总第１５卷１６８期 ２０１３年８月 大众科技 Ｐｏｐｕｌａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＯＩ．１５ Ｎ０．８ Ａｕｇｕｓｔ ２０１３ 明渠均匀流水力设计技术 黄民标 （南宁市良庆区大塘镇农业服务中心，广西南宁５３０２３２） 【摘要】明渠是指人工渠道、天然河道以及非满管水流的管道，明渠水流具有共同的水力特征，即具有自由表面，且自 由表面上的气体大气压，依靠重力能流动。明渠水流分为恒定流与非恒定流，明渠恒定流又分为明渠均匀流与明渠非均匀流。 【关键词】明渠水流形成；水务特征；允许流速 【中图分类号】ＴＶ６７ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１００８．１１５１（２０１３）０８．００３４－０２ Ｕｎｉｆｏｒｍ ｆｌｏｗ ｉｎ ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ａｒｔｉｉｃｉａｌｆ ｃｈａｎｎｅｌ，ｎａｔｕｒａｌ ａｎｄ ｎｏｎ—ｆｕｌｌ ｐｉｐｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｉｐｅ，ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ ｈａｖｅ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｈａｖｅ ａ ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｏ ｌｆｏｗ ｂｙ ｇｒａｖｉｔｙ．Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｌｆｏｗ ａｎｄ ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｌｆｏｗ ｉｎｔｏ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｌｆｏｗ；ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｕｎｉｆｏｒｍ ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｌｆｏｗ ａｎｄ ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ ｏｐｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒｗｏｒｋｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ａｌｌｏｗ ｆｌｏｗ １ 明渠水流渠道土质情况 水面曲线类型及实例 水面曲线特征 为通过一定的流量，可采用不同大小的过水断面，则渠 道中将有不同的平均流速。如果流速过大，可能冲刷渠道， 使其遭到破坏；如果流速过小，又会导致水流中挟带的泥沙 淤积，降低渠道的过水能力。因此，在管渠的设计中，除了 要考虑水力最优断面这一因素外，还须对渠道的最大和最小 流速进行校核，以免渠身遭受冲刷或淤积。 所谓允许流速，即对渠道不会产生冲刷，也不会使水中 悬浮的泥沙在管渠内发生淤积的断面平均流速，设计渠道时 诮使断面平均流速小于最大不冲刷流速Ｕｍａｘ，以及大于最小 不淤积流速Ｕｍｉｎ。 即Ｕｍｉｎ＜Ｕ＜Ｕｍａｘ ，－Ｏ ｂｏ型水面曲线上端以水 、 … …－，ｌ ； 一 平线为渐近线，下端与Ｋ Ｋ线垂直，水深沿程减 ，— ’： ， 小是形状上凸的降水曲 线 巾“一 —知 ＼ ‘ 型水面曲线上端水深 视具体情况而定，下端与 Ｋ＿Ｋ线垂直．水深沿程 …Ｈ…ｔ … １一 增加，是形状下凹的壅水 曲线 渠道中的最大允许不冲刷流速Ｕｍａｘ的大小，取决于管道 材料或渠道土质情况，设计时可参考《给水排水设计规范》 ＝ 暑 一… ｂ线Ｋ型为线水渐垂面近直曲线，线．水上下深端沿以与水程Ｋ平－减 小．是形状上凸的降水曲 线 中的有关数据，一般，为了防止微生物在管渠中滋生，泥沙、 悬浮物的淤积，管渠中的最小允许不淤积流速Ｕｍｉｎ应不小于 ０．６ｍ／ｓ。当然，在进行管渠水力计算时，如果Ｕ＞Ｕｍａｘ，或Ｕ ＜Ｕｍｉｎ，就应当高地调整流速的大小。根据谢才公式，Ｕ与ｉ 同、Ｒ和ｎ有关，因此就应从这几个水力要素调整Ｕ的数值， ｒ ｃ。型水面曲线上端视具体 情况而定，下端与Ｋ——Ｋ Ｊ＜０ 线垂直，水深沿程增加， 是形状下凹的壅水曲线 使之满足要求。 ２明渠均匀流的水力计算 应用基本公式可解决工程实践中常见的明渠均匀流的水 梯形断面明渠均匀流可以看出，对于梯形渠道，各水力 要素间存在着下列函数关系： Ｑ ＡＣ４Ｒｉ＝ｆ（ｍ，ｂ…ｈ １ 这就是说，上式中包括Ｑ，ｂ，ｈ，ｉ，ｍ，ｎ六个变量，一 般情况下，边坡系数ｍ及粗糙系数ｎ是根据渠道护面材料的 各类，用经验方法来确定。因此，梯形渠道均匀流的水务计 力计算问题。在给排水工程中，无压圆管均匀流和梯形断面 明渠水流应用最广。由一断面几何特点的不同，将分别讨论 其水力计算。 【收稿日期】２０１３—０６—２５ 【作者简介】黄民标（１９６８一），男，广西南宁人，南宁市良庆区大塘农业服务中心助理工程师。 ．３４．． 算，实际上是根据渠道所担负的生产任务、施工条件、地形 及地质状况等，预先选定Ｑ，ｂ，ｈ，ｉ四个变理中的三个，然 后应用水力计算公式求另…个变量，工程实践中所提出的明 渠均匀流的水力计算问题，主要有下列几种类型。 ２．１确定渠道的输水能力 已知渠道的断面尺寸ｂ，ｍ，ｈ及底坡ｉ，粗糙系数ｎ，求 通过的流量（或流速）。 ［例１］ 某渠道的断面为矩形，按水力最优断面设计， 底宽ｂ＝８ｍ，渠道用石料砌成（ｎ：０．０２８），底坡ｉ＝ｌ／ＢＯＯ０。 试校核能否通过设计流量２０ｍ。／ｓ。 ［解］因渠道较长，断面规则，底坡一致，故可按均匀流 计算。由于是水力最优矩形断面，所以有 水深ｈ＝ｂ／ｚ＝４ｍ 过流断面Ａ＝ｂｈ＝８×４＝３２ｍ 湿周ｘ：ｚｈ＋ｂ＝Ｚ×４＋８＝１６ｍ 水力半径Ｒ＝Ａ／ｘ＝３２／１６＝ｚｍ 谢才系数Ｃ＝ ＲｊＩ；：４０１＝ ×２．１ ／ ＂０．０２８ ｒ————— —一 流量Ｑ＝ＡＣ ：３２×４０．１×，Ｖ／ ８２×—Ｌ：２００００ ０．３ ／ 可见能够满足设计要求。若不能满足，就要调整Ｉ或１３ 来满足设计 要求。 ２．２确定渠道底坡 已知渠道的设汁流量Ｑ，水深ｈ，底宽ｂ，粗糙系数量ｎ 及边坡系数ｍ，求底坡ｉ。 这一类问题，相当于根据其他技术要求，拟定了断面形 式、尺 ｒ及护面情况，而计算底坡，可可利用公式 ｉ＝Ｑ Ｑ 求解。 Ａ。。’ ２’。Ｃ。‘‘２ —Ｒ—— Ｒ ——２ ［例２］ 一棱柱体渠道，断面形状为矩形，渠道为钢筋 凝＝ 护面（ｎ＝Ｏ．０１４），通过流量为Ｑ＝２５．６ｍ ／ｓ，过流断面面 积为５．１ｍ ，水深３．０８ｍ。问此渠道底坡应为多少？ ＾２ ［解］ ‘．‘ｉ＝ 兰二－ Ｒ Ｋ＝Ａｃ ｃ＝ ‘’＿Ｈ一Ａ ： 兰 ：１．３９５ ，＂ Ｘ ｆ５．１＋２Ｘ３．Ｏ８） ｃ： Ｒ ：１１——×１．３９５：：７５．５ ／ ｎ ０．０１４ Ｋ＝ＡＣ√ ＝５．１×３．０８×７５．５√１＿３９５＝１４００ｍ ／ｓ ． ．ｉ ：２５ ／１４００ ：１／３０００ ２．３确定渠道断面尺寸 已知Ｑ，ｉ，ｍ及ｎ，求ｂ和ｈ ｏ我们从Ｑ＝Ａｃ√面＝ｆ（ｍ，ｂ…ｈ ） 可知，ｈ和ｂ都隐含在关系式中，无法直接求解，须按下述 一３５． 试算——图解法进行计算。 （１）已知Ｑ，ｉ，ｎｌ，ｎ， ｂ，求ｈ＝？ 试算——图解法的步聚如下，可先假设一 ‘系列ｈ值，代 入注模数的计算公式，计算相应的Ｋ值，并绘成ｈ—Ｋ曲线， 然后根据已知流量Ｑ，计算相应的Ｋ，在曲线上依据Ｋ即可查 出要求的ｈ值。 ［例３］ 已知某梯形渠道的流量Ｏ＝ｌｍ３／ｓ，底坡 ｉ＝Ｏ．０００６，当地为密实黏土（ｎ＝Ｏ．０３），按施工和使用条件要 求底宽ｂ＝１．５ｍ，求该渠道的水深ｈ， ：４０舳 、／ｊ 假设ｈ＝１．Ｏｍ，０．９ｍ，０．８５ｍ，０．８０ｍ，计算相应的Ａ，ｘ， Ｒ，Ｃ及Ｋ值如下表： ｈ（ｍ） Ａ｛ｍ ） ｘ（ｍ） ｍ１ Ｃ（ｍ２／ｓ） Ｒ《ｒ ／ｓ） １ ０ ２．５０ ４ ３８ ０ ５８ ３０４４ ５７ ９６ Ｏ９ ２ｌ６ ４ ０５ ０ ５３ ２９ ９９ ４７ｌ４ ０ ８５ ２ ００ ３ ９０ ０ ５ｌ ２９ ６９ ４２ ４１ ０ ８０ ｌ ８４ ３ ７８ ０４９ ２９ ５９ ３８ Ｉｌ 将上表绘作ｈ—Ｋ曲线。在横坐标上，取Ｋ＝４０．８ｍ ／ｓ，引 垂线和曲线相交，从交点引水平线，得ｈ＝Ｏ．８２ｍ。 （２）已知Ｑ，ｉ，Ｉｌｌ，ｎ和ｈ，求ｂ：？ 这类问题解法，和上述已知ｂ求ｈ相类似，仅仅用ｂ代 替ｈ即可。 明渠横断面的形状常见的有圆形、矩形和梯形；根据明 渠纵断面形状要至少和水力要素的变化，明渠可分为棱柱体 明渠和非棱柱体明渠；根据其底坡变化可分为顺坡明渠、平 坡明渠和逆坡明渠。明渠均匀流的形成条件是水流为恒定流； 流量沿程不变；渠道应为长而直的棱柱体明渠；明渠均匀流 的水力计算公式是恒定流连续方程式Ｏ＝Ａ 和谢才公式ｕ＝ Ｃ√鬲，综合以上两个公式，流量的计算公式可写为Ｑ＝ ＡＣ√ ｆ，或Ｏ＝Ｋ ，式中Ｋ＝ＡＣ√Ｒ，称为流量模数，或特 征流量，它综合地反映明渠断面形状、尺寸和水力粗糙度对 过水能力的影响。 在明渠断面设计中提出了水力最优断面的概念。所谓水 力最优断面是指在设计流量一定时，断面丽积最小；或过水 面积一定时，通过的流量最大。它仅是设计断面形状的一个 理论依据。允许流速是指水流不会对渠道或管道产生冲刷， 也不会使悬浮的泥沙在管渠内发生淤积的断面平均流速，它 存在一个范围，即Ｕｍｉｎ＜ｕ＜ｕｍ ，ｕ…。为最小不淤积流速，Ｕ… 为最大不冲刷流速。 梯形渠道明渠均匀流的水力计算分为三类问题：明渠输 水能力的计算和底坡的确定，可以直接应用水力计算公式求 得；确定明渠的断面尺寸，如水深和底宽，则利用试算—— 图解法求解更为方便可行；无压圆管均匀流的水力计算由于 其水力要素的计算非常复杂，因此建立了反映充满度与流速 比、流量比之间关系的输水性能曲线来计算确定无压圆管均 匀流的流量、流速或管径。
