第 3章 给水排水管网
水力学基础
3.1 给排水管网水流特征
3,1,1 流态特征
?
?
?
??
?
?
?
??
?
流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：
过渡流
层流：
流态
4 0 0 0Re
4 0 0 0Re2 0 0 0:
2 0 0 0Re
.1
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
75.1
22.1
2
.2
vh
Dvh
Dvh
水力光滑区
较小或管壁较光滑）（管径过渡区
较大或管壁较粗糙）（管径）阻力平方区（粗糙管区
紊流 ～
3,1,2 恒定流与非恒定流
水量变化－非恒定流（复杂）－按恒定流计算
3,1,3 均匀流与非均匀流
水流参数往往随时间和空间变化－非均匀流
3,1,4 压力流与重力流
1．压力流,hf∝n, l,v；与 H,I无关（压能
克服水流阻力）
2．重力流：靠水的位能克服
3,1,5 水流的水头与水头损失
水头是指单位重量的流体所具有的机械能。
H＝ Z＋ P/γ＋ v2/2g
g
v
g
vPZ
2
,
2
22
忽略???
?
水头损失：流体克服流动阻力所消耗的
机械能
3,2 管渠水头损失计算
3,2,1 沿程水头损失计算
??
???
局部水头损失
沿程水头损失
管渠沿程水头损失用谢才公式
RCviRiCv 2
2 ??
RC
viRiCv
2
2
??
( m ) 2
2
l
RC
vilh
f ??
圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示：
2
2
8
)(
2
C
g
m
g
v
D
l
h f
＝－沿程阻力系数，式中 ??
??
C,λ与水流流态有关，一般采用经
验公式或半经验公式计算。常用：
1．舍维列夫公式
适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水
温 100C0（给水管道计算）
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
1, 2 m /s v
8 6 7.0
1
0, 0 0 1 8 2 4 g
1, 2 m /s v
D
0, 0 0 2 1 4 g
3.0
3.0
0, 3
vD
?
2,海曾－威廉公式
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
1, 2 m / s v
8 6 7.0
1
0, 0 0 0 9 1 2 v
1, 2 m / s v
D
0, 0 0 1 0 7 v
3.0
3.1
2
1, 3
2
l
vD
l
h f
适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）
－海曾－威廉粗糙系数
－流量，式中
＝
w
w
C
smq
qC
gD
/
16.13
3
148.0852.1
13.0
?
3．柯尔勃洛克－怀特公式
l
DC
q
h
w
f 87.4852.1
852.167.10
＝
适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式
?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
?
?
?? Re
51.2
7.3
lg2
1
Re53.38.14
lg71.17
D
e
C
R
e
C
或
＝－
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
875.0
875.0
2
Re
462.4
7.3
lg2
1
Re
462.4
8.14
lg71.17
;/
4
ReRe
D
e
R
e
C
me
sm
vDvR
＝－或
＝－
直接计算的形式：
便于应用，可以简化为但此式需迭代计算，不
，由实验确定。－管壁当量粗糙度，
水动力粘度系数，
是与水温有关的，其中＝－雷诺数，式中
?
?
??
4,巴甫洛夫斯基公式
适用：明渠流、非满流排水管道
l
R
vn
h
n
nRny
n
R
C
y
B
f
B
BB
B
y
12
22
)10.0(75.013.05.2
?
?
?
????
系数。巴甫洛夫斯基公式粗糙
式中
＝
5,曼宁公式
曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中 y=1/6时
的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。
l
D
qn
hl
R
vn
h
nn
n
R
C
M
f
M
f
BM
M
333.5
22
333.1
22
6
29.10
??
?
或
相同。甫洛夫斯基公式－曼宁粗糙系数，与巴式中
3,2,2 沿程水头损失计算公式的比较与选用
? 巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也较高，
特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较
准确的计算结果，最佳适用范围为 1.0≤e≤5.0mm；
? 曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为
0.5≤e≤4.0mm；
? 海曾－威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当
e≤0.25mm（ CW≥130）时，该公式较其它公式有
较高的计算精度；
? 舍维列夫公式在 1.0≤e≤1.5mm之间给出了令人满意
的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特
别粗糙的管道是不适用的。
3,2,3 局部水头损失计算
式中 hm—— 局部水头损失,m；
ξ—— 局部阻力系数。
g
v
h m
2
2
??
给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿
程水头损失的 5%，常忽略局部水头损失的影响，
不会造成大的计算误差。
3,2,4水头损失公式的指数形式
有利于管网理论分析，便于计算机程序设计。
1．沿程水头损失公式的指数形式为：
n
ff
n
f
m
n
f
qsh
laqh
l
D
kq
h
?
?
? 式中 k,n,m—— 指数公式参数；
a—— 比阻，即单位管长的摩
阻系数,;
mD
ka ?
。—摩阻系数，— mff
D
klalss ??
2．局部水头损失公式的指数形式为：
nmm qsh ?
3．沿程水头损失与局部水头损失之和
式中 Sm—— 局部阻力系数；
ngnfmfmg qsqsshhh ????? )(
式中 Sg—— 管道阻力系数； fmg sss ??
。
3,3 非满流管渠水力计算
水力计算目的：确定 之间的水力关系。、、、,i
D
hDvq
3,3,1非满流管渠水力计算公式
1．非满流管渠水力计算公式
)21(c os2
)1()21(
4
/
)1()21(
2
)21(c os
4
/
1
2
1
2
D
h
D
h
D
h
D
h
D
D
DhDRR
D
h
D
h
D
hD
D
hD
DhDAA
?
??
??
????
?
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）＝，（
）＝，（＝
6/11 R
nCRICv M?? 曼宁公式谢才公式常用的均匀流基本公式有：
vQ ?? ?
2
1
3
21
IRnv ???
式中 Q —— 流量（ m3/s）；
ω —— 过水断面面积（ m2）
v —— 流速（ m/s）；
R —— 水力半径（ｍ）；
I —— 水力坡度（即水面坡度，等于管底坡
度）。
n —— 管壁粗糙系数（见表）。
h
D
图9,2 充满度示意图
排水管渠粗糙系数表
管渠类别 粗糙系数 n 管渠类别 粗糙系数 n
石棉水泥管、
钢管 0.012 浆砌砖渠道 0.015
木槽 0.012～ 0.014 浆砌块石渠道 0.017
陶土管、铸铁
管 0.013 干砌块石渠道 0.020～ 0.025
混凝土管、钢
筋混凝土
管
水泥砂浆抹面
渠道
0.013～ 0.014
土明渠
包括（带草皮
）
0.025～ 0.030
――非满流管渠水力计算基本公式
2
1
3
2
2
1
3
2
2
1
3
2
2
1
3
2
h / D ) I( D,h / D )( D,
1
I
1
q
h / D ) I( D,
1
I
1
RA
n
AR
n
R
n
R
n
v
MM
MM
??
??
v,q,D,h/D,I五个变量，已知三个，求另两
个。
简化：
?水力计算表，按两个公式制成图表。简单，精
度较差，且只适用于一种管材。
?借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换
进行计算。假设一条满流管渠与待计算的非满
流管渠具有相同的 D和 I，满流时，
2/13/22/13/22 1 1
4 4
1 IR
nvIRAnq
DRDA
o
M
ooo
M
ooo ???? ?
)(
)()(
)()1()21(
2
)21(c os
1
)(
)21(c os
)1()21(2
1
4
3
2
3
3
2
2
1
1
1
D
h
f
R
R
v
v
D
h
f
R
R
A
A
q
q
D
h
f
D
h
D
h
D
h
D
h
A
A
D
h
f
D
h
D
h
D
h
D
h
R
R
oo
ooo
o
o
＝＝
＝
＝＝
＝＝
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?
?
?
?
?
?
?
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????
?
??
?
?
?
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3,3,2 非满流管渠水力计算方法
1．常采用水力计算图或表进行计算
水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，
其粗糙系数 n＝ 0.014。每张图适用于一个指定的
管径。图上的纵座标表示坡度 I，即是设计管道
的管底坡度，横座标表示流量 Q，图中的曲线分
别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当
选定管材与管径后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、
充满度 h/D四个因素中，只要已知其中任意两个，
就可由图查出另外两个。
2．借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变
换进行计算。
3,4 管道的水力等效简化
管网简化,利用水力等效简化原理
水力等效简化原则,简化后，等效的管网对象与原
来的实际对象具有相同的水力
特性。
3,4,1 串联或并联管道的简化
1．串联
m
N
i
m
i
i
N
i
m
i
i
n
m
n
m
n
f
d
l
ld
d
lkq
l
d
kq
l
d
kq
h
1
1
1
)/( ?
?
?
?
?
?
?
2．并联
m
n
N
i
n
m
i
m
N
n
N
m
n
m
n
m
n
dd
d
lkq
d
lkq
d
lkq
l
d
kq
)(
1
2
2
1
1
?
?
?
???? ??
当并联管道直径相同时
i
m
n
m
n
nm
i
iN
dNNdd
dddd
)()( /
21
??
???? ??
3,4,2 沿线均匀出流的简化
配水支管 配水干管
Q 2
Q 1
Q 3
Q 4
q 1
q 2
q q q
q q
3
4
5 7
6
图 1 4 -1 干管配水情况
干管配水情况
假设沿线出流是均匀
的，则管道的任一断
面上的流量
q
t
lq 2
1+ tq
q
t
tq
tq
x
)( xl
l
qqq l
tx ???
沿程水头损失
? ?
??
?
?
?
?
??l
lm
n
t
n
lt
m
n
lt
f lqdn
qqq
kdx
d
q
l
xl
qk
h
0
11
)1(
)()(
ltx qqq ???
沿程水头损失
? ?
??
?
?
?
?
??l
lm
n
t
n
lt
m
n
lt
f lqdn
qqq
kdx
d
q
l
xl
qk
h
0
11
)1(
)()(
将 移至两端点，
分别为
lq +
l（ 1- ）
q l
q
l
q
+
t
q
t
q
q
l
q
t
ll qq ??,)1( ?
管道内流量为
根据水力等效原则
l
qdn
qqq
kl
d
qq
kh
lm
n
t
n
lt
m
n
lt
f
)1(
)()( 11
?
??
?
?
?
???
?
?
?
????
?????
?
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577.00
5.0
3
1
2
2
??
??
??
?????
，，管网末端，
，，管网起端，
）（
，代入上式，得，令
lt
lt
l
t
qq
qq
f
q
q
n
li qq ??? 5.0,5.0,?一般
q0.5+q
q0.5
l
lt q
0.5 l
q
t
q
l
+
t
q
li qq ??? 5.0,5.0,?一般
3,4,3 局部水头损失计算的简化
一般忽略，特殊情况下，局部水头损失必须
进行计算。
涡轮流量计的组成
涡轮流量计通常由涡轮流量变送器（ 1）和显示仪表
（ 2）（指示积算仪）组成。
Q Q
指示积算仪
1
2
涡轮流量
传感器
（二次仪表）
（一次仪表）
4.2.2 火灾参数的监测方法
感温探测
热对流
火焰探测
热辐射
能量转换
燃气探测
气体
离子感烟 光电感烟
烟雾
燃烧产生物（悬浮物）
火灾
水力学基础
3.1 给排水管网水流特征
3,1,1 流态特征
?
?
?
??
?
?
?
??
?
流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：
过渡流
层流：
流态
4 0 0 0Re
4 0 0 0Re2 0 0 0:
2 0 0 0Re
.1
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
75.1
22.1
2
.2
vh
Dvh
Dvh
水力光滑区
较小或管壁较光滑）（管径过渡区
较大或管壁较粗糙）（管径）阻力平方区（粗糙管区
紊流 ～
3,1,2 恒定流与非恒定流
水量变化－非恒定流（复杂）－按恒定流计算
3,1,3 均匀流与非均匀流
水流参数往往随时间和空间变化－非均匀流
3,1,4 压力流与重力流
1．压力流,hf∝n, l,v；与 H,I无关（压能
克服水流阻力）
2．重力流：靠水的位能克服
3,1,5 水流的水头与水头损失
水头是指单位重量的流体所具有的机械能。
H＝ Z＋ P/γ＋ v2/2g
g
v
g
vPZ
2
,
2
22
忽略???
?
水头损失：流体克服流动阻力所消耗的
机械能
3,2 管渠水头损失计算
3,2,1 沿程水头损失计算
??
???
局部水头损失
沿程水头损失
管渠沿程水头损失用谢才公式
RCviRiCv 2
2 ??
RC
viRiCv
2
2
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( m ) 2
2
l
RC
vilh
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圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示：
2
2
8
)(
2
C
g
m
g
v
D
l
h f
＝－沿程阻力系数，式中 ??
??
C,λ与水流流态有关，一般采用经
验公式或半经验公式计算。常用：
1．舍维列夫公式
适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水
温 100C0（给水管道计算）
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
1, 2 m /s v
8 6 7.0
1
0, 0 0 1 8 2 4 g
1, 2 m /s v
D
0, 0 0 2 1 4 g
3.0
3.0
0, 3
vD
?
2,海曾－威廉公式
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
1, 2 m / s v
8 6 7.0
1
0, 0 0 0 9 1 2 v
1, 2 m / s v
D
0, 0 0 1 0 7 v
3.0
3.1
2
1, 3
2
l
vD
l
h f
适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）
－海曾－威廉粗糙系数
－流量，式中
＝
w
w
C
smq
qC
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/
16.13
3
148.0852.1
13.0
?
3．柯尔勃洛克－怀特公式
l
DC
q
h
w
f 87.4852.1
852.167.10
＝
适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式
?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
?
?
?? Re
51.2
7.3
lg2
1
Re53.38.14
lg71.17
D
e
C
R
e
C
或
＝－
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
875.0
875.0
2
Re
462.4
7.3
lg2
1
Re
462.4
8.14
lg71.17
;/
4
ReRe
D
e
R
e
C
me
sm
vDvR
＝－或
＝－
直接计算的形式：
便于应用，可以简化为但此式需迭代计算，不
，由实验确定。－管壁当量粗糙度，
水动力粘度系数，
是与水温有关的，其中＝－雷诺数，式中
?
?
??
4,巴甫洛夫斯基公式
适用：明渠流、非满流排水管道
l
R
vn
h
n
nRny
n
R
C
y
B
f
B
BB
B
y
12
22
)10.0(75.013.05.2
?
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????
系数。巴甫洛夫斯基公式粗糙
式中
＝
5,曼宁公式
曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中 y=1/6时
的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。
l
D
qn
hl
R
vn
h
nn
n
R
C
M
f
M
f
BM
M
333.5
22
333.1
22
6
29.10
??
?
或
相同。甫洛夫斯基公式－曼宁粗糙系数，与巴式中
3,2,2 沿程水头损失计算公式的比较与选用
? 巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也较高，
特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较
准确的计算结果，最佳适用范围为 1.0≤e≤5.0mm；
? 曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为
0.5≤e≤4.0mm；
? 海曾－威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当
e≤0.25mm（ CW≥130）时，该公式较其它公式有
较高的计算精度；
? 舍维列夫公式在 1.0≤e≤1.5mm之间给出了令人满意
的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特
别粗糙的管道是不适用的。
3,2,3 局部水头损失计算
式中 hm—— 局部水头损失,m；
ξ—— 局部阻力系数。
g
v
h m
2
2
??
给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿
程水头损失的 5%，常忽略局部水头损失的影响，
不会造成大的计算误差。
3,2,4水头损失公式的指数形式
有利于管网理论分析，便于计算机程序设计。
1．沿程水头损失公式的指数形式为：
n
ff
n
f
m
n
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qsh
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l
D
kq
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? 式中 k,n,m—— 指数公式参数；
a—— 比阻，即单位管长的摩
阻系数,;
mD
ka ?
。—摩阻系数，— mff
D
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2．局部水头损失公式的指数形式为：
nmm qsh ?
3．沿程水头损失与局部水头损失之和
式中 Sm—— 局部阻力系数；
ngnfmfmg qsqsshhh ????? )(
式中 Sg—— 管道阻力系数； fmg sss ??
。
3,3 非满流管渠水力计算
水力计算目的：确定 之间的水力关系。、、、,i
D
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3,3,1非满流管渠水力计算公式
1．非满流管渠水力计算公式
)21(c os2
)1()21(
4
/
)1()21(
2
)21(c os
4
/
1
2
1
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D
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）＝，（
）＝，（＝
6/11 R
nCRICv M?? 曼宁公式谢才公式常用的均匀流基本公式有：
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2
1
3
21
IRnv ???
式中 Q —— 流量（ m3/s）；
ω —— 过水断面面积（ m2）
v —— 流速（ m/s）；
R —— 水力半径（ｍ）；
I —— 水力坡度（即水面坡度，等于管底坡
度）。
n —— 管壁粗糙系数（见表）。
h
D
图9,2 充满度示意图
排水管渠粗糙系数表
管渠类别 粗糙系数 n 管渠类别 粗糙系数 n
石棉水泥管、
钢管 0.012 浆砌砖渠道 0.015
木槽 0.012～ 0.014 浆砌块石渠道 0.017
陶土管、铸铁
管 0.013 干砌块石渠道 0.020～ 0.025
混凝土管、钢
筋混凝土
管
水泥砂浆抹面
渠道
0.013～ 0.014
土明渠
包括（带草皮
）
0.025～ 0.030
――非满流管渠水力计算基本公式
2
1
3
2
2
1
3
2
2
1
3
2
2
1
3
2
h / D ) I( D,h / D )( D,
1
I
1
q
h / D ) I( D,
1
I
1
RA
n
AR
n
R
n
R
n
v
MM
MM
??
??
v,q,D,h/D,I五个变量，已知三个，求另两
个。
简化：
?水力计算表，按两个公式制成图表。简单，精
度较差，且只适用于一种管材。
?借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换
进行计算。假设一条满流管渠与待计算的非满
流管渠具有相同的 D和 I，满流时，
2/13/22/13/22 1 1
4 4
1 IR
nvIRAnq
DRDA
o
M
ooo
M
ooo ???? ?
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2
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1
)(
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3
3
2
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1
1
D
h
f
R
R
v
v
D
h
f
R
R
A
A
q
q
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D
h
D
h
D
h
D
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A
A
D
h
f
D
h
D
h
D
h
D
h
R
R
oo
ooo
o
o
＝＝
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＝＝
＝＝
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?
?
?
?
?
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?
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?
??
?
?
?
??
3,3,2 非满流管渠水力计算方法
1．常采用水力计算图或表进行计算
水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，
其粗糙系数 n＝ 0.014。每张图适用于一个指定的
管径。图上的纵座标表示坡度 I，即是设计管道
的管底坡度，横座标表示流量 Q，图中的曲线分
别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当
选定管材与管径后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、
充满度 h/D四个因素中，只要已知其中任意两个，
就可由图查出另外两个。
2．借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变
换进行计算。
3,4 管道的水力等效简化
管网简化,利用水力等效简化原理
水力等效简化原则,简化后，等效的管网对象与原
来的实际对象具有相同的水力
特性。
3,4,1 串联或并联管道的简化
1．串联
m
N
i
m
i
i
N
i
m
i
i
n
m
n
m
n
f
d
l
ld
d
lkq
l
d
kq
l
d
kq
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1
1
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?
?
?
?
?
2．并联
m
n
N
i
n
m
i
m
N
n
N
m
n
m
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m
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dd
d
lkq
d
lkq
d
lkq
l
d
kq
)(
1
2
2
1
1
?
?
?
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当并联管道直径相同时
i
m
n
m
n
nm
i
iN
dNNdd
dddd
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21
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???? ??
3,4,2 沿线均匀出流的简化
配水支管 配水干管
Q 2
Q 1
Q 3
Q 4
q 1
q 2
q q q
q q
3
4
5 7
6
图 1 4 -1 干管配水情况
干管配水情况
假设沿线出流是均匀
的，则管道的任一断
面上的流量
q
t
lq 2
1+ tq
q
t
tq
tq
x
)( xl
l
qqq l
tx ???
沿程水头损失
? ?
??
?
?
?
?
??l
lm
n
t
n
lt
m
n
lt
f lqdn
qqq
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d
q
l
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qk
h
0
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ltx qqq ???
沿程水头损失
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t
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l
xl
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h
0
11
)1(
)()(
将 移至两端点，
分别为
lq +
l（ 1- ）
q l
q
l
q
+
t
q
t
q
q
l
q
t
ll qq ??,)1( ?
管道内流量为
根据水力等效原则
l
qdn
qqq
kl
d
kh
lm
n
t
n
lt
m
n
lt
f
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)()( 11
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??
?
?
?
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?
?
?
????
?????
?
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577.00
5.0
3
1
2
2
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??
??
?????
，，管网末端，
，，管网起端，
）（
，代入上式，得，令
lt
lt
l
t
f
q
q
n
li qq ??? 5.0,5.0,?一般
q0.5+q
q0.5
l
lt q
0.5 l
q
t
q
l
+
t
q
li qq ??? 5.0,5.0,?一般
3,4,3 局部水头损失计算的简化
一般忽略，特殊情况下，局部水头损失必须
进行计算。
涡轮流量计的组成
涡轮流量计通常由涡轮流量变送器（ 1）和显示仪表
（ 2）（指示积算仪）组成。
Q Q
指示积算仪
1
2
涡轮流量
传感器
（二次仪表）
（一次仪表）
4.2.2 火灾参数的监测方法
感温探测
热对流
火焰探测
热辐射
能量转换
燃气探测
气体
离子感烟 光电感烟
烟雾
燃烧产生物（悬浮物）
火灾
