第一章明渠水力计算
明渠水力计算分为明渠均匀流计算及明渠非均匀流计算，这不仅是渠道工程设计的主要计算项目，也是灌区水工建筑物设计中最基本的水力计算项目。在渡槽、涵洞、陡坡等建筑物的设计中，常需推算水面线，水面线的推算属于明渠非均匀流计算。消能计算中的下游尾水深计算及渡槽槽身的水力计算都是明渠均匀流计算；水面线计算中的正常水深也是按明渠均匀流计算。因此本书将首先在此简要介绍明渠水力计算。
第一节单式断面明渠均匀流水力计算
一、计算公式
明渠均匀流的基本计算公式如式(1—1)一式(1—3)；
二、计算类型
根据设计条件及要求，单式断面明渠均匀流一般可分为以下(种计算情况：
(1)已知设计流量、渠底比降及渠底宽，计算水深。
(2)已知设计流量，渠底比降及水深，计算渠底宽。
(3)已知设计流量及过水断面面积、计算渠底比降。
(4)已知过水断面面积及渠底比降，计算过水流量。
上述第(3)、(4)两种情况可由式(1—1)直接求得计算结果，但不是设计中的主要计算情况．第(1)、(2)两种情况，因式(1—1)中的w、R、C 等值均包含有渠底宽及
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水深两个未知数，因此不可能由式(1—1)简单求解，而需要经过反复试算才能得到计算结果，这两种是设计中常见的情况，为了减少计算工作量，过去多是借助有关的计算图表进行计算，现在则可采用电算。
三、算例
现以算例介绍单式断面明渠均匀流不同计算情况的计算方法和步骤。
[例1—1，已知某梯形断面渠槽的渠底宽为b＝1．5m，水深为h--3．2m，边坡系数
[例1—2] 已知某梯形断面渠槽的设计流量为Q＝20．07m^3／s，渠底宽为b--1．Sm，边坡系数为m--2．5，渠底比降i=1／7000，糙率为n=0．025。试计算渠道水深。
解：本倒不可能由式(1—1)一次算出水深，需通过假定不同的水深反复试算才能求得所需值。计算步骤是首先假定一个水深值，计算相应的w、R、C等值，然后按式(1—1)计算过水流量，如流量计算值小于设计流量，表明假定的水深偏小，再加大水深值重新计算；反之，则表明假定的水深偏大，再减小水深值重新计算，如此反复多次，直至按假定的水深计算的过水流量渐进等于设计流量时，该水深即为所求水深。
现假设水深为h=3．2m．
按例1—1步骤算得：w＝30．4(m^2)；R＝1．623(m)；C＝43．36(m^0.5／s)
按式(1—1)计算过水流量为：Q＝20．o?(mVs)
因上述流量计算值等于设计流量，表明假定的水深3．2m即为所求水深。本例省略了试算过程。
本例如是已知设计流量、渠道水深及渠底比降，要求计算确定渠底宽，也同样按上述步骤进行试算。
[“明渠均匀流水力计算程序”计算示例] 按例1—1及例1—2的基本资料，“明渠均匀流水力计算程序”的计算显示输出如下。
明渠均匀流水力计算
程序编制说明
(1)本程序用于明均匀的渠道过水断面计算及临界水深计算：
(2)程序可根据需要分别对以下5种情况进行计算
1)已知流量．渠废宣及比降，计算水深：
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第二章水闸过水能力(孔径)计算
第一节开敞式水闸过水能力(孔径)计算
平底开敞式水闸过闸水流的流态为宽顶堰流，根据SL265—2001《水闸设计规范》(以下简称《规范》)，其闸孔总净宽B。按式(2—1)一式(2—6)计算：
以上式中：B0为闸孔总净宽，m；Q为过闸流量，m^3/s;Hn为计入行近流速水头的闸上游水深(从闸底板顶面算起)，m；f为重力加速度，9．81m ／s^2；m为流量系数，闸底板与上游渠底相平时可采用0．335；E为侧收缩系数；6．为闸孔净宽，m；bi为上游河(渠)道—半水深处的宽度，m；N为闸孔数：c为中闸孔割收缩系数；Eb为边闸孔侧收缩系数；dx为中闸墩厚度，m；bb为边闸墩顺水流向边缘线至上游河(渠)道水边线之间的距离，m;o为宽顶堰流淹没系数；hs为从闸底板顶面算起的下游水深，m。
开敞式水闸的过水能力(孔径)计算一般有3种计算情况：
(1)已知设计流量，计算确定闸孔净宽及孔数。
(2)已知闸孔净宽及孔数，计算确定过水流量。
(3)已知设计流量及孔径，计算确定闸上游水深。
第1种是设计中常见的计算情况，因侧收缩系数与闸孔净宽、孔数、闸墩厚度等值有关，在孔径及孔数等值未确定前，侧收缩系数还是未知数，因此有一个试算过程；
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第2种属闸孔过水能力复核情况，可利用上列公式一次算得过闸流量：
第3种计算情况因淹没系数与闸上游水深有关，在闸上游水深未求出前，淹役系数也未知，因此这种情况也有一个试算过程。
以下以算例介绍各种情况平底开敝式水闸水力计算的方法和步骤。
[例2—1] 已知某平底开敞式节制闸的设计流量为Q＝86m^3／s从闸底板顶面算起的闸上游水深H=3．3m，从闸底扳顶面算起的闸下游水深hs＝2．8m，闸上游渠道底宽b＝12m，上游渠道边坡系数m1＝2．0，上游渠道水深同闸上游水深H，闸前行近流速V--1．42m／s，采用流量系数m=0．385．试计算确定闸孔总净宽Bo，并确定每孔净宽久及闸孔数N。
解：
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第三章水闸消能计算
第一节挖深式消力池计算
一、计算公式
根据SL265 2001《水闸设计规范》(以下简称《规范》)，挖深式消力池深度及长度按式(3—1)一式(3—7)计算(图3—1)：
以上式中：d为消力池深度，q为水跃淹没系数，可采用1．05一1．10；h″c为跃后水深，m；hc为收缩水深，m;刷为下游河(渠)床水深，m；a为水流动能校正系数，可采用1．0—1．05；q为单宽流量，式(3-2)及式(3 3)按消力池进口宽计算，式(3—4)按消力池出口宽计算，m^3／(m·s)；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m，T0为由消力池底板顶面(判别是否需要消能设施时由下游渠底)算起的上游总能头，m；y为上游行近流速，m/s；p为流速系数，一般采用为0．95；△Z为出池水位落差，m；Lij(为消力池长度，m；L3为消力池斜坡段水平投影长，m；B为水跃长度校正系数，可采用0．7～0．8；L，为水跃长度，m。
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当闸下游接陡坡渠道，渠道水深h′s小于临界水深hk，或泄水闸后无明显的排水沟道，消力池出口后水流呈无约束的漫流状，下游尾水深h′s 也可能小于临界水深hk。在这种情况下，应注意正确采用消力池的下游控制水位。消力池出口的流态相当于宽顶堰，消力池深度计算的边界条件即按宽顶堰考虑，当下游尾水深h′s大于临界水深时，相当于淹没式宽顶堰，消力池出口后(堰顶)的控制水深即为下游尾水深h′s；如果下游尾水深h′s 小于临界水深，则消力池出口的流态相当于非淹没宽顶堰，消力池出口后(堰顶)的控制水深不再是下游尾水深h′s，而应为临界水深hk，如果仍以下游尾水深h′s作为消力池出口后的控制水深，消力池深度的计算值将偏大。
矩形断面临界水深h′s由式(3—8)计算：
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第四章渡槽水力计算
第一节矩形断面渡槽水力计算
渡槽的水力计算分为槽身，进口及出口3部分。槽身一般按明渠均匀流计算，进口及出口各有关技术参考资料的计算方法有所不同，分别介绍如下。
一、计算公式
1．槽身水力计算公式
槽身一般按下列明渠均匀流公式计算：
以上式中：Q为设计流量，m^3／s；w为槽身过水断面面积，m^2；R为水力半径，m；X为湿周，m；i为槽底纵坡；c为谢才系数，m^0.5／s；n为糙率。
2．进9水头损失(水面降落)计算公式
(1)按淹没式宽顶堰流量公式计算。渡槽进口水流条件与淹没式宽顶堰相似，因此可采用淹没式宽顶堰的流量公式计算：
以上式中：E为侧收缩系数，一般可采用0．95；为流速系数，一般可采用0．95；g为重力加速度，其值为9．81m／s^2；z，为进口水头损失(水面降落)，m；Z0为包括行近流速水头在内的进口水头损失，m；V1为上游渠道流速，m／s；其余符号意义同前。
(2)按能量方程式计算。由进口段(图4—1)断面1—1(上游渠道断面)及断面2—2(槽身断面)列能量方程式，可得进口水头损失(水面降落)z，为：
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以上式中：V1为上游渠道流速，m／s；y为槽身流速，m／s；E1为进口水头损失系数，其值与进口连接段型式有关，可由表4—1查取；L1为进口渐变段长，m；J1为进口渐变段的平均水力坡度；R1为进口渐变段的平均水力半径，m；C1为进口渐变段的平均谢才系数，m^0.5／s；其余
符号意义同前。
式中：Z1为侧收缩引起的进口水面降落，m；k为闸墩头形状系数，半圆形墩头可取为0．9;a为中隔墙总厚度与槽身净宽(即进口渐变段末端净宽)之比；m为束窄断面的流速水头与水深之比；V为槽内流速，m／s。
3．出口水位回升计算公式
(1)按与进口水头损失(水面降落)的关系计算。根据实际观测资料，出口水面回升值Zz与进口水头损失值Z1有一定关系，进口水头损失越大，出口水位回升也越大。一般在进口水头损失按淹没式宽顶堰公式计算时，出口水位回升Z：近似按式(4—10)计算：
式中：Z2为出口水位回升，m；V2为下游渠道流速，m／s；E2为出口水头损失系数，其值与出口连接段型式有关，可由表4—1查取；L2为出口渐变段长，m；R2为出口渐变段的平均水力半径，m；C2为出口渐变段的平均谢才系数，m^0.5／s；其余符号意义同前。
式(4—7)及式(4—12)较一般计算进口水头损失及出口水位回升时增加一项渐变段的沿程摩阻捐失，因其值在总水头损失中所占比例很小，一般在计算时多忽略不计，而
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第五章倒虹吸管水力计算
第一节矩形断面倒虹吸管水力计算
一、计算公式
倒虹吸管为压力管流，各有关技术参考资料的倒虹吸管水力计算公式有一定出入，分别介绍如下。
1．《水力计算手册》的计算公式
以上式中：AZ为倒虹吸管总水头损失(上下游渠道水位差)，m;△Z1为进口渐变段水头损失(水面降落)，m;△Z2为进口渐变段末端至管出口断面的臂身水头损失(水面降落)，m;△Z3为出口渐变段水面回升，m;V1为上游渠道平均流速，m／s；v2为进口渐变段末端流速，m／s;V为管身流速，m／s;V3为下游渠道平均流速，m／s；w1为上游渠道过水断面，m^2；w2为进口渐变段末端过水断面，m^2；w为管身断面，m^2；w3为下游渠道过水断面，m^2；L，为管身计算段长度，m：Ri为管身计算段水力半径，m；Ci为管身计算段谢才系数，m^0.5／s；E1为进口渐变段的局部水头损失系数；E2为出口渐变段的局部水头损失系数；Ei为管道局部水头损失系数，分别为拦污栅水头局部头损失系数E3、闸门槽局部水头损失系数E4、管进口局部水头损失系数E5、管身弯道局部水头损失系数E6等。
各项局部水头损失系数分别采用如下：
(1)进、出口渐变段局部水头损失系数E1及E2。进、出口渐变段局部水头损失系数E1及E2按表5—1选用。
(2)拦污栅局部水头损失系数E3。拦污栅局部水头损失系数6按式(5—5)计算：
E3＝B(s／b)^4/3sina(5—5)
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式中：B为栅条形状系数，矩形断面为2．42，圆形断面为1．79，方圆形断面为1．67；s为栅条宽度，cm；b为栅条间距，cm；a为拦污栅与水平面夹角。
(3)闸门槽局部水头损失系数E4。闸门槽局部水头损失系数E4一般可采用0．05～0．2。
(4)管进口局部水头损失系数E5。进口局部水头损失系数E可按表5—2采用，
(5)管身弯道局部水头损失系数E6。压力管弯道局部水头损失系数的计算公式较多，计算值差别很大．《水力计算手册》的表1—3—4中只列有圆形缓弯管及圆形急弯管的弯道局部水头损失系数计算公式。对于矩形断面倒虹吸管的弯道局部水头损失系数，笔者认为宜采用《水工设计手册》的矩形管道缓弯公式(3—4-45)一式(3 4—48)计算(图5-1),
2．《水工设计手册》的计算公式
(水工设计手册》介绍的计算公式与<水力计算手册》的主要差别为；
(1)在计算倒虹吸管总水头损失△Z时，《水工设计手册》的公式没有考虑进口渐变段的水面降落△Z1及出口渐变段的水面回升△Z3，即倒虹吸管总水头损失△Z就等于上述管身段的水头损失△Z2；
(2)在管身段的水头损失计算中，二者对管出口局部水头损失系数的采用有所不同．
按《水工设计手册》的“倒虹吸管水力计算提示”，则其采用的出口局部水头损失系数近似为1．0。
3．“灌区水工建筑物丛书”及“取水输水建筑物丛书”的《倒虹吸营》也基本上采用了与《水工设计手册》相同的计算方法，与其不同之处为：
(1)按式(5-7)计算出口局部水头损失系数E出：
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第六章沉沙条渠的水力计算及泥沙计算
第一节沉沙条渠的工程布置及运用方式
一、沉沙条渠的工程布置
沉沙条渠是利用低洼地带的天然地形修筑围堤而成。为了使泥沙的淤积比较均匀，沉沙条渠一般多采用梭形布置。棱形沉沙条渠平面布置一般包括上段(扩散段)、中段(等宽段)及下段(收缩段)3部分。沉沙条渠的进口与出口分别与上游输水渠道及下游输水渠道连接，进出口根据运用情况，可设置闸门或不设置闸门，不设置闸门的进出口，也应修建永久性的宽顶堰式过水建筑物。
横形沉沙条渠中段的底宽月主要根据流量Q确定，一般B值不宜小于2Q，否则流速可能偏大而使沉沙效串偏低，或所需条渠过长；但也不宜太宽，否则流速太小使沉沙效率过高而减少沉沙条渠的使用寿命，同时还可能使横向落淤不均匀而影响沉沙池的运用效果．根据沉沙条渠设计运用的实践经验，沉沙条渠中段的底宽以使在落淤前的断面平均流速为0．1m／s左右比较合适。沉沙条渠的总长L应与底宽B相适应，其值取决于流量及底宽，长度偏短沉沙效串达不到要求，而过长时条渠下段落淤量很少，有效容积不能充分利用。根据沉沙条渠设计运用的实贱经验，沉沙条渠的总长可参考表6—1的关系值确定。
扩散段的底宽由进水口的宽度逐渐扩散至中段底宽，收缩段底宽由中段底宽逐渐收缩至出水口的宽度，扩散段的扩散角及收缩段的收缩角一般采用10度一15度，以此确定上段(扩散段)与下段(收缩段)的长度。沉沙条渠围堤的边坡系数根据筑堤土料性质确定，—般采用边坡系数为m=2—3。
校形沉沙条渠平面布置示意见图6—1。
沉沙条渠纵剖面布置的特点是，条渠的渠底即原地面，各部位底部高程即原地面高程，由于地面高程的不规则，因此沿条渠的渠底高程变化也没有规律，渠底纵向不能用一个单一的比降值表示，改计中应根据实测地形确定沿渠轴线各计算截面的渠底高程，为了简化汁算，各计算截面的横向按底部高程相等的水平底考虑。有时为了增加沉沙容积，采取以挖待沉的方式，在原地面以下再开挖一定的深度，在这种情况厂，渠底也可按有规则
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的设计比降开挖。沉沙条渠的水深取决于渠底的地面高程及上下游输水渠道的水力要京，一般接近或略小于与输水渠道的设计水深。以挖待沉方式的沉沙条渠水深则可能大干输水渠道的设计水深。
二、沉沙条渠设计运行的控制条件及水面线变化
(1)沉沙条渠出口断面控制水位及进口断面控制水位是沉沙条渠运行期间的控制水位，也是沉沙条渠设计的基本控制条件。条渠出口断面控制水位根据出水口下游输水渠道水位确定，在按设计流量输水时，出水口下游的输水渠道水位为定值，其值加条渠出水口的水头损失△Z出即为条渠出口断面控制水位，在沉沙条渠按设计流量输水的整个运行期间，值基本不变，虽然条渠内的淤积会改变出水口的水头损失△Z出，但田条渠末端及出水口前一般淤积厚度较小，对出水口的水头损失影响不大，为简化计算，因此可认为在沉沙条渠按设计流量输水的整个运行期间，也为定值；条渠进口断面控制水位根据进水口上游输水渠道水位上确定，在按设计流量输水时，进水口上游的输水渠道水位也为定值，其值减条渠进水口的水头损失△Z 进即为条渠进口断面控制水位。
(2)在沉沙条渠按设计流量轴水的整个运行期间，条渠进口断面的实际水位是不断变化的。由于在运行初期的条渠流速及沿程水头损失很小，水面比降很缓，一般约为1／5万～1／10万，相应条渠进口断面的实际水位远远低于进口断面控制水位。随着运行期的延长，落淤量及淤积厚度的增加，条渠流速及沿程水头损失逐渐加大，条渠进口断面的实际水位也相应逐渐增高。条渠运行初期水面线的连接示意图见图6—2。
(3)当落淤量及淤积厚度不断增加，条渠流速及沿程水头损失逐渐加大至条渠进口断面的实际水位达到进口断面控制水位时，表明此条渠正常运行的使用周期结束，需要进行清淤，或有条件时轮换使用另一沉沙条渠。条渠运行末期水面线的连接示意图见图6—2。
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第七章水闸稳定计算及闸底板结构计算
水闸稳定计算主要有沿闸室基底面的抗滑稳定计算及闸室基底应力计算等。闸室的基底应力是底板结构计算的基本荷载之一，底板的结构计算是在闸室稳定汁算结果的基础上进行的，因此在设计中往往同时进行闸室稳定计算及底板结构计算。
第一节闸室稳定计算
一、抗滑稳定计算
闸室的抗滑稳定计算，一般以闸门挡水时，闸门上游最大水深及下游无水作为计算控制条件。按SL265—2001《水闸设计规范》(以下简称《规范》)，土基上沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数按式(7—1)计算；
二、基底应力计算
按《规范》，当结构布置及受力情况对称时，闸室地基应力按式(7—2)计算：
式中：Pmax及Pmin分别为闸室基底的最大应力及最小应力，kN／m^2；∑G为作用于闸室的垂直力总和，kN；∑M为各力对基底面垂直水流方向的彤心轴的力矩总和，kN·m；A为基底面积，m2；w为基底面对于该底面垂直水流向的形心轴的截面矩，m^3。
《规范》规定，闸室基底平均应力应不大于地基允许承载力，最大基底应力应不大于地基允许承载力的1．2倍。
闸室基底应力不均匀系数揎式(7—3)计算，
式中：v为闸室基底应力不均匀系数；其余符号意义同前。
基底应力不均匀系数不应大干《规范》表7．3．5的允许值。
闸室抗滑稳定计算及地基应力计算的方法步骤详见例7—1。
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第二节闸底板结构计算
闸底板的结构计算包括内力计算及钢筋计算。大中型水闸底板的内力多按弹性地基粱法中的郭式查表法计算。计算步骤主要为；
(1)结合闸室稳定计算确定各种情况时的基底应力。
(2)分别计算各种情况时门槛上游截面及门槛下游截面的各种作用荷载，在集中力及均布荷载的计算中还包括不平衡剪力的计算。
(3)计算确定作用于底板板条的集中力及集中力矩作用位置。
(4)根据底板板条的结构尺寸，以及地基土的变形模量和底板材料的弹性模量，计算底板柔度指数。
(5)根据底板柔度指数及荷载作用点的相对位置，由“弯矩系数表”查取与各种荷载相应的弯矩系数。
(6)根据弯矩系数及荷载值，分别列表计算不同情况各种荷载的各截面弯矩值。
(7)计算不同情况各截面在各种荷载作用下的弯矩和。
关于门槛上游截面及门槛下游截面的不平衡剪力及闸墩闸墙集中力的确定，一般有2种计算方法：
(1)计算闸墩及闸墙底部压力时，按门槛上游段及门槛下游段分别计算，两段各根据其段长及作用的垂直荷载(自重及其他荷载)总和计算增墙底部的平均压力，即每段所有截面作用于底板的墩墙底部压力均相等，以门槛处截面为界，门槛上游段与门槛下游段墩墙底部的压力呈一级阶梯形分布。不平衡剪力也是分别按门槛上游段及门槛下游段，根据各段向下的荷载总和与向上的荷载总和之差丑段长计算。
(2)与计算闸室基底应力的方法相似，按闸墩及闸墙底部压力也呈直线形连续分布的原则，根据全段闸墩(墙)各部位的垂直荷载(包括自重与其他荷载)及闸门挡水时的水平水压力，计算全段闸墩及闸墙底部呈梯形连续分布的压力，这样，每段各截面作用于底板的墩墙底部压力不相等。不平衡剪力的计算原则也与此相同。底板内力计算时，门槛上游截面及门槛下游截面的位置均取在门槛截面处。
上述2种计算方法的底板内力计算结果略有不同，但出入不大，笔者认为第2种计算方法似更合理些，在以下的算例中即按此计算。
水闸稳定计算及按弹性地基粱法中的郭式查表法进行底板结构计算的方法步骤详见以下算例。
第三节算例
[例7-1] 某平板闸门节制闸，3／L，每孔净宽Ba＝3．0m，中墩厚B1＝0．8m，闸墙厚Bz--0．8m，闸室垂直水流向总宽B--2L＝12．2m(L 为按弹性基础梁计算时的底板板条半长)；闸底板厚D＝0．5m；闸室顺水流向长L＝9．0m，其中从门槽(门槛)上游边算起的上游段长L1＝5．9m，下游段长L2=3．1m；门槛处墩墙高D1＝4．0m；交通桥作
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第八章基础沉降计算
第一节计算公式及计算方法
一、最终沉降量计算公式
土基上的涵、闸等基础，需进行地基沉降量及沉降差计算。按SL265—2001《水闸设计规范》(以下简称《规范》)，地基最终沉降量采用分层总和法按式(8—1)计算：
为基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；e2i为基础底面以下第i层土在平均自重应力加平均附加应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；hi为基础底面以下第i层土的厚度，m;m为地基沉降量修正系数，可采用1．0一1．6(坚实地基取较小值，软土地基取较大值)．
基底以下压缩上层分层的原则为：性质不同土层的分界面应为分层面；地下水位面应为分层面；每个分层厚度一般不大于0．4倍基础宽度，基底以下1倍基础宽度的深度范围内分层应较薄。
《规范》规定，土质地基压缩层计算深度可按计算层面处土的附加应力与自重应力之比为0．1一0．2(软土地基取小值，坚实地基取大值)的条件确定(图8—1)。
每个沉降计算断面一般可沿基底宽按4等分取5个计算点进行计算，计算点1、5分别为最小压力边及最大压力边，计算点3为基底中点(图8—2)。
根据各计算点的沉降计算结果，可绘制计算断面的沉降线，如图8—2中的abcde线，然后考虑结构刚性的影响进行适当调整，调整的方法是：连接ae线，作ae的平行线fg，并使面积afge等于面积abcde，则fg即为调整后的沉降线，从而可求得各计算点新的沉降量，各计算点沉降量的平均值即为该底板的沉降量。
按《规范》，土质地基的沉降量不宜超过15cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5cm。
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以上式中：ov为竖向均布荷载作用时的附加应力，kN／m^2；几为基底竖向均布荷载，kN／m^2；os为竖向三角形荷载作用时的附加应力，kN ／m^2；Ps为基底竖向三角形荷载的最大强度值，kN／m^2；。”为水平向均布荷载作用时的附加应力，kN／m^2；P。为基底水平向均布荷载，kN／m^2；o″为各种荷载作用的附加应力总和，kN／m^2；x1、x2、X3为附加应力计算系数，可根据计算点的位置及计算层深度，分别由《规范》表J．0．1～表J．0．3查取，也可分别按式(8—7)～式(8—12)计算(参见《规范》表J．0．1～表J．0．3及《水工设计手册》表25—5—6～表25—5—8)。
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第九章矩形断面渡槽结构计算
第一节不带横杆的矩形断面渡槽结构计算
一、槽身横向内力计算公式
不带横杆的矩形断面槽身横向计算包括侧墙及底板两部分．侧墙按底部为固端的悬臂板计算；底板按两端以竖向支承链杆支承于侧墙底部的板计算，除承受水荷载及自重作用外，两端还作用有侧墙传来的端弯矩及轴向拉力．
1．侧墙内力计算公式
水面以下侧墙各截面弯矩按下列公式计算(图9—1)：
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二、槽身横向钢筋混凝土结构计算
槽身横向钢筋混凝土结构计算分为侧墙及底板两部分。
侧墙一般按受弯构件计算，墙身较低时，可以墙底截面最大弯矩作为全墙的计算控制弯矩，墙身较高时，宜分别按墙底、半墙高等截面的弯矩分段计算布置钢筋。侧墙计算的控制工况为校核水深或满槽水时。
底板按偏心受拉构件计算。计算控制截面为端部截面及跨中截面，端部截面的最大正弯矩控制底板上层钢筋布置，跨中截面的最大负弯矩控制底板下层钢筋布置。如槽身较宽，还应进行1／4槽跨截面的计算，以使底板的钢筋布置更加经济合理。底板端部截面的控制工况与侧墙相同，为校核水深或满槽水时；底板跨中截面的控制工况为水深近似等于1／2槽宽时，此时底板跨巾截面的负弯矩最大(满槽水时底板跨中截面的负弯矩矩最小)．因此底板结构计算时，除需计算设计及校核水深时的内力外，还应计算水深近似等于1／2槽宽时的内力。
以下以算例介绍槽身横向内力及钢筋混凝土结构计算的方法和步骤。
三、槽身横向内力及钢筋混凝土结构计算算例
[例9—1] 某钢筋混凝土不带横杆的矩形断面渡槽净宽B＝3．2m，侧墙净高H＝3.3m，底板厚t2＝0．4m，侧墙底宽t1＝0．4m，顶宽23＝0．2m，墙顶悬臂板长a=0．8m，
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第十章U形薄壳渡槽结构计算
第一节槽身横向结构计算
一、槽身横向内力计算公式
槽身横向计算一般是将槽壳作为一次超静定的铰接曲杆框架结构，用力法先求出横杆的多余未知力，然后利用静力平衡方程式计算各截面的弯矩及轴向力。有关计算公式及计算方法可参见参考文献[2]和参考文献[4]，主要计算公式介绍如下(图10—1)。
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P、槽顶弯矩Mo、自重、水压力，剪应力在O点引起的变位；t为槽壁厚度，m;R为壳槽平均半径，m;h为圆心至横杆中心的高度，叫Al为圆心至水面的高度，m；h2为水面至横杆中心的高度，m；f为壳槽直段高度，m；K为截面重心至圆心的高度，m；AI为槽顶荷载作用弯矩，kN·m; T 为壳槽直段及顶部加厚部分的剪力，kN；I为壳槽对重心轴的惯性矩，m4；a及b为槽顶加厚加高值，m；y为水的重度，kN／m^33；yA为钢筋混凝土重度，kN／m^3；q为单位长度壳槽的全部荷载，kN／m;y1壳槽顶面至重心轴的距离，m。
2．截面弯矩计算公式
各截面弯矩M按下式计算：
剪应力及xt力作用的弯矩。
直段部分及圆弧部分分别按下列公式汁算。
直段部分：
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。
流体力学第五章压力管路的水力计算
第五章压力管路的水力计算 主要内容 长管水力计算 短管水力计算 串并联管路和分支管路 孔口和管嘴出流 基本概念： 1、压力管路：在一定压差下，液流充满全管的流动管路。（管路中的压强可以大于大气压，也可以小于大气压） 注：输送气体的管路都是压力管路。 2、分类： 按管路的结构特点，分为 简单管路：等径无分支 复杂管路：串联、并联、分支 按能量比例大小，分为 长管：和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失可以忽略的流动管路。短管：流速水头和局部水头损失不能忽略的流动管路。
第一节管路的特性曲线 一、定义：水头损失与流量的关系曲线称为管路的特性曲线。 二、特性曲线 l l L g V d L g V d l l g V d l d l g V d l g V h h h f j w + = = + = ?? ? ? ? ? + = + = + = 当 当 当 其中， 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 λ λ λ λ λ ζ （1） 把2 4 d Q A Q V π = = 代入上式得： 2 2 5 2 2 2 28 4 2 1 2 Q Q d g L d Q g d L g V d L h w α π λ π λ λ= = ? ? ? ? ? = = （2） 把上式绘成曲线得图。 第二节长管的水力计算 一、简单长管 1、定义：由许多管径相同的管子组成的长输管路，且沿程损失较大、局部损失 较小，计算时可忽略局部损失和流速水头。 2、计算公式：简单长管一般计算涉及公式 2 2 1 1 A V A V=（3） f h p z p z+ + + γ γ 2 2 1 1 ＝ （4） g V D L h f2 2 λ = （5） 说明：有时为了计算方便，h f的计算采用如下形式：
压力与流速的计算公式 没有“压力与流速的计算公式”。流体力学里倒是有一些类似的计算公式，那是附加了很多苛刻的条件的，而且适用的范围也很小。 1，压力与流速并不成比例关系，随着压力差、管径、断面形状、有无拐弯、管壁的粗糙度、是否等径/流体的粘度属性……，无法确定压力与流速的关系。2，如果你要确保流速，建议你安装流量计和调节阀。也可以考虑定容输送。要使流体流动，必须要有压力差（注意：不是压力！），但并不是压力差越大流速就一定越大。当你把调节阀关小后，你会发现阀前后的压力差更大，但流量却更小。 管道的水力计算包括长管水力计算和短管水力计算。区别是后者在计算时忽略了局部水头损失，只考虑沿程水头损失。（水头损失可以理解为固体相对运动的摩擦力） 以常用的长管自由出流为例，则计算公式为 H=(v^2*L)/(C^2*R), 其中H为水头，可以由压力换算， L是管的长度， v是管道出流的流速， R是水力半径R=管道断面面积/内壁周长=r/2， C是谢才系数C=R^(1/6)/n， n是糙率，其大小视管壁光洁程度，光滑管至污秽管在0.011至0.014之间取
列举五种判别明渠水流三种流态的方法 [ 标签：明渠,水流,方法 ] （1）明渠水流的分类 明渠恒定均匀流 明渠恒定非均匀流 明渠非恒定非均匀流 明渠非恒定均匀流在自然界是不可能出现的。 明渠非均匀流根据其流线不平行和弯曲的程度，又可以分为渐变流和急变流。（2）明渠梯形断面水力要素的计算公式： 水面宽度 B = b+2 mh （5—1） 过水断面面积 A =（b+ mh）h （5—2） 湿周（5—3） 水力半径（5—4）式中：b为梯形断面底宽，m为梯形断面边坡系数，h为梯形断面水深。 （3）当渠道的断面形状和尺寸沿流程不变的长直渠道我们称为棱柱体渠道。
室内热水供暖系统的水力计算 本章重点 ? 热水供热系统水力计算基本原理。 ? 重力循环热水供热系统水力计算基本原理。 ? 机械循环热水供热系统水力计算基本原理。 本章难点 ? 水力计算方法。 ? 最不利循环。 第一节热水供暖系统管路水力计算的基本原理 一、热水供暖系统管路水力计算的基本公式 当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间的摩擦，就要损失能量；而当流体流过管道的一些附件 ( 如阀门、弯头、三通、散热器等 ) 时，由于流动方向或速度的改变，产生局部旋涡和撞击，也要损失能量。前者称为沿程损失，后者称为局部损失。因此，热水供暖系统中计算管段的压力损失，可用下式表示： Δ P ＝Δ P y + Δ P i ＝R l + Δ P i Pa 〔 4 — 1 〕 式中Δ P ——计算管段的压力损失， Pa ；
Δ P y ——计算管段的沿程损失， Pa ； Δ P i ——计算管段的局部损失， Pa ； R ——每米管长的沿程损失， Pa ／ m ； l ——管段长度， m 。 在管路的水力计算中，通常把管路中水流量和管径都没有改变的一段管子称为一个计算管段。任何一个热水供暖系统的管路都是由许多串联或并联的计算管段组成的。 每米管长的沿程损失 ( 比摩阻 ) ，可用流体力学的达西．维斯巴赫公式进行计算 Pa/m （ 4 — 2 ） 式中一一管段的摩擦阻力系数； d ——管子内径， m ； ——热媒在管道内的流速， m ／ s ； 一热媒的密度， kg ／ m 3 。 在热水供暖系统中推荐使用的一些计算摩擦阻力系数值的公式如下： ( — ) 层流流动 当 Re ＜ 2320 时，可按下式计算；
1．高压、中压燃气管道水力计算公式： Z T T d Q L P P 0 5 210 2 2 2 110 27.1ρ λ ?=- 式中：P 1 — 燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa ）； P 2 — 燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa ）； Q — 燃气管道的计算流量（m 3/h ）； L — 燃气管道的计算长度（km ）； d — 管道内径（mm ）； ρ — 燃气的密度（kg/m 3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m 3。 Ｚ — 压缩因子，燃气压力小于1.2MPa （表压）时取1； Ｔ — 设计中所采用的燃气温度（K ）； Ｔ0 — 273.15（K ）。 λ— 燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： 25 .06811.0??? ? ??+ =e R d K λ K — 管道内表面的当量绝对粗糙度（mm ）；对于钢管，输送天然 气和液化石油气时取0.1mm ，输送人工煤气时取0.15mm 。 R e — 雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩擦 力)Fm 之比称为雷诺数。用符号Re 表示。层流状态，R e ≤ 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力1P ，燃气管道的计算长度L ，燃气密度ρ，燃气温度T ，压缩因子Z 为已知量，燃气管道终点的压力2P ，燃气管道的计算流量Q ，燃气管道内径d 为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。 如燃气管道终点的压力2P 的计算公式为： ZL T T d Q P P 0 5 210 2 1210 27.1ρ ?-= 某DN100中压输气管道长0.19km ，起点压力0.3MPa ，最大流量1060 m 3/h ，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力2P =0.29MPa 。
第五章明渠水流水力计算（二） 一、是非题 1、陡坡上出现均匀流必为急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。 2、陡坡上可以出现均匀的缓流。 3、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。 4、缓坡上只能出现非均匀流缓流。 5、平坡渠道中不可能发生均匀流。 6、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。 7、水跃只能发生于平底明渠中。 二、选择题 1、共轭水深是指 （1）水跃的跃前水深与跃后水深 （2）溢流坝下游水流收缩断面水深 （3）均匀流水深 （4）临界水深 2、平底棱柱形明渠发生水跃，其水跃函数J(1h)与J(2h)的关系是 （1）J(1h)= J(2h) （2）J(1h)>J(2h) （3）J(1h) 流量与管径、压力、流速的一般关系 一般工程上计算时，水管路，压力常见为0.1--0.6MPa，水在水管中流速在1--3米/秒，常取1.5米/秒。 流量=管截面积X流速=0.002827X管内径的平方X流速(立方米/小时)。 其中，管内径单位：mm ，流速单位：米/秒，饱和蒸汽的公式与水相同，只是流速一般取20--40米/秒。 水头损失计算Chezy 公式 这里： Q ——断面水流量（m3/s） C ——Chezy糙率系数（m1/2/s） A ——断面面积（m2） R ——水力半径（m） S ——水力坡度（m/m） 根据需要也可以变换为其它表示方法: Darcy-Weisbach公式 由于 这里： h f——沿程水头损失（mm3/s） f ——Darcy-Weisbach水头损失系数（无量纲） l ——管道长度（m） d ——管道内径（mm） v ——管道流速（m/s） g ——重力加速度（m/s2） 水力计算是输配水管道设计的核心，其实质就是在保证用户水量、水压安全的条件下，通过水力计算优化设计方案，选择合适的管材和确经济管径。输配水管道水力计算包含沿程水头损失和局部水头损失，而局部水头损失一般仅为沿程水头损失的5~10%，因此本文主要研究、探讨管道沿程水头损失的计算方法。 1.1 管道常用沿程水头损失计算公式及适用条件 管道沿程水头损失是水流摩阻做功消耗的能量，不同的水流流态，遵循不同的规律，计算方法也不一样。输配水管道水流流态都处在紊流区，紊流区水流的阻力是水的粘滞力及水流速度与压强脉动的结果。紊流又根据阻力特征划分为水力光滑区、过渡区、粗糙区。管道沿程水头损失计算公式都有适用范围和条件，一般都以水流阻力特征区划分。 水流阻力特征区的判别方法，工程设计宜采用数值做 巧用Excel 解决梯形断面明渠均匀流的水力计算 【摘要】目前，计算明渠均匀流水力计算一般通过反复试算或图解解决，不便实际应用，本文巧用Excel 软件的“规划求解”功能，提出新颖又方便的统一解决方案。 【关键词】梯形断面 明渠均匀流 规划求解 水力计算 1 问题的提出 在对灌、涝区工程进行规划设计中，常常要对人工渠道以及天然河道的某些流段进行水力计算，在实际应用中，一般大致近似地将它们视为均匀流，采用公式为： Q=CA Ri (1) 式中 Q ??设计流量，m 3/s C ??谢才系数，m 1/2/s A ??过水断面面积，m 2 R ??水力半径，m i ??底坡 式（１）中包含流量Ｑ，底坡i ，糙率n ，断面要素Ａ和Ｒ。对于梯形渠道，Ａ、Ｒ是水深h ，渠底宽度b ，边坡系数m 的变量。 A=(b+mh)h (2) χ=b+2h 2 1m + (3) R=A/χ=(b+mh)h ／(b+2h 2 1m +) (4) 将式（2）、（4）代入式（1），整理得梯形断面渠道均匀流水力计算公式： Q= f (m ， b ， h ， i ， n) Q= 3 2 2 35 2 1] 12[] )[(m h b n h mh b i +++ (5) 这里共有6个变量，水力计算也就是给定这6个变量中的其中5个，解算另一个。利用式（5）计算主要存在以下问题： 1）计算过程繁复。例如求解h或b，式（5）为h、b的高次隐函数，无法直接求解，只能反复试算逐次逼近求解，费时费力。 2）如果采用图解法，需借助在关资料上已制好的图求解，计算过程受资料束缚，极不方便。 3）公式（5）不能同时求解2个以上变量。 鉴于以上问题，本文借助计算机中普遍存在的Excel软件的“规划求解”功能，介绍一种统一的解决方法。 2 “规划求解”功能介绍及建立模型 Excel中的“规划求解”，是对数学模型g = f (x1，x2，…x n) (其中f为目标函数，x1，x2，…x n为变量)，通过一定的算法，在一定的约束条件下，寻求（或调整）一个或几个变量的数值，使目标函数得到期望的结果。其中目标函数所在的单元格称为目标单元格，待求变量所在的单元格称为可变单元格。在此，我们将以流量Q为目标值，如附图所示建立“规划求解”模型。在目标单元格F2预先输入目标函数公式（即求目标值Q的公式：“=D2^(1/2)*((B2+A2*C2)*C2)^(5/3)/(E2*(B2+2*C2*(1+A2^2)^(1/2))^(2/3) )”，另外，为求过流面积A，也可在G2单元格中输入过流面积A的公式：“=(B2+A2*C2)*C2”。 附图在Excel工作表中建立“规划求解”模型 3 简单算例 水力计算公式选用 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 长距离输水管道水力计算公式的选用 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： g d 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 .4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中h f ------------沿程损失，m λ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，m d-----管道计算内径，m g----重力加速度，m/s 2 C----谢才系数 i----水力坡降； R ―――水力半径，m Q ―――管道流量m/s 2 v----流速 m/s C 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）公式均是针对工业管道条件计算λ值的着名经验公式。 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( 21 λ λ +?*-=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 输水管道水力计算公式 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： g d 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 .4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中 h f -----------沿程损失，m λ----------沿程阻力系数 l -----------管段长度，m d-----------管道计算内径，m g-----------重力加速度，m/s 2 C-----------谢才系数 i------------水力坡降； R-----------水力半径，m Q-----------管道流量m/s 2 v------------流速 m/s C n -----------海澄―威廉系数 其中达西公式、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 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（C.F.COLEBROOK ）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1.3*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.该公式在国内运用较广. 柯列勃洛可公式)Re 51.27.3lg(21 λ λ+?*-=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 第三章管道的水力计算及强度计算 第一节管道的流速和流量 流体最基本的特征就是它受外力或重力的作用便产生流动。如图3—1所示装置，如把管道中的阀门打开，水箱内的水受重力作用，以一定的流速通过管道流出。如果水箱内的水位始终保持不变，那么管道中的流速也自始至终保持不变。管道中的水流速度有多大?每小时通过管道的流量是多少?这些都是实际工作中经常遇到的问题。 图3—1水在管道内的流动 为了研究流体在管道内流动的速度和流量，这里先引出过流断面的概念。图3—2为水通过管道流动的两个断面1—1及2—2，过流断面指的是垂直于流体流动方向上流体所通过的管道断面，其断面面积用符号A来表示，它的单位为m2或cm2。 图32管流的过流断面 a)满流b)不满流 流量是指单位时间内，通过过流断面的流体体积。以符号q v表示，其单位为m3／h，cm3／h或m3／s，cm3／s。 流速是指单位时间内，流体流动所通过的距离。以符号。表示，其单位为m／s或cm ／s。 图3—3管流中流速、流量、过流断面关系示意图 流量、流速与过流断面之间的关系如下： 以水在管道中流动为例，如图3—3所示，在管段上取过流断面1—1，如果在单位时间内水从断面1—1流到断面2—2，那么断面1—1和断面2—2所包围的管段的体积即为单位时间内通过过流断面1—1时水的流量q v，而断面1—1和断面2—2之间的距离就是单位时间内水流所通过的路程，即流速。 由上可知，流量、流速和过流断面之间的关系式为 q v=vA (3—1) 式(3—1)叫做流量公式，它说明流体在管道中流动时，流速、流量和过流断面三者之间的相互关系，即流量等于流速与过流断面面积的乘积。如果在一段输水管道中，各过流断面的面积及所输送的水量一定，即在管道中途没有支管与其连接，既没有水流出，也没有水流入，那么管道内各过流断面的水流速度也不会变化；若管段的管径是变化的(即过流断面的面积A是变化的)，那么管段中各过流断面处的流速也随着管径的变化而变化。当管径减小时，流速增大；而当管径增大时，流速即减小。然而，当流速一定时，流量的变化随管径成几何倍数变化，而不是按算术倍数变化。因为在管流中，管道的过流断面面积与管径的平方成正比。也就是说，管径扩大到原来的2倍、3倍、4倍时，面积增加到原来的4倍、9倍、16倍。如DN50mm的管子过流断面面积是DN25mm的管子的4倍，那么在流速相等的条件下，DN50mm管子中所通过的流量即是DN25mm管子的4倍；同理，DNlOOmm的管道内所通过的流量应是DN25mm管子的16倍。在日常施工中，常有人认为在流速一定时，管径之比就是所输送的流量之比，这无疑是错误的。 以上提到的以m3／h和cm3／s等为单位的流量又称为体积流量。如果指的是在单位时间内通过过流断面的流体质量时，该流量则称为质量流量，以符号qm表示，常采用的单位为kg／h或kg／s。质量流量与体积流量之间的关系为 qm=ρq v 而由式(3—1)知 q v=vA 则 q m=ρvA (3—2) 式中q m——质量流量(kg/s)； ρ——流体的密度，即单位体积流体的质量(ks／m3)； V——流体通过过流断面的平均流速(m／s)； A——过流断面面积(m2)。 例管径为DNlOOmm的管子，输送介质的流速为lm／s时，其小时流量为多少? 解DNlOOmm管子的过流断面面积为 A=πD3/4=3.14×0.12/4=0.00785m2 则q v=1×0.00785×3600=28.3m3／h 答：该管道的小时流量为28.3m3/h。 第二节管道的阻力损失 流体在管渠中流动时，过流断面上各点的流速并不是相同的。例如在河沟中，靠近岸边的水，流动较慢；而河沟中心的水，流速就较大。管道内流动的流体也是如此，靠近管内壁面的流体流速较小，处在管中心的流体流速最大。产生这一现象的原因在于，流体流动时与管内壁面发生摩擦产生阻力，同时管内流体各流层之间由于流速的变化而引起相对运动所产生的内摩擦阻力，也阻挠流体的运动。流体在流动中，为了克服阻力就要消耗自身所具有的机械能，我们称这部分被消耗掉的能量为阻力损失。流体的性质不同，流动状态相同，流动时所产生的阻力损失大小也不同。流动是产生阻力损失的外部条件，流速越高，流体与管壁及流体自身之间的摩擦就越剧烈，阻力也就越大。相反，流速越小，摩擦减弱，阻力也就越 长距离输水管道水力计算公式的选用 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： g d 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 .1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中h f ------------沿程损失，m λ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，m d-----管道计算内径，m g----重力加速度，m/s 2 C----谢才系数 i----水力坡降； R ―――水力半径，m Q ―――管道流量m/s 2 v----流速 m/s C 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（C.F.COLEBROOK ）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1.3*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( 21 λ λ +?*-=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 燃气管道水力计算 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988） 1．高压、中压燃气管道水力计算公式： 式中：P 1 —燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa）； P 2 —燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa）； Q —燃气管道的计算流量（m3/h）； L —燃气管道的计算长度（km）； d —管道内径（mm）； ρ—燃气的密度（kg/m3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m3。 Ｚ—压缩因子，燃气压力小于1.2MPa（表压）时取1； Ｔ—设计中所采用的燃气温度（K）； Ｔ — 273.15（K）。 λ—燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： K —管道内表面的当量绝对粗糙度（mm）；对于钢管，输送天然气和液化石油气时取0.1mm，输送人工煤气时取0.15mm。 R e —雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg和粘性 力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。层流状态，R e 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力 1 P，燃气管道的计算长度L，燃气密度ρ，燃气温度T，压缩因子Z为已知量，燃气管道终点的压力2 P，燃气管道的计算流量Q，燃气管道内径d为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。 如燃气管道终点的压力 P的计算公式为： 2 某DN100中压输气管道长0.19km，起点压力0.3MPa，最大流量1060 m3/h，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力 P=0.29MPa。 2 2．低压燃气管道水力计算公式： 式中：P —燃气管道的摩擦阻力损失（Pa）； Q —燃气管道的计算流量（m3/h）； L —燃气管道的计算长度（km）； λ—燃气管道的摩擦阻力系数； d —管道内径（mm）； ρ—燃气的密度（kg/m3）； Ｚ—压缩因子，燃气压力小于1.2MPa（表压）时取1； Ｔ—设计中所采用的燃气温度（K）； — 273.15（K）。 Ｔ 长距离输水管道水力计算公式的选用 王雪原黄慎勇付忠志 （中国市政工程西南设计研究院，成都６１００８１） 摘要就长距离输水管道的材质、管道口径和衬里等管道特性因素，结合各设计规范的推荐公式进行了对比分析，并根据各水力计算公式的适用范围及限制条件，指出不同管道特性条件可能对水力计算结果造成的影响，建议在大口径长距离输水管道设计中采用对三个紊流区域均适用的柯列勃洛克公式替代海澄一威廉公式，以期得到较为安全合理的设计成果。 关键词长距离输水管道水力计算公式适用范围管道特性条件 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｉｐｅｌｉｎｅ ＷａｎｇＸｕｅ—ｙｕａｎ，ＨｕａｎｇＳｈｅｎ—ｙｏｎｇ，ＦｕＺｈｏｎｇ—ｚｈｉ（Ｓｏｕｔｈ－ＷｅｓｔＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ［ｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｄｅｗｅｒｅｃｏｍ—ｐａｒｅｄｆｏｒｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｔｈｓｕｂｓｔａｎｔｉｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅ，ｐｉｐｅ－ｍａｋｉｎｇａｎｄｌｉｎｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｔｈｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｆｏｒｍｕｌａａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｐｉｐｅｆｅａｔｕｒｅｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎ ｉｎｄｉｃａｔｅｄａｎｄｉｔｗａｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｈａｔｔｈｅＣｏｌｅｂｒｏｏｋｅｑｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｉｎｔｒｉ—ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｚｏｎｅｓｃｏｕｌｄｂｅｂｅｓｔｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅＨａｚｅｎ—Ｗｉｌｌｉａｍｓｆｏｒｍｕｌａｔｏｇｅｔｂｅｔｔｅｒｒｅｓｕｌｔｏｆｒａｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｓａｆｅｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｉｐｅｌｉｎｅ；Ｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｓｕｉｔａｂｌｅｒａｎｇｅ；Ｐｉｐｅｌｉｎｅｆｅａｔｕｒｅ ０前言 城市供水工程中，长距离管道输水是一种常见 输水形式，其输水的水头损失主要为沿程水头损失。 由于水资源的日益缺乏，越来越多的城市已经不得 不进行长距离输水，长距离输水管道在城市供水工 程的建设总投资中所占的比重也越来越大，因此对 长距离输水管道的合理设计显得更加重要，而对管 道进行准确的水力计算则是确定方案可行性和经济 性的一个十分重要的步骤。 １常用的水力计算公式 供水工程中的管道水力计算一般按照均匀流计 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： 铲Ａ吉蓦３２给水排水Ｖ０１．３２Ｎｏ．１０２００６（１） 谢才（Ｃｈｅｚｙ）公式： ｕ—Ｃ胡万（２）海澄一威廉（Ｈａｚｅｎ—Ｗｉｌｌｉａｍｓ）公式： 铲糌 式中＾ｆ——沿程损失，ｍ； Ａ——沿程阻力系数； Ｚ——管段长度，ｍ； ｄ——管道计算内径，ｍ； ｇ——重力加速度，ｍ／ｓ２； 卜谢才系数； ｉ——水力坡降； Ｒ——水力半径，ｍ； Ｑ一管道流量，ｍ３ｓ； ｒ流速，ｍ／ｓ； （３） 万方数据 管道水力计算 新大技术研究所：戴颂周 2012 年3 月2 日 目录 第一章单相液体管流动和管道水力计算 (3) 第一节流体总流的伯努利方程 (3) 一、流体总流的伯努利方程 (3) 二、流体流动的水力损失 (3) 第二节流体运动的两种状态 (6) 一、雷诺实验 (6) 二、雷诺数 (7) 三、圆管中紊流的运动学特征—速度分布 (7) 四、雷诺数算图 (8) 第三节沿程水力损失 (9) 一、计算方法： (9) 第四节局部水力损失 (14) 第五节管道的水力计算 (17) 一、管道流体的允许流速（经济流速供参考） (17) 二、简单管道的水力计算 (19) 第二章玻璃钢管道水力计算 (20) 第一节玻璃钢管道水力计算公式 (20) 一、玻璃钢管道水力计算公式 (21) 二、管道水力压降曲线 (22) 三、常用液体压降的换算 (22) 四、常用管件压降 (24) 第二节油气集输管道压降计算 (25) 第三节玻璃钢输水管线的水力学特性 (26) 一、玻璃钢输水管水流量计算 (26) 二、玻璃钢输水管水击强度计算 (27) 第三章管道水力学计算中应注意的几个问题 (30) 一、热油管道的工艺计算 (30) 二、油水两相液体的工艺计算 (31) 三、地形变化时的水力坡降 (33) 第一章 单相液体管流动和管道水力计算 第一节 流体总流的伯努利方程 一、流体总流的伯努利方程 1. 流体总流的伯努利方程式（能量方式） =++g c g P Z 22 1111αρw h g c g P Z +++22 2222αρ 2. 方程的分析 (1) 方程的意义 物理意义：不可压缩的实际流体在管道流动时的能量守恒，或者说，上游机械能=下游机械能+能量的损失。 (2) 各项的意义 -21,z z 单位重量流体所具有的位能，或位置水头，m ，即起点、终点标高。-g p g p ρρ/,/21单位重量流体所具有的压能，或压强水头，m ；即P 1 P 2为起点、 终点液流压力，-g c g c 2/,2/2 22211αα单位重量流体所具有的动能，或速度水头， m ；即C 1 C 2为液流起、终点的流速。 -21,αα单位重量流体的动能修正系数；-w h 单位重量流体流动过程的水力损失，m 。 二、流体流动的水力损失 1. 水力损失的计算 液体所以能在管道中流动，是由于泵或自然位差提供的能量。液体流动过程中与各种管道、阀件、管件发生摩擦或撞击而产生阻力。同时液体质点间的互相摩擦和撞击也要产生阻力。为了使液体继续流动，就必须供给能量，以克服这些阻力。用于克服液流阻力的能量，就是管路摩阻损失。水力损失一般包括两项，即沿程损失 f h 与局部损失 m h 。因此，流体流动时上、下游截面间的总水力损失 w h 应等于两截面间的所有沿程损失与局部损失之和，即 风路系统水力计算 1 水力计算方法简述 目前，风管常用的的水力计算方法有压损平均法、假定流速法、静压复得法等几种。 1.压损平均法（又称等摩阻法）是以单位长度风管具有相等的摩擦压力损失 m p ?为前提 的，其特点是，将已知总的作用压力按干管长度平均分配给每一管段，再根据每一管段的风量和分配到的作用压力，确定风管的尺寸，并结合各环路间压力损失的平衡进行调整，以保证各环路间的压力损失的差额小于设计规范的规定值。这种方法对于系统所用的风机压头已定，或对分支管路进行压力损失平衡时，使用起来比较方便。 2.假定流速法 是以风管内空气流速作为控制指标，这个空气流速应按照噪声控制、风管本身的强度，并考虑运行费用等因素来进行设定。根据风管的风量和选定的流速，确定风管的断面尺寸，进而计算压力损失，再按各环路的压力损失进行调整，以达到平衡。各并联环路压力损失的相对差额，不宜超过15%。当通过调整管径仍无法达到要求时，应设置调节装置。 3.静压复得法（略，具体详见《实用供热空调设计手册》之11.6.3） 对于低速机械送（排）风系统和空调风系统的水力计算，大多采用假定流速法和压损平均法；对于高速送风系统或变风量空调系统风管的水力计算宜采用静压复得法。工程上为了计算方便，在将管段的沿程（摩擦）阻力损失m P ?和局部阻力损失 j P ?这两项进行叠加时， 可归纳为下表的3种方法。 将m P ?与 j P ?进行叠加时所采用的计算方法 计算方法名称 基本关系式 备注 单位管长压力损失法（比摩阻法） 管段的全压损失 ) (2 222j m e j m P l p V l V d P l P P ?+?=+= ?+?=?ρζρ λ P ?——管段全压损失，Pa ； m p ?——单位管长沿程摩擦阻力，Pa/m 用于通风、空 调的送（回）风和排风系统的压力损失计算，是最常用的方法 当量长度法 2222ρ ζρ λV V d l e e = 风管配件的当量长度 λζ e e d l = 常见用静压 复得法计算高速风管或低速风管系统的压力损失。提供各类常用风管配 水力计算公式选用 长距离输水管道水力计算公 式的选用 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（DA ＲCY ）公式： g d v l h f 22 **=λ （1) 谢才(chezy ）公式： i R C v **= (２） 海澄—威廉（ＨAZEN —W ＩＬＩA ＭS ）公式: 87.4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （３） 式中ｈf —---－－--—-－－沿程损失,m λ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，m d-———－管道计算内径,ｍ g ——--重力加速度,m/s 2 C －—-－谢才系数 i －-—－水力坡降； R ―――水力半径，m Q ―――管道流量ｍ/ｓ 2 v —－—－流速 m/s C 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。...文档交流 仅供参考... 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:...文档交流 仅供参考... 表1 各规范推荐采用的水力计算公式 序 号 推荐公式 参数（参数计算公式) 适用管道 规范名称 1 达西公式 λ（舍维列夫公式） 旧钢管，旧铸铁管 《室外给 水设计规 范》ＧBJ14－８7，已 废止. 2 谢才公式 C （漫宁公式，巴浦洛夫斯基公式) 混凝土管和钢筋混凝土管 3 达西公式 λ 塑料管 《室外给水设计规 4 谢才公式 C(漫宁公式，巴浦洛混凝土管渠及采用 第一章明渠水力计算 明渠水力计算分为明渠均匀流计算及明渠非均匀流计算，这不仅是渠道工程设计的主要计算项目，也是灌区水工建筑物设计中最基本的水力计算项目。在渡槽、涵洞、陡坡等建筑物的设计中，常需推算水面线，水面线的推算属于明渠非均匀流计算。消能计算中的下游尾水深计算及渡槽槽身的水力计算都是明渠均匀流计算；水面线计算中的正常水深也是按明渠均匀流计算。因此本书将首先在此简要介绍明渠水力计算。 第一节单式断面明渠均匀流水力计算 一、计算公式 明渠均匀流的基本计算公式如式(1—1)一式(1—3)； 二、计算类型 根据设计条件及要求，单式断面明渠均匀流一般可分为以下(种计算情况： (1)已知设计流量、渠底比降及渠底宽，计算水深。 (2)已知设计流量，渠底比降及水深，计算渠底宽。 (3)已知设计流量及过水断面面积、计算渠底比降。 (4)已知过水断面面积及渠底比降，计算过水流量。 上述第(3)、(4)两种情况可由式(1—1)直接求得计算结果，但不是设计中的主要计算情况．第(1)、(2)两种情况，因式(1—1)中的w、R、C 等值均包含有渠底宽及 第1页 水深两个未知数，因此不可能由式(1—1)简单求解，而需要经过反复试算才能得到计算结果，这两种是设计中常见的情况，为了减少计算工作量，过去多是借助有关的计算图表进行计算，现在则可采用电算。 三、算例 现以算例介绍单式断面明渠均匀流不同计算情况的计算方法和步骤。 [例1—1，已知某梯形断面渠槽的渠底宽为b＝1．5m，水深为h--3．2m，边坡系数 [例1—2] 已知某梯形断面渠槽的设计流量为Q＝20．07m^3／s，渠底宽为b--1．Sm，边坡系数为m--2．5，渠底比降i=1／7000，糙率为n=0．025。试计算渠道水深。 解：本倒不可能由式(1—1)一次算出水深，需通过假定不同的水深反复试算才能求得所需值。计算步骤是首先假定一个水深值，计算相应的w、R、C等值，然后按式(1—1)计算过水流量，如流量计算值小于设计流量，表明假定的水深偏小，再加大水深值重新计算；反之，则表明假定的水深偏大，再减小水深值重新计算，如此反复多次，直至按假定的水深计算的过水流量渐进等于设计流量时，该水深即为所求水深。 现假设水深为h=3．2m． 按例1—1步骤算得：w＝30．4(m^2)；R＝1．623(m)；C＝43．36(m^0.5／s) 按式(1—1)计算过水流量为：Q＝20．o?(mVs) 因上述流量计算值等于设计流量，表明假定的水深3．2m即为所求水深。本例省略了试算过程。 本例如是已知设计流量、渠道水深及渠底比降，要求计算确定渠底宽，也同样按上述步骤进行试算。 [“明渠均匀流水力计算程序”计算示例] 按例1—1及例1—2的基本资料，“明渠均匀流水力计算程序”的计算显示输出如下。 明渠均匀流水力计算 程序编制说明 (1)本程序用于明均匀的渠道过水断面计算及临界水深计算： (2)程序可根据需要分别对以下5种情况进行计算 1)已知流量．渠废宣及比降，计算水深： 第2页 <<上一章下一章>> 工成网 第二章水闸过水能力(孔径)计算 第一节开敞式水闸过水能力(孔径)计算 平底开敞式水闸过闸水流的流态为宽顶堰流，根据SL265—2001《水闸设计规范》(以下简称《规范》)，其闸孔总净宽B。按式(2—1)一式(2—6)计算：流量与管径、力、流速之间关系计算公式
巧用Excel解决梯形断面明渠均匀流的水力计算
水力计算公式选用
输水管道水力计算公式
管道的水力计算及强度计算.
水力计算公式选用
燃气管道水力计算
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管道水力计算
风路系统水力计算
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第一章 明渠水力计算
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