排水管渠水力计算
水力计算公式选用
1． 常用的水力计算公式：供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有:达西（DARCY ）公式：gd v l h f 22**=λ（1）谢才（chezy ）公式：i R C v **= （2）海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式：87.4852.1852.167.10dC lQ h h f ***= （3） 式中h f ------------沿程损失，mλ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，md-----管道计算内径，mg----重力加速度，m/s 2C----谢才系数 i----水力坡降； R ―――水力半径，mQ ―――管道流量m/s 2v----流速 m/sC n ----海澄――威廉系数其中大西公式，谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。
海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。
三种水力计算公式中 ，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。
2． 规范中水力计算公式的规定3． 查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐采用的水力计算公式也有所差异，见表1：表1 各规范推荐采用的水力计算公式4． 公式的适用范围： 3．1达西公式达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。
公式中沿程阻力系数λ值的确定是水头损失计算的关键，一般采用经验公式计算得出。
舍维列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（）公式均是针对工业管道条件计算λ值的著名经验公式。
舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用教广. 柯列勃洛可公式)Re 51.27.3lg(21λλ+∆*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式,该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合,适用范围为4000<Re<108.大量的试验结果表明柯列勃洛克公式与实际商用圆管的阻力试验结果吻合良好,不仅包含了光滑管区和完全粗糙管区,而且覆盖了整个过渡粗糙区,该公式在国外得到及为广泛的应用.布拉修斯公式25.0Re 316.0=λ是1912年布拉修斯总结光滑管的试验资料提出的,适用条件为4000<Re<105,一般用于紊流光滑管区的计算. 谢才公式该式于1775年由CHEZY 提出,实际是达西公式的一个变形,式中谢才系数C 一般由经验公式y e R n C *=1计算得出,其中61=y 时称为曼宁公式,y 值采用)1.0(75.013.05.2---=n R n y (n 为粗糙系数)公式计算时称为巴浦洛夫斯基,这两个公式应用范围均较广.就谢才公式本身而言,它适用于有压或无压均匀流动的各阻力区,但由于计算谢才系数C 的经验公式只包括反映管壁粗糙状况的粗糙系数n 和水力半径R,而没有包括流速及运动年度,也就是与雷诺数Re 无关,因此该式一般仅适用于粗糙区.曼宁公式的适用条件为n<,R<;巴浦洛夫斯基公式的适用条件为≤R ≤3m;≤n ≤.海澄-威廉公式是在直径≤工业管道的大量测试数据基础上建立的著名经验公式,适用于常温的清水输送管道,式中海澄-威廉系数Ch 与不同管材的管壁表面粗糙程度有关.因为该式参数取值简单,易用,也是得到广泛应用的公式之一.此公式适用范围为光滑区至部分粗糙度区,对应雷诺数Re 范围介于104-2*106. 通过对各相关规范所推荐计算公式的比较,除混凝土管仍然推荐采用谢才公式外,其它管材大多推荐采用达西公式.在新版《室外给水设计规范》中取消舍维列夫公式的相关条文,笼统采用达西公式,但未明确要求计算λ值采用的经验公式.由于舍维列夫公式是建立在对旧钢管及旧铸铁管研究的基础上,然而现在一般采用的钢或铸铁材质管道,内壁通常需进行防腐内衬,经过涂装的管道内壁表面均比旧钢管,旧铸铁管内壁光滑得多,也就是Δ值小得多,采用舍维列夫公式显然也就会产生较大得计算误差,该公式得适用范围相应较窄.经过内衬得金属管道采用柯列勃洛克公式或谢才公式计算更为合理.PVC-U,PE 等塑料管道,或者内衬塑料得金属管道,因为其内壁Δ值很低,一般处于管道流态大多位于紊流光滑区,采用适用光滑区得布拉修斯公式以及柯列勃洛克公式一般均能够得到与实际接近得计算结果.因此, 《埋地硬聚氯乙稀给水管道工程技术规程》及《埋地聚乙稀给水管道工程技术规程》中对塑料管道水力计算公式均是合理得且与《室外给水设计规范》并不矛盾.海澄-威廉公式可以适用于各种不同材质管道得水力计算,其中海澄-威廉系数Ch 得取值应根据管材确定.对于内衬水泥砂浆或者涂装有比较光滑得内防腐涂层得管道,其海澄-威廉系数应该参考类似工程经验参数或者实测数据,合理取用.因此,无论采用达西公式,谢才公式或者海澄-威廉公式计算,不同管材得差异均表现在 管内壁表面当量粗糙程度得不同上,各公式中与粗糙度相关系数得取值是影响计算结果得重要因素.值得一提得是,同种材质管道由于采用不同得加工工艺,其内表面得粗糙度也可能有所差异,这一因素在设计过程种也应重视(常用管材得粗糙度系数参考值见表2) 表2 常见管材粗糙度相关系数参考值管径对选择计算公式得影响 根据雷诺数计算公式vVdRe ,雷诺数与流速v,管径d 成正比,与运动粘度成反比,因此对应管道得不同设计条件应对所使用计算公式得适用范围进行复核.保证计算得准确性.大多说供水工程得设计按照水温10℃,运动粘度*10-5 m 2/s 得条件考虑,因此雷诺数实际受流速及管道口径得影响.以塑料管道为例,在正常设计流速范围条件下,管道内径大于100mm 时,虽然管道仍然处于紊流光滑区,但其雷诺数Re>105,也就是说已经超出了布拉修斯公式得适用范围,而且误差大小与雷诺数成正比.对PVC-U 管,采用布拉修斯公式与柯列勃洛克公式对比计算,当管内径为500mm ,流速 m/s 时,采用布拉修斯公式得出得水力坡降比柯列波列克得结果低11%以上.采用《埋地硬聚氯乙稀给水管道工程技术规程》推荐得修正公式与柯式对比计算,修正公式计算结果,小口径管偏安全,中等口径与柯式符合较好,大口径管得负误差达5%以上.因此笔者认为,大口径塑料管或采用塑料内衬管不宜采用布拉修斯公式计算,而更宜于采用如柯列波洛克公式等适用条件更宽得其它经验公式,或应通过试验等对其进行修正.与上述情况类似,采用谢才公式计算时,如果管道内径大于2m 时则不采用曼宁公式计算谢才系数.如果采用巴甫洛夫斯基公式,其适用管径可以达到12m,对一般输水工程管道已完全足够了.海澄-威廉公式的数据基础是WILLIAMS 和HAZEN 在大量工业管道现场或试验测量或得的.该公式因为简单易用,被广泛运用在管网水力计算中,国内外不少管道水力计算软件均采用该公式编制.由此可见,对于口径大于2m 得管道应尽量避免采用海澄-威廉公式计算以策安全.6.值得提出得是,上述所有水力计算公式中采用得管径均为计算内径,各种管道均应采用管道净内空直径计算,对于采用水泥砂浆内衬得金属管道应考虑内衬层厚度得影响.大口径管道计算应尽量避免采用海澄-威廉公式,建议采用柯列勃洛克公式计算,大量试验结果证明该公式计算结果与实际工业管道符合性好,水力条件适用范围广,虽然运用该式需要进行多次迭代计算才能得到λ值,较为麻烦,不过运用计算机简单编程既能方便地得到较为准确地结果,手工计算时也可以通过查表或者查询蓦迪图辅助计算.。
(整理)第三章给水排水管道系统水力计算基础
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、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Re k，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。
给水排水管网水力学基础
∑
当并联管道直径相同时
d1 = d 2 = d =
n m/n m ( Nd i )
= d N = di =
n (N ) m
di
3．4．2 沿线均匀出流的简化 干管配水情况
配水支管
Q 1 q1 q 3 Q2 q2
q5 q4
Q3
q7
配水干管
Q4
q6
t
假设沿线出流是均匀 的，则管道的任一断 面上的流量
管道的水力等效简化
n kq n l kq1n l kq 2 l = m = m = m d d1 d2
n kq N l = m dN
d = (∑ d )
i =1
N
m n i
n m
当并联管道直径相同时， 有：
d = (N ) di
n m
3.1 给排水管网水流特征 3．1．1 流态特征
Re ⎧层流： < 2000 ⎪ ⎪ 1.流态 ⎨过渡流 : 2000 < Re < 4000 ⎪ Re （给排水管网一般按紊 流考虑） ⎪紊流： > 4000 ⎩
第3章 给水排水管网水力学基础 －－管渠稳定流方程 谢才公式：
式中
v2 hf = 2 l C R
（m）
hf――沿程水头损失，m；v――过水断面平均流速，m/s； C――谢才系数； l――管渠长度，m； R――过水断面水力半径，即断面面积除以湿周，m， 对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。
圆管满流－达西公式：
n
kq n d m
N
l
kq n l i kq l = ∑ m m d i=1 d i d = (l /
m i=1 d i
∑
N
排水管渠水力计算-PPT文档资料
第四节 管渠水力设计主要参数
设计充满度（h/D） 设计流速（v） 最小管径（D） 最小设计坡度（i） 污水管道的埋设深度
1、设计充满度（h/D）
——指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。 h/D =1时，满流
h D
h/D <1时，非满流
《室外排水设计规范》规定，最大充满度为：
管径（D）或暗渠高（H） （mm） 200~300 350~450 500~900 ≥1000 最大充满度（h/D） 0.55(0.60) 0.65(0.70) 0.70(0.75) 0.75(0.80)
式中：H——街道污水管网起点的最小埋深，m；
h——街坊污水管起点的最小埋深，0.55~0.65m； Z1——街道污水管起点检查井检查井处地面标高，m； Z2——街坊污水管起点检查井检查井处地面标高，m； i——街坊污水管和连接支管的坡度； L——街坊污水管和连接支管的总长度，m；
5、污水管道的埋设深度（续）
二、污水管道水力计算的基本公式
管道水力计算：通过计算合理的确定管径、流速、坡度、埋深
Q Av
式中：Q——流量，m3/s；
1 3 1 v R i 2 n
2
A——过水断面面积，m2； v——流速，m/s；
R——水力半径（过水断面积与湿周的比值），m；
i——水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； n——管壁粗糙系数（P52）
对于每一个具体的设计管段，从上述三个不同的因素出发，可以 得到三个不同的管底埋深或管顶覆土厚度值，这三个数值中的最大一个 值就是该管段的允许最小埋设深度或最小覆土厚度。
除考虑最小埋深外，还应考虑最大埋深：
在干燥土壤中，一般不超过7~8 m； 在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5 m。
水力学计算
最大埋深干燥土7-8m，多水砂地区，5m。应该尽量减少埋 深。
最小覆土厚度, 防止污水冰冻和土壤冰冻破坏管道, 防止车辆 动荷载压坏管道, 满足支管衔接. 无保温的生活污水或工业废
水, 管底在冰冻线下. 荷载方面，在车行道下, >0.7m; 人行道
>0.6m. 返回
5. 管段的衔接
5. 管段的衔接
D h
4.管渠水力设计参数
最大设计充满度
Water Pollution Control Engineering
雨水管道和合流管道应按满流计算
4.管渠水力设计参数
(2on Control Engineering
排水管渠的最小设计流速，应符合下列规定：
1. 污水管道在设计充满度下为0.6 m/s； 2. 雨水管道和合流管道在满流时为0.75 m/s； 3. 明渠为0.4m/s。
6. 管段水力计算
Water Pollution Control Engineering
比较D=350mm和D=400mm，D=350mm更合适，如果
采用400, 则由设计坡度减小引起的管道埋深的减小为
240m×0.0001=0.024m，而管道管径与350相比却增加
0.05m；此外管道容积未充分利用，h/D由0.65降为0.53； 除非流量突然剧烈增加，否则一般不跳级增加管道管 径。
求流速和充满度。需要注意当交点不是正好在线
上需要估计数值。
例题2-3，n=0.014，D=300，Q=38L/s，v=1.0m/s，
查图得到h/D=0.55, i=0.0055。
例题2-2
例题2-3
Water Pollution Control Engineering
第四章(2)排水管渠水力计算
（5）这交点又落在h/D＝0.53的斜线上，求得 h/D＝0.53。
第四节 管渠水力学设计数据
设计充满度
管渠中的水深h和管径D（或渠
深H）的比值。
充满度示意
一、设计充满度
管渠是按不满流的情况进行设计的。在设计流 量下，管道中的水深h和管径D（或渠深H）的比 值c称为设计充满度。
坡度和流速存在一定的关系( v 1 R2 3I1 2 )，同 最小设计流速相应的坡度就是最小设计n 坡度。
因设计流量很小而采用的最小管径的设计管 段称为不计算管段。
五、管道的埋设深度和覆土厚度
管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。 在干燥土壤中，管道最大埋深一般不超过7~8m； 在多水、流沙、石灰岩地层中，一般不超过5m。
设计管段是相邻的两个窨井间的管段。
当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时， 可以合并为一条设计管段。
流量公式： 流速公式：
qV Av
v 1 R2 3I1 2 n
qv——设计管段的设计流量， m3/s；
A——设计管段的过水断面面
积，m2 ；
v——设计管段过水断面的平均
流速，m/s ；
R——水力半径（过水断面面
44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。
（2）令D＝400 mm,查图,当D＝400mm，qV＝40L/s， v＝0.6m/s时，h/D＝0.53，i＝0.00145。与D＝350mm相比 较，管段设计坡度基本相同，管段容积未充分利用，管 段埋深反而增加0.05m。另外，管段口径一般不跳级增加， 所以还是使用D＝350mm，i＝0.0015的设计为好。
排水管渠水力计算
2、 确定各管段始点和终点的埋设深度 （水面标高、管底标高）
即衔接设计，衔接设计也是由上游管段向下游管段进行的。
（1）首先确定第一个管段的起点、终点的埋深（管底标高、水面标高）
比较，前者堵塞的次数有时是后者的2倍，使管道的养护管理费 用增加；而在相同的埋深下，施工费用相差不多。
若将计算出的150mm改为200mm的管道的话，维护费用减 少，而且，管道的坡度可减小，使管道的埋深减小。
街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为300mm。 2、什么叫不计算管段？
在管道起端由于流量较小，通过水力计算查得的管径小于最 小管径，对于这样的管段可不用再进行其他的水力计算，而直 接采用最小管径和相应的最小坡度，这样的管段称为不计算管 段。
1）满足地面荷载的要求
车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非车行
道下，污水管的最小覆土厚度可适当减小。
2）冰冻线的要求
《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活污水管道， 管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温措施或水温较高的管 道，距离可以加大。
国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地的养护经 验确定。无养护资料时，采用如下数值：管径小于500mm， 管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm，为0.5m。
另外，随着设计流量逐段增加，设计管径也应相应增加或不变。但是， 当管道坡度突然增大时，管径也可以减小，减小的范围不得超过50～ 100mm。
五、污水管道水力计算应注意的问题
（4）跌水井的设置 在地面坡度太大时，为了减小管内水流速度，防止管壁被冲刷，管
给水排水管道系统水力计算
e （ mm ）
平均 0.003 0.03 0.06 0.15 0.3 0.6 3 15 150
（ 4 ）巴甫洛夫斯基公式 巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流管道的计算，公式为：
C
R
y
nb 0.10
3-3 。
（ 3-11 ）
式中： y
2.5 nb
0.13 0.75 R
nb
nb — 巴甫洛夫斯基公式粗糙系数，见表
2
A 和水力半径 R 的值 （表中 d 以 m 计） 充满度 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 过水断面积 A （ m 2） 0.4426 d 0.4920 d 0.5404 d 0.5872 d 0.6319 d 0.6736 d 0.7115 d 0.7445 d 0.7707 d 0.7845 d
图 3-1 无压圆管均匀流的过水 断面
3-1 所示。设其 ， 称为充满度，
h d
sin
2
4
所对应的圆心角 素之间的关系为：
称为充满角。由几何关系可得各水力要
过水断面面积：
A
湿周：
d
2
8
sin
（ 3-16 ）
d 2
水力半径：
（ 3-17 ）
R
所以
d 4
1
sin
（ 3-18 ）
2
v
2
1 d n 4 sin
将（ 3-11 ）式代入（ 3-2 ）式得：
hf
nb v R
2
2
2y 1
l
（ 3-12 ）
常用管渠材料粗糙系数
nb 值
管渠材料