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4-19U型渠道衬砌超高a1和渠堤超高a值表加大流量(m3/s)0.50.5～1.01.0～1010～30a1(m)0.1～0.150.15～0.20.2～0.350.35～0.5a(m)0.2～0.30.3～0.40.4～0.60.6～0.8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4-20U型断面有关参数计算公式名称符号已知条件计算式过水断面Ar、α、h2222°1sin22cos290rhrhtg湿周Xr、α、h22°2h190cosr名称符号已知条件计算式水力半径RA、XAX上口宽Br、α、H2cos(1sin)rHrtg直线段外倾角αr、B、H1122/2cos90r/2BrtgHBHr圆心角θr、B、H1122/23602cos/2BrtgHrBHr圆弧段高度h1r、α1sinr圆弧段以上水深h2r、α、h1sinhr水深hr、α、h221sinhr衬砌渠槽高度Hh、a11ha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：2ahNr(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4-21U型渠道断面尺寸的经验关系r(cm)15～3030～6060～100100～150150～200200～250a(°)5～66～88～1212～1515～1818～20N00.65～0.350.35～0.300.30～0.250.25～0.200.20～0.150.15～0.10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：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：1/43/85/822190cos12sincos290aaaNnQirNNtg(4-59)或3/81/45/822cos2sincos2aaaNnQirNNtg(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hh=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：2221sin22cos290rAhrhtg(4-62)计算断面平均流速：QvA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。