3.3　压力流雨水管道系统的设计

当管道的测压管水头超过管道管顶标高时，管道内水流呈压力流动状态，称为压力管道。压力管道的能量（水力）坡度不再平行于底坡，仅与上、下游水位差有关。

根据伯努利方程，有

　　（3-41）

式中下标1为上游，2为下游。

　　（3-42）

式中　Z1，Z2——上、下游断面高度，m；

p1，p2——上、下游断面压力，N；

v1，v2——上、下游断面流速，m/s；

ρ——管内液体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

hw——水头损失，m；

ΔH——测压管水头差，m。

则　　（3-43）

当设计管段管径不变，中间又没有流量流入和流出时，

Q1=Q2

根据连续性方程有

v1=v2　　（3-44）

因此ΔH=hw　　（3-45）

管段两端测压管水头差等于水头损失，即总水头（能量）线坡度等于水力坡度。

管段水头损失等于沿程阻力损失和局部阻力损失之和。

hw=h沿+h局　　（3-46）

　　（3-47）

　　（3-48）

　　（3-49）

式中　λ——沿程阻力系数，可由雷诺数Re和相对粗糙度Δ/D查莫迪图（见图3-30）得到；

Re——雷诺数，，ν为雨水运动黏度，一般取10-6m2/s；

Δ/D——相对粗糙度，Δ为管道壁面当量粗糙度，取值见表3-13；

ξ——局部阻力系数。当L≫D时，可忽略局部阻力损失的影响；

I——水力坡度；

L——管长，m。

【例3.4】 在例3.2管网系统的基础上，假设最高洪水位为85.930m，试校该在最高洪水位时管网系统的排水能力。

【解】 由例3.2的计算结果可知，5～6管段终点管内底标高为83.873m，管顶标高为83.873+0.9=84.773m，在最高洪水位时，5～6管段终点管顶标高低于洪水最高水位85.930-84.773=1.197m，因此管网系统只能在压力流条件下工作。本例可以作为压力流条件下水力计算方法的参考。

雨水管网系统经常出现压力流，在特殊情况下，也可以在设计过程中考虑压力流排水。压力流条件下的水力坡度与管道底坡无关，仅与上、下游水位差有关。

压力流条件下，P=2a时系统的排水能力校核的水力计算过程如下。

（1）表3-14中第1、2、3、8、12、13项与表3-8相同。

（2）表中第4、6、7项计算方法与例3.2相同。

（3）计算设计流速。

例如，管段1～2的设计流速为

（4）计算管内雨水流行时间t2。

例如，管段1～2的管内雨水流行时间，将其计算值列入表3-14中第5项。

（5）计算水力坡度I。

由于本例题满足伯努利方程的使用条件，因此可由式（3-46）～式（3-49）计算水力坡度I。

例如，对于管段1～2，，Δ/D=0.0005/0.4=0.00125（Δ取值0.0005m，这里认为雨水管道是具有明显木模痕迹、明显磨蚀混凝土管，查表3-13知Δ=0.0005m），查莫迪图得λ=0.0211，，忽略局部损失的影响。水力坡度I=0.15/150=0.001。其他管段水力坡度计算方法同上，填入表3-14中的第9项。

（6）计算降落量。

由设计管段的长度及坡度，求出设计管段上下端的设计高差（降落量）。例如管段1～2的降落量IL=0.001×150m=0.150m，将此值列入表3-14中第11项。

（7）计算各设计管段上、下端的水压标高。

1～2管段起点最小水压标高等于起点管内底标高加上管径，即86.000+0.4=86.400m；1～2管段终点水压标高等于起点水压标高减去降落量，即86.400-0.150=86.250m。2～3管段起点水压标高等于1～2管段终点水压标高，2～3管段终点水压标高等于起点水压标高减去降落量。依此类推，得到其他各管段起点与终点水压标高，列入表3-14中第14、15项。

以上水力计算也可以参考相应的给排水设计手册水力计算图计算。

根据表3-14，当1～2管段起点水压标高最小时，1～6管段终点水压标高为85.656m，低于最高洪水位（85.930m）0.274m，此时不能正常排除P=2a的雨水，须增设提升泵站使水头高于最高洪水位。

现考虑P=1a时系统的排水能力，水力计算过程同上，水力计算表见表3-15。

根据表3-15，当1～2管段起点水压标高最小时，1～6管段终点水压标高为86.051m，高于最高洪水位（85.930m）0.121m，此时可以顺利地排除P=1a的雨水。

所以该系统在最高洪水位时管网处于压力流排水状态，管网不能排除P=2a的雨水，但可以顺利排除P=1a的雨水，根据表3-15可绘制P=1a时该地区雨水管道纵剖面图（压力流），如图3-31所示。