管涵设计计算与方程“，
编者按:Harlan Bengtson在担任大学教授(工程科学和环境工程)和管理人员30年后退休。他目前是两个网站的所有者和经理，该网站旨在为各种土木工程和机械工程计算提供低成本、易于使用的电子表格。这些网站是www.EngineeringExcelTemplates.com而且www.EngineeringExcelSpreadsheets.com．
圆形管涵广泛应用于交通运输领域，主要用于公路、铁路等地下的雨水输送。波纹金属和混凝土被用于许多这些管道涵洞。涵洞设计的主要设计参数是指定涵洞材料的管径和坡度。
管涵设计计算的进、出口控制
管涵设计的两种主要方法是进口控制和出口控制。在进口控制的情况下，通过涵洞的流速是由管道进口的条件控制的，包括涵洞的直径。在出口控制的情况下，通过涵洞的流量由涵洞出口的条件和/或通过涵洞孔的摩擦损失控制。这两种管道涵洞设计方法以及每种方法应使用的条件将在接下来的两节中讨论。
我控制管道涵洞设计方程与计算
下面的公式是关于进气控制条件下管涵参数的公式，来自于文章末尾显示的美国交通部/联邦公路管理局的出版物。
式中的参数为:
- HW是入口处仰水管上方的水源深度，单位为英尺(si单位为米)。
- D为管涵内部高度，单位fr (m为si单位)。
- Q为涵道设计流量，单位为cfs (si单位为m3/s)。
- A为涵洞的截面积，单位为平方英尺(单位为平方米)。
- S为涵洞坡度，无量纲。
- 在这个列表中，K1对于美国单位是1.0，对于国际单位是1.811。
- Ks是斜率常数，对于非斜口入口为- 0.5，对于斜口入口为+ 0.7。
- Y和c是常数，取决于入口类型和涵洞类型。
对于给定的涵洞配置和流量，可以使用参数Q/(AD0.5)来检查入口控制或出口控制是否适用。如果这个参数对于美国机组大于4，对于国际机组大于2.2，那么进口控制是适用的，上面的方程可以用来确定指定设计流量所需的管涵直径，最大允许水源深度，涵洞坡度，以及关于涵洞类型和进口类型的信息。
请注意，对于涵洞直径D，这个方程不能显式求解，因此需要某种类型的迭代解。这使得Excel电子表格成为进行计算的好选择。
出口控制-管道涵洞设计方程与计算
下式为重力条件下明渠水流的Manning方程，描述了出口控制条件下的管涵参数。它来自文章末尾显示的美国交通部/联邦公路管理局的出版物。如果Q/AD0.5 > 4用于美国单位，如果Q/AD0.5 > 2.2用于S.I.单位，则适用此公式。
式中的参数为:
- hL是涵管桶满流时的水头损失，单位为英尺(si单位为米)。
- Ku是一个常数，对于这里显示的美国单位等于29，对于s.i单位等于19.63。
- N为涵洞材料的曼宁粗糙度系数。它是无量纲的。
- L为涵管筒的长度，单位为英尺(si单位为米)。
- R是涵管的水力半径时，它是流动充分英尺(米为S.I.单位)。请注意，R = A/P，其中A和P定义如下。
- A是涵管的横截面积，单位为英尺(si单位为m)。
- P是涵洞桶的周长，单位为英尺(S.I.单位为米)。
- V为涵管内的流速，单位为ft/sec (S.I.单位为m/s)。
(注意V = Q/ a)
- Ke是所使用的管道入口类型的损失系数。它是无量纲的。
注意，对于涵洞直径D，这个方程也不能显式求解，因此需要一个迭代解。Excel电子表格也适用于此解决方案。
总结
提出方程，以允许确定所需的管涵直径的条件下，无论是进口控制或出口控制。在进水口控制条件下确定涵洞直径所需的涵洞参数有:设计流量、最大允许进水口深度、涵洞坡度、涵洞材料类型和进水口类型。对于出口控制，需要相同的参数加上涵洞的长度。
参考文献
- 美国交通部/联邦公路管理局、公路涵洞水利设计，第三版，出版号:2012年4月FHWA-HIF-12-026。
