对重力流排水管道流速公式及相关水力学问题的思考.docxVIP

对重力流排水管道流速公式及相关水力学问题的思考康丽（北京中联环建文建筑设计有限公司 ，北 京１０００９８）摘 要 对 重 力 流 对重力流排水管道流速公式及相关水力学问题的思考 康 丽 （北京中联环建文建筑设计有限公司 ，北 京 １０００９８） 摘 要 对 重 力 流 排 水 管 道 流 速 计 算 公 式 进 行 分 析 ，探 讨 流 速 与 其 他 参 数 及 相 关 水 力 学 概 念 之 间 的 关 系 ，包 括 水 力 半 径 和 设 计 充 满 度 的 关 系 ；流 速 和 流 量 、管 径 、坡 度 之 间 的 关 系 ；最 小 设 计 流 速 和 最 小 设 计 坡 度 、最 大 设 计 充 满 度 之 间 的 关 系 以 及 设 计 充 满 度 对 管 径 的 影 响 等 。 以 期 在 实 际 工 程 设 计 中 ，避 免 出 现 不 合 理 的 设 计 思 路 ，根 据 流 量 合 理 地 选 择 排 水 管 径 并 设 定 坡 度 ，使 排 水 工 程 顺 利 地 发 挥 其 应 有 的 作 用 。 关 键 词 重 力 流 排 水 管 道 流 速 计 算 公 式 水 力 学 引 言 近 年 来 ，因 为 甲 方 一 再 缩 短 工 程 建 设 时 间 ，设 计 周 期 也 随 之 大 幅 减 少 ，导 致 设 计 计 算书中的很多重 要 数 据 常 被 经 验 值 所 替 代 ，使得设计人员逐渐淡忘 了 理 应 作 为 计 算依据的水力 学 公式 ，只 记 住 了 一 些 并 不 清 楚 其 来 由 的 经 验 数 据 。笔者根据在实 际 工 程 设 计 中 积 累 的 一 些 认 识 ，以重力流排水管道的流速 计 算 公 式 为 例 ，对排水设计 中经常用到的 重 要的水 力 学 概 念 进 行 探 讨 ，以提醒设计人 员应重视理论公 式 的 理 解 和 应 用 。重力流排水管道流速计算 公 式 如 式（１）所 示 。 力 现 象 的 本 质 。 水 力半径 和 设 计 充满度都是对排水流 量 所 形 成 的 过 流 断 面 的 描 述 ，但 却是从不同角度对同一时刻 的 流 体 状 态 的 描 述 。 水力半径与湿周发生 关 联 ，湿 周 的 大 小 与 流 体所受管壁阻力的大小紧密 相 关 ，而 管 壁 阻 力 直 接 影响流体的流速 ，所以水力半径必然 和 流 速 有 直 接 关 系 ；而 设 计充满度从概念 的 角 度 看 ， 仅 表 达 了 水 深 和管径的比例关系 ，似乎仅和过流断 面 面 积 直 接 关 联 ，但它 和水力半径又具有相同的决 定 因 素 ，可 以 说水力半径就意味着设计充满 度 的 存 在 ，一 旦 确 定 水 力 半 径 ，可以 计算出设计充 满 度 ，反 之 亦 然 。 据 有 关 实 测 数 据［１］显 示 ，在非满流状态设计充 满 度 ≤０．８ 时 ，在 材 质 、管 径 、坡度均不变的圆形管 道 里 ，当 水 力 半 径 增 大 （或 减 小 ），设 计 充 满 度 会 同 步 增 大（或 减 小 ）。 这 里 略 去 较 为 复 杂 的 数 学 推 导 过 程 ，从 道 理 上 简 单 地 说 ，就 是 在 圆 形 管 道 里 ，排 水 流 量 造 成 的 充 满 度 从 ０ 增 大 到 ０．８ 的 过 程 ，也 同 时 是 过 流 断 面 面 积 和湿周增大的过程 ，且过流断面面积 的 增 长 量 要 大 于 湿 周 的 增 长 量 。而 在 其 中 的 数 学 推 导 中 ，存 在 过 流 断面面积的增大幅度 （即 增 长 率 ）与 湿 周 的 增 大 幅 度 的 比 值 问 题 ，这个比值决定了在设 计 充 满 度 从 ０增 大 到 ０．８ 的 过 程 中 ，水 力 半 径 处 于 逐 渐 增 大 的 状 态 ；而当 流体在管道中逐渐接近满流 时 ，即 设 计 充 满 度 增 至 ０．８～１ 时 ，水力半径开始变 小 ，直 到 降 至 满 流 时 管 径 的 １／４。 这一现象是由圆 管 的 构 造 决 定 ，当 设 计 充 满 度 超 过 ０．８时 ，圆 管 的 特 ０ ｖ＝１ Ｉ Ｒ２／３ １／２ （） １ ｎ 式 中 ｖ———流 速 ，ｍ／ｓ； ｎ———管 壁 粗 糙 系 数 ，反 映 管 路 内 壁 粗 糙 度 ； Ｒ———水 力 半 径 ，ｍ； Ｉ———排 水 管 的 坡 度 ，‰。 本 文 主 要 对 圆形断面管路 的 排 水进 行 分 析 ，对 其他形状 断面的 管渠不做重点讨论 。 水 力 半 径 和 设 计 充 满 度 的 关 系 水 力 半 径 为 管 渠 过 水 断 面 面 积 与 湿 周 的 比 值 ，