管道涵洞设计计算及公式

管道涵洞设计计算及公式
页面内容

编者按:哈兰·本特森在从事了30年的大学教授(工程科学和环境工程)和管理工作后退休。他目前是两个网站的所有者和经理,这两个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。网站是www.EngineeringExcelTemplates.comwww.EngineeringExcelSpreadsheets.com

圆管涵洞广泛应用于公路、铁路等地下输水工程。波纹金属和混凝土用于许多这种管道涵洞。涵洞设计的主要设计参数是指定涵洞材料的管道直径和坡度。

管道涵洞设计计算的入口控制和出口控制

管道涵洞设计的两种主要方法是进口控制和出口控制。在入口控制的情况下,通过涵洞的流量由管道入口的条件控制,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条件和/或通过涵洞孔的摩擦损失控制。这两种方法的管道涵洞设计和条件,每一个应在下面两节讨论。

管道控制涵洞设计方程和计算

下面的公式是关于入口控制条件下的管道涵洞参数,来自文章最后的美国交通部/联邦公路管理局出版物。

式中参数如下:

  • HW是在FT的入口处的倒置上方的下部深度深度(用于S.I.单位)。
  • D是FR中的管道涵洞的内部高度(对于S.I.单位)。
  • Q为通过涵洞的设计流量,单位为cfs (si单位为m3/s)。
  • A为涵洞横截面积,单位为平方英尺(单位为平方米)。
  • S为涵坡,无量纲。
  • K1是本名表中所示的1.0个单位,S.I.1.811为1.811。
  • Ks是一个斜率常数,非斜接入口为- 0.5,斜接入口为+ 0.7。
  • Y和c是常数,依赖于入口类型和涵洞类型。

检查是否适用于给定的涵洞配置和流量的入口控制或出口控制可以使用该参数,Q /(AD0.5)进行流量。我f this parameter is greater than 4 for U.S. units or greater than 2.2 for S.I. units, then inlet control is applicable and the equation above can be used to determine the required pipe culvert diameter for specified design flow rate, maximum allowable headwater depth, culvert slope, and information about the type of culvert and type of inlet.

注意,该等式不能明确解决巫方直径,D,因此需要某种类型的迭代解决方案。这使得Excel电子表格进行计算的良好选择。

出口控制-管道涵洞设计方程和计算

下面是重力作用下明渠水流曼宁方程的形式,涉及出口控制条件下的管涵参数。它来自文章末尾的美国交通部/联邦公路管理局出版物。如果Q/AD0.5 > 4是美国单位,如果Q/AD0.5 > 2.2是特种单位,这个公式适用于使用。

2.曼宁水头损失

式中参数如下:

  • hL是水沟管满流时的水头损失,单位是ft (m为si单位)。
  • 这里显示的美国单位Ku等于29,si单位Ku等于19。63。
  • N为涵洞材料的曼宁粗糙度系数。它是无量纲。
  • L是小孔道管的长度,单位是英尺(m为si单位)。
  • R为涵筒满流时的液压半径,单位为英尺(m为si单位)。注意R = A/P, A和P定义如下。
  • A为涵筒的流量横截面积,单位为ft (m为si单位)。
  • P是FT(M对于S.I.单位)的涵洞桶的周边。
  • V为涵洞筒内的流速,单位为ft/sec(单位为m/s)。

(注意V = Q/ a)

  • Ke为所采用管道进口类型的损失系数。它是无量纲。

注意,该等式也不能明确解决巫方直径D,因此需要迭代解决方案。Excel电子表格也适用于此解决方案。

概括

提出了方程,以允许确定所需的管道涵洞直径的条件,无论是进口控制或出口控制。在进口控制条件下,确定涵洞直径所需的涵洞参数为:设计流量、最大允许水源深度、涵洞坡度、涵洞材料类型和进口类型。对于出口控制,需要同样的参数加上涵洞的长度。

参考

  • 美国交通部/联邦公路管理局、公路涵洞水利设计、第三版、出版编号供料- hif - 12 - 026, 2012年4月。