分析雨水管道设计中水力参数如何确定

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1、★★建设论坛★★CitiesandTownsConstructioninGuangxi浅谈雨水管道设计中水力参数如何确定OnHydraulicParameterValueinRainPipelineDesign寇殿良黄伟婷彭焘●KouDianliangHuangWeitingPengTao[摘要]本文通过数值实验的方式对传统排水管道非满流的计算公式做出分析，把管道不同充满度下的各水力要素完整描绘出来，并结合工程实例，针对排水工程设计提出了新的看法。[关键词]排水管道；过水断面；夹角；水力要素；非线性函数[文章

2、编号]1672-7045（2009）12-0050-03[中图分类号]TU992.2[文献标识码]BAbstract：Thepapercompletelydescribeshydraulicelementsofdifferentdepthratioofwaterflowwithnumericalexperimentoftraditionalhydrauliccomputationformula,andgivesnewideasfordraindesignbyengineeringcases.Keywords：

3、drainpipe;water-carryingsection;includedangle;hydraulicelement;nonlinearfunction一般而言，城市雨水管道的设计，应按管道满流其中：n——管壁情况设计，但在实际设计过程中，根据设计流量选取粗糙度系数；的管径规格往往不能使管道在满流状况下输水，或者R——水力半径说雨水管道是逐步达到管道满流状态的。那么随着（m）；管道充满度的增加，管道内的流量、流速、水力半径等ω——过水断面2水力要素的变化是一个什么样的趋势呢？笔者在工面积（m）；程设计

4、中结合实际工程实例，对排水管道水力校核提I——水力坡度；图1过水断面夹角出看法。Q——设计流量3（m/s）。1传统的水力计算模式引入中间变量：管道过水断面夹角θ（见图1）。自行推导可得到：城市排水管网中的水流涨落不定，我们可以引入D2θD2π-θD2π-θω=π（—）·——+—sin———·—cos———22π2222排水管道设计采用的均匀流基本公式。2D1=—（θ-sinθ），（0，2π]Q=—ωR2/3I1/28n502009·12★★建设论坛★★CitiesandTownsConstructioninG

5、uangxi5/3-2/3水力半径和充满度分别为：抛开常数项，取g(θ)=(θ-sinθ)·θ，2/3-2/3-1Dθ1θ求导：g'(θ)=(θ-sinθ)·θ·[5(1-cosθ)/3-2θR=—（1-cos—），H/D=—（1-cos—）4222(θ-sinθ)/3]，再得出：2/3-2/3取g'(θ)=0，则(θ-sinθ)·θ=0或[5(1-cosθ)/-13-2θ(θ-sinθ)/3]=0，2/3-2/3当θ在（0，2π]时，(θ-sinθ)·θ=0无解；-1则由5(1-cosθ)/3-2θ(θ-s

6、inθ)/3=0得：3θ=5θcosθ-2sinθ，利用Excel对其进行分析。最后得到非线形函数：取y1=3θ，y2=5θcosθ-2sinθ，（0，2π]，如图2所示。很明显，直线y1和曲线y2相交，从而证明函数（fθ）传统的思维模式里，该函数具有惟一的θ解，或者在（0，2π]上有惟一的极值，那么（fθ）在（0，2π]上并用编程的方法可求出，然后分别求出实际流速v，管道非单调。我们继续利用Excel，求出θ最终落在充满度H/D等水力参数。（302.413516°，302.413520°）上。在这里笔者提出

7、疑问，此函数在（0，2π]上是否单调？是否具有唯一的θ解？下面我们通过数值试验3实验数据分析的模式来验证这个问题。从对函数的线形分析上，我们已经确定此函数在2对非线形函数的数值分析（0，2π]上并非单调，并且存在着极值，下面我们用数值实验的方式继续验证刚得出的结论。如果直接对非线形函数进行求导，分析其单调性在进行数值实验之前，先处理常数项，假设管径的话，计算过程比较繁琐；如果结合求导和图形的分D=1000mm，粗糙系数n=0.013，坡度i=0.01。析方法对其进行数值分析，就会直观明了。借用Excel求出θ

8、分别在0°、10°、20°…350°、对非线形函数：360°下的流量、流速和管道充满度等水公式变形得：力参数。从图3流量的变化曲线中，我们可以看出上述的非线形函数在（0，2π]上并非单调，它存在最大值，即流量Q取到最大值。通过对实验数据的分析，管道内过水量Q的最大值发生在θ=1.680π（取角度302.414°），即管道充满度在（0，0.938]上时，管道内的流量是逐渐增大的，并在管道充满度H/D=