u型渠道水力计算

U型渠的水力计算

U型断面接近水力最优断

面，具有较大的输水输沙能力，

占地较少，省工省料，而且由于

整体性好，抵抗基土冻胀破坏的

能力较强。因此，U型断面受到

普遍欢迎，在我国已广泛使用，

多用混凝土现场浇筑。

图4-31为U型断面示意图，

下部为半圆形，上部为稍向外倾斜的直线段。直线段下切于半圆，外倾角a＝5°～20°，随渠槽加深而增大。较大的U型渠道采用较宽浅的断面，深宽比H/B=0.65～0.75，较小的U型渠道则宜窄深一点，深宽比可增大到H/B=1.0。

U型渠道的衬砌超高a1和渠堤超高a(堤顶或岸边到加大水位的垂直距离)可参考表4-19确定。

表4-19 U型渠道衬砌超高a1和渠堤超高a值表

注：衬砌体顶端以上土堤高一般用0.2～0.3m。

U型断面有关参数的计算公式见表4-20。

表4-20 U型断面有关参数计算公式

U 型断面水力计算的任务是根据已知的渠道设计流量Q 、渠床糙率系数n 和渠道比降i 求圆弧半径r 和水深h 。由于断面各部分尺寸间的关系复杂，U 型断面的设计，需要借助某些尺寸间的经验关系，如公式(4-57)和表4-21给出的经验关系。设计步骤如下：

(1)确定圆弧以上的水深h 2,圆弧以上水深h 2和圆弧半径r 有以下经验关系：

2a h N r = (4-57)

式中： N a ——直线段外倾角为a 时的系数。a =0时的系数用N 0表示。 直线段的外倾角a 和N 0值都随圆弧半径而变化，见表4-21。 表4-21 U 型渠道断面尺寸的经验关系

为了保持圆心以上的水深与a =0时相同，则应遵守以下关系：

N a =N 0+sin a (4-58)

(2)求圆弧的半径r ,将已知的有关数值代入明渠均匀流的基本公式，就可得到圆弧半径的计算式：

(

)1/4

3/8

2

12sin cos 290a a r N N tg παααα︒=

⎡⎤⎛⎫-+-+ ⎪⎢⎥

⎝⎭⎣⎦

(4-59)

或

(

)3/8

1/4

2

2sin cos 2a a r N N tg θααα=

⎡⎤+-+⎢⎥⎣⎦

(4-60)

式中：——圆弧的圆心角，rad ；

Q ——渠道的设计流量，m 3/s ； r ——圆弧半径，m ； a ——直线段的倾斜角，(°)。

(3)求渠道水深h

h =h 1+h 2=h 2+r(1－sin a )=r (N a +1－sin a ) (4-61)

(4)校核渠道流速，计算过水断面面积：

()2

221sin 22cos 2

90r A h r h tg απααα︒⎡⎤⎛⎫=

--++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

(4-62)

计算断面平均流速：

Q

v A

=

该断面平均流速应满足不冲不淤要求。

【例4-7】某斗渠拟采用混凝土U 型断面，Q =0.8m 3/s ，n =0.014，i =1/2000，计算过水断面尺寸。

解：

根据经验估计r =60～80cm ，查表4-21，选择a =10°N 0=0.3。 则N a = N 0=+sin a =0.3+sin10°

=0.474 =180°-20°=160°=2.793(rad)

h=r(N a+1-sin a)=0.657(0.474+1-sin10°)=0.854(m)

h1=r(1-sin a)=0.657(1-sin10°)=0.543(m)

h0=h2-r sin a)=(h-h1)-r sin a=(0.854-0.543)-0.657×0.174=0.197(m)

该流速值能满足不冲不淤要求。