雨水管道压力流与重力流区分

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1、2015年l0月第1O期城市道桥与防洪防洪排水8l一一雨水管道压力流与重力流区分争旦旦元绍建，陈娅倩f1．天津市市政工程设计研究院，天津市300051；2．天津市自来水集团津南水务有限公司，天津市300000)摘要：正确区分雨水管道重力流及压力流有助于准确地选择管道设计计算公式。分析发现当管道水力坡度，≤管道坡度i时，管道内水流态为重力流，当管道水力坡度管道坡度时，管道内水流态为压力流。D关键词：雨水管道；重力流；压力流；水力坡度；管道坡度；圣维南方程组中图分类号：TU992文献标志码：A文章编号：1

2、009—7716(2015)10—0081—030引言1雨水管道水力计算在雨水管道设计中，准确区分管道流态有助雨水管道设计，管道按满流、重力流计算。实于在管道计算中选择更为准确的计算公式。际上，在管道下游出口处无水位限制时，圆形管道排水管道计算都源于解圣维南方程组。该方的过流能力并非恰好满流时最大。以dl000mm，程组一般由两个方程组成，其一为连续性方程，其水力坡度j--o．001的钢筋混凝土管道为例分析不二是能量或动量守恒方程。根据水量计算出的管同充满度下管道的过流能力。径及其坡度是靠解该方程组而

3、来，该方程一维全管道流量q=vA，管道流速=R1／2(曼宁公凡微分形式如下：式)，水力半径尺=。式中：Ⅳ为粗糙系数；R为水力半径，1TI；．，为水力坡度；为过水断面面积，m；为湿周。根据管道内水深跟管径的比值，计算水力半在实际的设计工作中，对上述方程组做进一径和水流断面面积4。步简化，再根据不同情况加以区分。(1)重力流情况下(1)当水深h<时，如图1所示。某单根管道中，无外源接人，均匀流情况下，圣维南方程组简化为：1Iv1=V2=兰(管道上游入口v1与管道下游出v2)Ii=J=FI2vR叫(曼宁公式

4、)，1、(2)压力流情况下某单根管道中，无外源接人，均匀流情况下，圣维南方程组简化为：V：=号(管道上游入口与管道下游出口v2)圈1冗满度不葸一则有：=．，：告丢c达西公式’A=(O-sinOcosO)r2X=20r但是，重力流与压力流的区分往往容易造成混淆，下面的内容旨在区分重力流与压力流。则=—(O-sinOcosO)／收稿日期：2015—05—25作者简介：元绍建(1986一)，男，天津人，硕士，工程师，从事市政(2)当水深<时，如图2所示。给排水工程设计工作。82防洪排水城市道桥与防洪2015

5、年10月第l0期一味增加，而是达到一定充满度后过流能力有所降低，所以管道最大充满度时过流能力并非是最＆大的。原因在于在一定范围内，随管道充满度的增加，水体受管道内壁磨阻的影响逐渐变大，即需要克服的磨阻损失增加过快。那么若在相同的过流量情况下，需要克服的损失增加，那么水体的水力坡度J便会增加，直到水面超过管顶，水流由非满流变为满流。图2充满度示意二目前普遍认为水体到达管道顶端，是重力流A=r"IT—O+sinOcosO)r：的极限，也就是水体的测压管水头到达管顶后水X=2(订一O)r流变为压力流，但是个

6、人认为并非如此，下面做进则肚('tr-O+inOesO)r2一(s)o一步分析。2竹—r经计算得不同充满度时，管道过流能力，见表1。2雨水管道重力流与压力流区分表1管道过流能力表(rmO．014)首先给重力流与压力流定义，顾名思义，重力流是靠重力作为驱动力的水流状态，也就是在这种状态下，重力用以克服阻力做功。而压力流状态下仅靠重力做功无法满足阻力消耗的能量，为了维持水流动并达到特定状态下的管道流量，需要借助外力做功，即需要有额外的压力差做功，由图4分析如下。卜—～～4ll检查井二：：=l}l管道～～‘

7、_—--～二二：二～～～～12图4管道纵段截取(水流不受下游水位限制)将表1绘制成图3。在伯努利方程多项式中一般有三项z+卫+Pg—。第一个叫位置水头，第二个叫压力水头，第三三g个叫流速水头。如图4所示管道水流流速取自断面形心，为断面平均流速。假设管道内水流为均匀流，满足能量守恒。对已取自同一个基准面0—0的两个断面1—1、2—2，有：Z1+旦+=+旦++h，(4)Pg2gPg2g充满度／(h·D)式中：z、为两断面几何中心位置水头，其值等于图3充满度与管道过流能力关系曲线相应断面管心到0-0的距离；

8、p、P为两断几何中心位置至自由液面的压力值；为两段面间的水头从图3管道充满度与管道过流能力关系曲线损失值。知：管道的过流能力并非随管道充满度的增加而2015年l0月第10期城市道桥与防洪防洪排水83根据管道的连续性方程，对于在l—l、2—2两差才能克服磨阻等损失。这种情况为压力流。个断面间没有外界流量流入的情况，满足最简单现实中管道水流情况复杂，情况(1)并不少的连续性方程PI=P。见。当河道水位很高时，管道自身行洪过流能力再强，地面依然可能积水，此时不