第一章 明渠水力计算.docx

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第一章明渠水力计算

　　第一章明渠水力计算

　　明渠水力计算分为明渠均匀流计算及明渠非均匀流计算，这不仅是渠道工程设计的主要计算项目，也是灌区水工建筑物设计中最基本的水力计算项目。

在渡槽、涵洞、陡坡等建筑物的设计中，常需推算水面线，水面线的推算属于明渠非均匀流计算。

消能计算中的下游尾水深计算及渡槽槽身的水力计算都是明渠均匀流计算；水面线计算中的正常水深也是按明渠均匀流计算。

因此本书将首先在此简要介绍明渠水力计算。

　　第一节单式断面明渠均匀流水力计算

　　一、计算公式

　　明渠均匀流的基本计算公式如式（1—1）一式（1—3）；

　　二、计算类型

　　根据设计条件及要求，单式断面明渠均匀流一般可分为以下（种计算情况：

（1）已知设计流量、渠底比降及渠底宽，计算水深。

（2）已知设计流量，渠底比降及水深，计算渠底宽。

　　（3）已知设计流量及过水断面面积、计算渠底比降。

　　（4）已知过水断面面积及渠底比降，计算过水流量。

　　上述第（3）、（4）两种情况可由式（1—1）直接求得计算结果，但不是设计中的主要计算情况．第

（1）、

（2）两种情况，因式（1—1）中的w、R、C等值均包含有渠底宽及

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水深两个未知数，因此不可能由式（1—1）简单求解，而需要经过反复试算才能得到计算结果，这两种是设计中常见的情况，为了减少计算工作量，过去多是借助有关的计算图表进行计算，现在则可采用电算。

　　三、算例

　　现以算例介绍单式断面明渠均匀流不同计算情况的计算方法和步骤。

　　[例1—1，已知某梯形断面渠槽的渠底宽为b＝1．5m，水深为h--3．2m，边坡系数

　　[例1—2]已知某梯形断面渠槽的设计流量为Q＝20．07m^3／s，渠底宽为b--1．Sm，边坡系数为m--2．5，渠底比降i=1／7000，糙率为n=0．025。

试计算渠道水深。

　　解：

本倒不可能由式（1—1）一次算出水深，需通过假定不同的水深反复试算才能求得所需值。

计算步骤是首先假定一个水深值，计算相应的w、R、C等值，然后按式（1—1）计算过水流量，如流量计算值小于设计流量，表明假定的水深偏小，再加大水深值重新计算；反之，则表明假定的水深偏大，再减小水深值重新计算，如此反复多次，直至按假定的水深计算的过水流量渐进等于设计流量时，该水深即为所求水深。

　　现假设水深为h=3．2m．

　　按例1—1步骤算得：

w＝30．4（m^2）；R＝1．623（m）；C＝43．36（m^0.5／s）

　　按式（1—1）计算过水流量为：

Q＝20．o?

（mVs）

　　因上述流量计算值等于设计流量，表明假定的水深3．2m即为所求水深。

本例省略了试算过程。

　　本例如是已知设计流量、渠道水深及渠底比降，要求计算确定渠底宽，也同样按上述步骤进行试算。

　　[“明渠均匀流水力计算程序”计算示例]按例1—1及例1—2的基本资料，“明渠均匀流水力计算程序”的计算显示输出如下。

　　明渠均匀流水力计算

　　程序编制说明

（1）本程序用于明均匀的渠道过水断面计算及临界水深计算：

（2）程序可根据需要分别对以下5种情况进行计算

　　1）已知流量．渠废宣及比降，计算水深：

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　　第二章水闸过水能力（孔径）计算

　　第一节开敞式水闸过水能力（孔径）计算

　　平底开敞式水闸过闸水流的流态为宽顶堰流，根据SL265—2001《水闸设计规范》（以下简称《规范》），其闸孔总净宽B。

按式（2—1）一式（2—6）计算：

以上式中：

B0为闸孔总净宽，m；Q为过闸流量，m^3/s;Hn为计入行近流速水头的闸上游水深（从闸底板顶面算起），m；f为重力加速度，9．81m／s^2；m为流量系数，闸底板与上游渠底相平时可采用0．335；E为侧收缩系数；6．为闸孔净宽，m；bi为上游河（渠）道—半水深处的宽度，m；N为闸孔数：

c为中闸孔割收缩系数；Eb为边闸孔侧收缩系数；dx为中闸墩厚度，m；bb为边闸墩顺水流向边缘线至上游河（渠）道水边线之间的距离，m;o为宽顶堰流淹没系数；hs为从闸底板顶面算起的下游水深，m。

　　开敞式水闸的过水能力（孔径）计算一般有3种计算情况：

（1）已知设计流量，计算确定闸孔净宽及孔数。

（2）已知闸孔净宽及孔数，计算确定过水流量。

　　（3）已知设计流量及孔径，计算确定闸上游水深。

　　第1种是设计中常见的计算情况，因侧收缩系数与闸孔净宽、孔数、闸墩厚度等值有关，在孔径及孔数等值未确定前，侧收缩系数还是未知数，因此有一个试算过程；

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　　第2种属闸孔过水能力复核情况，可利用上列公式一次算得过闸流量：

　　第3种计算情况因淹没系数与闸上游水深有关，在闸上游水深未求出前，淹役系数也未知，因此这种情况也有一个试算过程。

　　以下以算例介绍各种情况平底开敝式水闸水力计算的方法和步骤。

　　[例2—1]已知某平底开敞式节制闸的设计流量为Q＝86m^3／s从闸底板顶面算起的闸上游水深H=3．3m，从闸底扳顶面算起的闸下游水深hs＝2．8m，闸上游渠道底宽b＝12m，上游渠道边坡系数m1＝2．0，上游渠道水深同闸上游水深H，闸前行近流速V--1．42m／s，采用流量系数m=0．385．试计算确定闸孔总净宽Bo，并确定每孔净宽久及闸孔数N。

　　解：

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　　第三章水闸消能计算

　　第一节挖深式消力池计算

　　一、计算公式

　　根据SL2652001《水闸设计规范》（以下简称《规范》），挖深式消力池深度及长度按式（3—1）一式（3—7）计算（图3—1）：

以上式中：

d为消力池深度，q为水跃淹没系数，可采用1．05一1．10；h″c为跃后水深，m；hc为收缩水深，m;刷为下游河（渠）床水深，m；a为水流动能校正系数，可采用1．0—1．05；q为单宽流量，式（3-2）及式（33）按消力池进口宽计算，式（3—4）按消力池出口宽计算，m^3／（m·s）；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m，T0为由消力池底板顶面（判别是否需要消能设施时由下游渠底）算起的上游总能头，m；y为上游行近流速，m/s；p为流速系数，一般采用为0．95；△Z为出池水位落差，m；Lij（为消力池长度，m；L3为消力池斜坡段水平投影长，m；B为水跃长度校正系数，可采用0．7～0．8；L，为水跃长度，m。

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　　当闸下游接陡坡渠道，渠道水深h′s小于临界水深hk，或泄水闸后无明显的排水沟道，消力池出口后水流呈无约束的漫流状，下游尾水深h′s也可能小于临界水深hk。

在这种情况下，应注意正确采用消力池的下游控制水位。

消力池出口的流态相当于宽顶堰，消力池深度计算的边界条件即按宽顶堰考虑，当下游尾水深h′s大于临界水深时，相当于淹没式宽顶堰，消力池出口后（堰顶）的控制水深即为下游尾水深h′s；如果下游尾水深h′s小于临界水深，则消力池出口的流态相当于非淹没宽顶堰，消力池出口后（堰顶）的控制水深不再是下游尾水深h′s，而应为临界水深hk，如果仍以下游尾水深h′s作为消力池出口后的控制水深，消力池深度的计算值将偏大。

　　矩形断面临界水深h′s由式（3—8）计算：

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　　第四章渡槽水力计算

　　第一节矩形断面渡槽水力计算

　　渡槽的水力计算分为槽身，进口及出口3部分。

槽身一般按明渠均匀流计算，进口及出口各有关技术参考资料的计算方法有所不同，分别介绍如下。

　　一、计算公式

　　1．槽身水力计算公式

　　槽身一般按下列明渠均匀流公式计算：

以上式中：

Q为设计流量，m^3／s；w为槽身过水断面面积，m^2；R为水力半径，m；X为湿周，m；i为槽底纵坡；c为谢才系数，m^0.5／s；n为糙率。

　　2．进9水头损失（水面降落）计算公式

（1）按淹没式宽顶堰流量公式计算。

渡槽进口水流条件与淹没式宽顶堰相似，因此可采用淹没式宽顶堰的流量公式计算：

以上式中：

E为侧收缩系数，一般可采用0．95；为流速系数，一般可采用0．95；g为重力加速度，其值为9．81m／s^2；z，为进口水头损失（水面降落），m；Z0为包括行近流速水头在内的进口水头损失，m；V1为上游渠道流速，m／s；其余符号意义同前。

（2）按能量方程式计算。

由进口段（图4—1）断面1—1（上游渠道断面）及断面2—2（槽身断面）列能量方程式，可得进口水头损失（水面降落）z，为：

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以上式中：

V1为上游渠道流速，m／s；y为槽身流速，m／s；E1为进口水头损失系数，其值与进口连接段型式有关，可由表4—1查取；L1为进口渐变段长，m；J1为进口渐变段的平均水力坡度；R1为进口渐变段的平均水力半径，m；C1为进口渐变段的平均谢才系数，m^0.5／s；其余符号意义同前。

式中：

Z1为侧收缩引起的进口水面降落，m；k为闸墩头形状系数，半圆形墩头可取为0．9;a为中隔墙总厚度与槽身净宽（即进口渐变段末端净宽）之比；m为束窄断面的流速水头与水深之比；V为槽内流速，m／s。

　　3．出口水位回升计算公式

（1）按与进口水头损失（水面降落）的关系计算。

根据实际观测资料，出口水面回升值Zz与进口水头损失值Z1有一定关系，进口水头损失越大，出口水位回升也越大。

一般在进口水头损失按淹没式宽顶堰公式计算时，出口水位回升Z：

近似按式（4—10）计算：

式中：

Z2为出口水位回升，m；V2为下游渠道流速，m／s；E2为出口水头损失系数，其值与出口连接段型式有关，可由表4—1查取；L2为出口渐变段长，m；R2为出口渐变段的平均水力半径，m；C2为出口渐变段的平均谢才系数，m^0.5／s；其余符号意义同前。

　　式（4—7）及式（4—12）较一般计算进口水头损失及出口水位回升时增加一项渐变段的沿程摩阻捐失，因其值在总水头损失中所占比例很小，一般在计算时多忽略不计，而

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　　第五章倒虹吸管水力计算

　　第一节矩形断面倒虹吸管水力计算

　　一、计算公式

　　倒虹吸管为压力管流，各有关技术参考资料的倒虹吸管水力计算公式有一定出入，分别介绍如下。

　　1．《水力计算手册》的计算公式

以上式中：

AZ为倒虹吸管总水头损失（上下游渠道水位差），m;△Z1为进口渐变段水头损失（水面降落），m;△Z2为进口渐变段末端至管出口断面的臂身水头损失（水面降落），m;△Z3为出口渐变段水面回升，m;V1为上游渠道平均流速，m／s；v2为进口渐变段末端流速，m／s;V为管身流速，m／s;V3为下游渠道平均流速，m／s；w1为上游渠道过水断面，m^2；w2为进口渐变段末端过水断面，m^2；w为管身断面，m^2；w3为下游渠道过水断面，m^2；L，为管身计算段长度，m：

Ri为管身计算段水力半径，m；Ci为管身计算段谢才系数，m^0.5／s；E1为进口渐变段的局部水头损失系数；E2为出口渐变段的局部水头损失系数；Ei为管道局部水头损失系数，分别为拦污栅水头局部头损失系数E3、闸门槽局部水头损失系数E4、管进口局部水头损失系数E5、管身弯道局部水头损失系数E6等。

　　各项局部水头损失系数分别采用如下：

（1）进、出口渐变段局部水头损失系数E1及E2