉公式適用于較光滑的圓管滿管紊流計算： （37）式中 流量，m3/s；海曾－威廉粗糙系數(shù)，其值見表31；其余符號意義同（32）式。海曾－威廉粗糙系數(shù)值 　　　　　　　　　表31管道材料管道材料塑料管150新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管130石棉水泥管120～140使用5年的鑄鐵管、焊接鋼管120混凝土管、焊接鋼管、木管120使用10年的鑄鐵管、焊接鋼管110水泥襯里管120使用20年的鑄鐵管90～100陶土管110使用30年的鑄鐵管75～90將式（37）代入式（32）得： 　　　 (38)（3）柯爾勃洛克－懷特公式柯爾勃洛克－懷特公式適用于各種紊流： （39）式中 雷諾數(shù)，其中為水的動力粘滯系數(shù)，和水溫有關，其單位為：m2/s；管壁當量粗糙度，m，由實驗確定，常用管材的值見表32。該式適用范圍廣，是計算精度最高的公式之一，但運算較復雜，為便于應用，可簡化為直接計算的形式： (310)常用管渠材料內(nèi)壁當量粗糙度（mm） 表32管渠材料光滑平均粗糙玻璃0鋼、PVC或AC有覆蓋的鋼鍍鋅鋼管、陶土管鑄鐵管或水泥襯里預應力混凝土管或木管鉚接鋼管36臟的污水管道或結(jié)瘤的給水主管線61530毛砌石頭或土渠60150300（4）巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式適用于明渠流和非滿流管道的計算，公式為： （311）式中： 巴甫洛夫斯基公式粗糙系數(shù)，見表33。將（311）式代入（32）式得： （312）常用管渠材料粗糙系數(shù)值 表33管渠材料管渠材料鑄鐵管、陶土管漿砌磚渠道混凝土管、鋼筋混凝土管～漿砌塊石渠道水泥砂漿抹面渠道～干砌塊石渠道～石棉水泥管、鋼管土明渠（帶或不帶草皮）～（5）曼寧（Manning）公式曼寧公式是巴甫洛夫斯基公式中y＝1/6時的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計算： （313）式中 粗糙系數(shù)，與（312）式中相同，見表33。將（313）式代入（31）得： （314）二、局部水頭損失計算局部水頭損失用下式計算： （315）式中 局部水頭損失，m；局部阻力系數(shù)，見表34。根據(jù)經(jīng)驗，室外給水排水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般不超過沿程水頭損失的5％，因和沿程水頭損失相比很小，所以在管網(wǎng)水力計算中，常忽略局部水頭損失的影響，不會造成大的計算誤差。局部阻力系數(shù) 表34配件、附件或設施配件、附件或設施全開閘閥90176。彎頭50％開啟閘閥45176。彎頭截止閥3～三通轉(zhuǎn)彎全開蝶閥三通直流第三節(jié) 無壓圓管的水力計算所謂無壓圓管，是指非滿流的圓形管道。在環(huán)境工程和給排水工程中，圓形斷面無壓均勻流的例子很多，如城市排水管道中的污水管道、雨水管道以及無壓涵管中的流動等。這是因為它們既是水力最優(yōu)斷面，又具有制作方便、受力性能好等特點。由于這類管道內(nèi)的流動都具有自由液面，所以常用明渠均勻流的基本公式對其進行計算。圖31 無壓圓管均勻流的過水 斷面圓形斷面無壓均勻流的過水斷面如圖31所示。設其管徑為d水深為h，定義，稱為充滿度，所對應的圓心角稱為充滿角。由幾何關系可得各水力要素之間的關系為：過水斷面面積： （316）濕周： （317）水力半徑： （318）所以 （319） （320）為便于計算，表35列出不同充滿度時圓形管道過水斷面面積A和水力半徑R的值。不同充滿度時圓形管道過水斷面積A和水力半徑R的值（表中d以m計） 表35充滿度過水斷面積A（m2）水力半徑（R）充滿度過水斷面積A（m2）水力半徑（R） d2 d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d d2 d為了避免上述各式繁復的數(shù)學運算，在實際工作中，常用預先制作好的圖表來進行計算，（見《給水排水設計手冊》）。下面介紹計算圖表的制作及其使用方法。為了使圖表在應用上更具有普遍意義，能適用于不同管徑、不同粗糙系數(shù)的情況，特引入一些無量綱數(shù)來表示圖形的坐標。 設以分別表示滿流時的流量、流速、謝才系數(shù)、水力半徑；以分別表示不同充滿度時的流量、流速、謝才系數(shù)、水力半徑。令： （321） （322） 根據(jù)式（321）和式（322），只要有一個值，就可求得對應的A和B值。根據(jù)它們的關系即可繪制出關系曲線，如圖32所示。圖32 水力計算圖從圖32中可看出：當h/d=，Amax=Q/Q0=，此時通過的流量為最大，；當h/d=，Bmax=v/v0=，此時管中的流速為最大。 因為，水力半徑R在＝，其后，水力半徑相對減小，但過水斷面卻在繼續(xù)增加，當＝，A值達到最大；隨著的繼續(xù)增加，過水斷面雖然還在增加，但濕周增加得更多，以致水力半徑R相比之下反而降低，所以過流量有所減少。 在進行無壓管道的水力計算時，還要遵從一些有關規(guī)定?！妒彝馀潘O計規(guī)范》GB 501012005中規(guī)定： （1）污水管道應按非滿流計算，其最大設計充滿度按其附表采用； （2）雨水管道和合流管道應按滿管流計算； （3）排水管的最小設計流速：對于污水管道(在設計充滿度時)，當管徑d≤500mm時，；當管徑d500mm時。 另外，對最小管徑和最小設計坡度等也有相應規(guī)定。在實際工作中可參閱有關手冊與現(xiàn)行規(guī)范。[例31] 已知：圓形污水管道，直徑d＝600mm，管壁粗糙系數(shù)n＝，管底坡度i＝。求最大設計充滿度時的流速v和流量Q。[解] 管徑d＝600mm的污水管最大設計充滿度；由表35查得，時，過水斷面上的水力要素為：（m2）（m）（m1/2/s）從而得：（m/s） (m3/s)[例32] 已知：圓形管道直徑d＝1m，管底坡度i＝，粗糙系數(shù)n＝。求在水深h＝。[解] 根據(jù)圖32計算。首先計算滿流時的流量Q0和流速v0。（m）（m1/2/s） (m3/s)由圖32查得，當時，，所以： (m3/s)（m/s）第四節(jié) 非滿流管渠水力計算流體具有自由表面，其重力作用下沿管渠的流動稱為非滿流。因為在自由水面上各點的壓強為大氣壓強，其相對壓強為零，所以又稱為無壓流。非滿流管渠水力計算的目的，在于確定管渠的流量、流速、斷面尺寸、充滿度、坡度之間的水力關系。一、非滿流管渠水力計算公式非滿流管渠內(nèi)的水流狀態(tài)基本上都處于阻力平方區(qū)，接近于均勻流，所以，在非滿流管渠的水力計算中一般都采用均勻流公式，其形式為： （323） （324）式中，稱為流量模數(shù)，其值相當于底坡等于1時的流量。式（323）、（324）中的謝才系數(shù)C如采用曼寧公式計算，則可分別寫成： （325） （326）式中 流量，m3/s； 流速，m/s；過水斷面積，m2；水力半徑（過水斷面積A與濕周的比值：），m；水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度），m/m；C謝才系數(shù)或稱流速系數(shù)；粗糙系數(shù)。式（325）、（326）為非滿流管渠水力計算的基本公式。粗糙系數(shù)n的大小綜合反映了管渠壁面對水流阻力的大小，是管渠水力計算中的主要因素之一。 管渠的粗糙系數(shù)n不僅與管渠表面材料有關，同時還和施工質(zhì)量以及管渠修成以后的運行管理情況等因素有關。因而，粗糙系數(shù)n的確定要慎重。在實踐中，n值如選得偏大，即設計阻力偏大，設計流速就偏小，這樣將增加不必要的管渠斷面積，從而增加管渠造價，而且，由于實際流速大于設計流速，還可能會引起管渠沖刷。反之，如n選得偏小，則過水能力就達不到設計要求，而且因?qū)嶋H流速小于設計流速，還會造成管渠淤積。通常所采用的各種管渠的粗糙系數(shù)見表33，或參照有關規(guī)范和設計手冊。 二、非滿流管渠水力計算方法在非滿流管渠水力計算的基本公式中，有q、d、h、i和v共五個變量，已知其中任意三個，就可以求出另外兩個。由于計算公式的形式很復雜，所以非滿流管渠水力計算比滿流管渠水力計算要繁雜得多，特別是在已知流量、流速等參數(shù)求其充滿度時，需要解非線性方程，手工計算非常困難。為此，必須找到手工計算的簡化方法。常用簡化計算方法如下： 1．利用水力計算圖表進行計算應用非滿流管渠水力計算的基本公式（325）和（326），制成相應的水力計算圖表，將水力計算過程簡化為查圖表的過程。這是《室外排水工程設計規(guī)范》和《給水排水設計手冊》推薦采用的方法，使用起來比較簡單。水力計算圖適用于混凝土及鋼筋混凝土管道，其粗糙系數(shù) n＝（也可制成不同粗糙系數(shù)的圖表）。每張圖適用于一個指定的管徑。圖上的縱座標表示坡度i，即是設計管道的管底坡度，橫座標表示流量Q，圖中的曲線分別表示流量、坡度、流速和充滿度間的關系。當選定管材與管徑后，在流量 Q、坡度 i、流速 v、充滿度 h/d四個因素中，只要已知其中任意兩個，就可由圖查出另外兩個。參見附錄8設計手冊或其他有關書籍，這里不詳細介紹。2．借助于滿流水力計算公式并通過一定的比例變換進行計算假設：同一條滿流管道與待計算的非滿流管道具有相同的管徑d和水力坡度i，其過水斷面面積為A0，水力半徑為R0，通過流量為Q0，流速為v0。滿流管渠的A0、R0、Q0、v0與非滿流時相應的A、R、Q、v存在一定的比例關系，且隨充滿度＝h/d的變化而變化。為方便計算，可根據(jù)上述關系預先制作成圖32和表35，供水力計算時采用，具體計算方法見“無壓圓管的水力計算”。第五節(jié) 管道的水力等效簡化 為了計算方便，在給水排水管網(wǎng)水力計算過程中，經(jīng)常采用水力等效原理，將局部管網(wǎng)簡化成為一種較簡單的形式。如多條管道串聯(lián)或并聯(lián)工作時，可以將其等效為單條管道；管道沿線分散的出流或者入流可以等效轉(zhuǎn)換為集中的出流或入流；泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵等。 水力等效簡化原則是：經(jīng)過簡化后，等效的管網(wǎng)對象與原來的實際對象具有相同的水力特性。如兩條并聯(lián)管道簡化成一條后，在相同