非满流管渠水力计算-城镇给排水技术

流体具有自由表面，其重力作用下沿管渠的流动称为非满流。因为在自由水面上各点的压强为大气压强，其相对压强为零，所以又称为无压流。

非满流管渠水力计算的目的，在于确定管渠的流量、流速、断面尺寸、充满度、坡度之间的水力关系。

非满流管渠内的水流状态基本上都处于阻力平方区，接近于均匀流，所以，在非满流管渠的水力计算中一般都采用均匀流公式，其形式为

其中

式中 K——流量模数，其值相当于底坡等于1时的流量；

C——谢才系数或称流速系数。

式（1.22）、式（1.23）中的谢才系数C如采用曼宁公式计算，则可分别写成：

式中 Q——流量，m3/s；(www.xing528.com)

v——流速，m/s；

A——过水断面面积，m2；

R——水力半径（过水断面面积A与湿周χ的比值：R=A/χ），m；

i——水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度），m/m；

n——粗糙系数。

式（1.24）、式（1.25）为非满流管渠水力计算的基本公式。

粗糙系数n的大小综合反映了管渠壁面对水流阻力的大小，是管渠水力计算中的主要因素之一。

管渠的粗糙系数n不仅与管渠表面材料有关，同时还和施工质量以及管渠修成以后的运行管理情况等因素有关。因而，粗糙系数n的确定要慎重。在实践中，n值如选得偏大，即设计阻力偏大，设计流速就偏小，这样将增加不必要的管渠断面面积，从而增加管渠造价，而且，由于实际流速大于设计流速，还可能会引起管渠冲刷。反之，如n选得偏小，则过水能力就达不到设计要求，而且因实际流速小于设计流速，还会造成管渠淤积。通常所采用的各种管渠的粗糙系数见表1.3，或参照有关规范和设计手册。

在非满流管渠水力计算的基本公式中，有q、d、h、i和v共5个变量，已知其中任意3个，就可以求出另外两个。由于计算公式的形式很复杂，所以非满流管渠水力计算比满流管渠水力计算要繁杂得多，特别是在已知流量、流速等参数求其充满度时，需要解非线性方程，手工计算非常困难。为此，必须找到手工计算的简化方法。

应用非满流管渠水力计算的基本公式[式（1.24）和式（1.25）]，制成相应的水力计算图表，将水力计算过程简化为查图表的过程。这是《室外排水设计规范》（GB50014—2006）和《给水排水设计手册》（第五册 城镇排水）推荐采用的方法，使用起来比较简单。

水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数n=0.013（也可制成不同粗糙系数的图表）。每张图适用于一个指定的管径。图上的纵坐标表示坡度i，即是设计管道的管底坡度，横坐标表示流量Q，图中的曲线分别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当选定管材与管径后，在流量Q、坡度i、流速v、充满度h/d4个因素中，只要已知其中任意两个，就可由图查出另外两个。参见附录1.1、设计手册或其他有关书籍，这里不详细介绍。