【文章內(nèi)容簡介】 （m） （31）式中 沿程水頭損失，m； 過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s； 謝才系數(shù)； 過水?dāng)嗝嫠Π霃?，即過水?dāng)嗝婷娣e除以濕周，m，圓管滿流時(shí)（D為圓管直徑）；管渠長度，m。對于圓管滿流，沿程水頭損失也可用達(dá)西公式計(jì)算： （m） （32）式中 圓管直徑，m；重力加速度，m/s2； 沿程阻力系數(shù)。沿程阻力系數(shù)或謝才系數(shù)與水流流態(tài)有關(guān)，一般只能采用經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。目前國內(nèi)外較為廣泛使用的主要有舍維列夫（ФΑЩевеЛев）公式、海曾－威廉（HazenWilliams）公式、柯爾勃洛克－懷特(ColebrookWhite)公式和巴甫洛夫斯基(ННПавловский) 等公式，其中，國內(nèi)常用的是舍維列夫公式和巴甫洛夫斯基公式。（1）舍維列夫公式舍維列夫公式根據(jù)他對舊鑄鐵管和舊鋼管的水力實(shí)驗(yàn)（水溫10℃），提出了計(jì)算紊流過渡區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)m/s時(shí) (33) 當(dāng)m/s時(shí) (34)將（33）、(34)式代入（32）式分別得：當(dāng)m/s時(shí) （35）當(dāng)m/s時(shí) （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(jì)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(guān)，其單位為：m2/s；管壁當(dāng)量粗糙度，m，由實(shí)驗(yàn)確定，常用管材的值見表32。該式適用范圍廣，是計(jì)算精度最高的公式之一，但運(yùn)算較復(fù)雜，為便于應(yīng)用，可簡化為直接計(jì)算的形式： (310)常用管渠材料內(nèi)壁當(dāng)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(yù)應(yīng)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(jì)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(shí)的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)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(jì)算局部水頭損失用下式計(jì)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(yàn)，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(jì)算中，常忽略局部水頭損失的影響，不會造成大的計(jì)算誤差。局部阻力系數(shù) 表34配件、附件或設(shè)施配件、附件或設(shè)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(jì)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?yàn)樗鼈兗仁撬ψ顑?yōu)斷面，又具有制作方便、受力性能好等特點(diǎn)。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(jìn)行計(jì)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?dāng)嗝嫒鐖D31所示。設(shè)其管徑為d水深為h，定義，稱為充滿度，所對應(yīng)的圓心角稱為充滿角。由幾何關(guān)系可得各水力要素之間的關(guān)系為：過水?dāng)嗝婷娣e： （316）濕周： （317）水力半徑： （318）所以 （319） （320）為便于計(jì)算，表35列出不同充滿度時(shí)圓形管道過水?dāng)嗝婷娣eA和水力半徑R的值。不同充滿度時(shí)圓形管道過水?dāng)嗝娣eA和水力半徑R的值（表中d以m計(jì)） 表35充滿度過水?dāng)嗝娣eA（m2）水力半徑（R）充滿度過水?dāng)嗝娣eA（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(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在實(shí)際工作中，常用預(yù)先制作好的圖表來進(jìn)行計(jì)算，（見《給水排水設(shè)計(jì)手冊》）。下面介紹計(jì)算圖表的制作及其使用方法。為了使圖表在應(yīng)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(biāo)。 設(shè)以分別表示滿流時(shí)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(shí)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(yīng)的A和B值。根據(jù)它們的關(guān)系即可繪制出關(guān)系曲線，如圖32所示。圖32 水力計(jì)算圖從圖32中可看出：當(dāng)h/d=，Amax=Q/Q0=，此時(shí)通過的流量為最大，；當(dāng)h/d=，Bmax=v/v0=，此時(shí)管中的流速為最大。 因?yàn)?，水力半徑R在＝，其后，水力半徑相對減小，但過水?dāng)嗝鎱s在繼續(xù)增加，當(dāng)＝，A值達(dá)到最大；隨著的繼續(xù)增加，過水?dāng)嗝骐m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(jìn)行無壓管道的水力計(jì)算時(shí)，還要遵從一些有關(guān)規(guī)定?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)規(guī)范》GB 501012005中規(guī)定： （1）污水管道應(yīng)按非滿流計(jì)算，其最大設(shè)計(jì)充滿度按其附表采用； （2）雨水管道和合流管道應(yīng)按滿管流計(jì)算； （3）排水管的最小設(shè)計(jì)流速：對于污水管道(在設(shè)計(jì)充滿度時(shí))，當(dāng)管徑d≤500mm時(shí)，；當(dāng)管徑d500mm時(shí)。 另外，對最小管徑和最小設(shè)計(jì)坡度等也有相應(yīng)規(guī)定。在實(shí)際工作中可參閱有關(guān)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(shè)計(jì)充滿度時(shí)的流速v和流量Q。[解] 管徑d＝600mm的污水管最大設(shè)計(jì)充滿度；由表35查得，時(shí)，過水?dāng)嗝嫔系乃σ貫椋海╩2）（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(jì)算。首先計(jì)算滿流時(shí)的流量Q0和流速v0。（m）（m1/2/s） (m3/s)由圖32查得，當(dāng)時(shí)，，所以： (m3/s)（m/s）第四節(jié) 非滿流管渠水力計(jì)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?yàn)樵谧杂伤嫔细鼽c(diǎn)的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，其相對壓強(qiáng)為零，所以又稱為無壓流。非滿流管渠水力計(jì)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(guān)系。一、非滿流管渠水力計(jì)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(jì)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(dāng)于底坡等于1時(shí)的流量。式（323）、（324）中的謝才系數(shù)C如采用曼寧公式計(jì)算，則可分別寫成： （325） （326）式中 流量，m3/s； 流速，m/s；過水?dāng)嗝娣e，m2；水力半徑（過水?dāng)嗝娣eA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(jì)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(jì)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(guān)，同時(shí)還和施工質(zhì)量以及管渠修成以后的運(yùn)行管理情況等因素有關(guān)。因而，粗糙系數(shù)n的確定要慎重。在實(shí)踐中，n值如選得偏大，即設(shè)計(jì)阻力偏大，設(shè)計(jì)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(jià)，而且，由于實(shí)際流速大于設(shè)計(jì)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且因?qū)嶋H流速小于設(shè)計(jì)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(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊。 二、非滿流管渠水力計(jì)算方法在非滿流管渠水力計(jì)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(jì)算公式的形式很復(fù)雜，所以非滿流管渠水力計(jì)算比滿流管渠水力計(jì)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(shí)，需要解非線性方程，手工計(jì)算非常困難。為此，必須找到手工計(jì)算的簡化方法。常用簡化計(jì)算方法如下： 1．利用水力計(jì)算圖表進(jìn)行計(jì)算應(yīng)用非滿流管渠水力計(jì)算的基本公式（325）和（326），制成相應(yīng)的水力計(jì)算圖表，將水力計(jì)算過程簡化為查圖表的過程。這是《室外排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《給水排水設(shè)計(jì)手冊》推薦采用的方法，使用起來比較簡單。水力計(jì)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(biāo)表示坡度i