u型渠道水力计算

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 加大流量(m3/s) a1(m) a(m) <0.5 0.1～0.15 0.2～0.3 0.5～1.0 0.15～0.2 0.3～0.4 1.0～10 0.2～0.35 0.4～0.6 10～30 0.35～0.5 0.6～0.8

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 名称 过水断面 湿周 水力半径 上口宽 直线段外倾角 符号 已知条件 计算式 A X R B r、α、h2 r、α、h2 A、X r、α、H α r、B、H 圆心角 圆弧段高度 θ r、B、H h1 r、α 圆弧段以上水深 h2 r、α、h 水深 衬砌渠槽高度 h r、α、h2 H h、a1 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h2,圆弧以上水深h2和圆弧半径r有以下经验关系： (4-57)

式中： Na——直线段外倾角为a时的系数。a=0时的系数用N0表示。

直线段的外倾角a和N0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 r(cm) 15～30 a(°) 5～6 N0

Na=N0+sina (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：

30～60 6～8 60～100 8～12 100～150 12～15 150～200 15～18 200～250 18～20

0.65～0.35 0.35～0.30 0.30～0.25 0.25～0.20 0.20～0.15 0.15～0.10 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：

(4-59)

或

(4-60)

式中：

——圆弧的圆心角，rad；

Q——渠道的设计流量，m3/s；

r——圆弧半径，m；

a——直线段的倾斜角，(°)。

(3)求渠道水深h

h=h1+h2=h2+r(1－sina)=r(Na+1－sina) (4-61)

(4)校核渠道流速，计算过水断面面积：

(4-62)

计算断面平均流速：

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=0.8m3/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°N0=0.3。

则Na= N0=+sina=0.3+sin10°=0.474

=180°-20°=160°=2.793(rad)

h=r(Na+1-sina)=0.657(0.474+1-sin10°)=0.854(m)

h1=r(1-sina)=0.657(1-sin10°)=0.543(m)

h0=h2-rsina)=(h-h1)-rsina=(0.854-0.543)-0.657×0.174=0.197(m)

该流速值能满足不冲不淤要求。

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