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水利工程设计
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根据工程中常遇到的情况,我们将明渠按照进口型式分为两类:
第一类 溢流堰型明渠
这是最常用到的堰型,大多数的明渠均可按这类进行计算。
第二类 非溢流堰型明渠
通常指具有较长的引渠或进口不设堰类的或平底坡明渠(常常与水工永久建筑物结合)等。
1. 溢流堰型明渠
在这种类型当中,常见的是具有宽顶堰型的,其泄流量按宽顶堰计算:
控制底宽: ⑴ 矩形断面BK=B ⑵非矩形断面: BK=AK/HK;
下游水深hs分两种情况:
1) 明渠较短或陡坡急流或水面曲线的控制断面在堰后的,当hk≥hs1时,按hs=hk计算,否则按hs=hs1计算。hs1 为 实际的明渠出口水深,根据出口水位~流量关系曲线插值所得。
2) 明渠较长或水面曲线的控制断面在明渠出口的,要推求水面曲线以确定堰后水深,继而计算泄流量。
2.非溢流堰型明渠
对于这种类型的明渠,一般先根据进、出口的衔接情况判断水面曲线的类型,确定控制断面位置及水深,然后推求水面曲线,最后得出进口的水位~ 流量关系。
控制底宽:⑴矩形断面:Bk=B ⑵非矩形断面:BK=Ak/Hk.
3.水面曲线的计算
1) 水面曲线类型
根据渠道的底坡,分为顺坡(i>0)、平底坡(i=0)、逆坡(i < 0)三种情况,按渠道首尾部的衔接条件大体分为10类:
①渠道的首部接上游的跌坎
②渠道的首部为闸孔出流 (常为水工泄水闸)
③首部从较缓的坡进入本渠道
④首部从较陡的坡进入本渠道
⑤渠道首部为实用堰
⑥渠道尾端为闸、堰、坝、桥墩等束窄水流的建筑物
⑦渠道尾端为跌坎
⑧渠道尾端接更陡的坡
⑨渠道尾端接更缓的坡
⑩渠道末端进入水库或湖泊
判别步骤:
A. 区分坡型:顺坡、平底坡、逆坡
B. 对于顺坡,首先计算临界水深hk和正常水深h0,如果hk<h0,为缓坡,如果hk>h0,为陡坡;如果hk=h0,为临界坡。
a) 顺坡情况:一般来说,在渠道末端建有闸、坝、堰、桥墩等束窄水流的建筑物或者渠道下游与水库或湖泊相连且下游水深ht〉h0时,形成M1型壅水曲线;在渠道墩末端有跌坎、渠道末端接有陡坡、渠道下游与水库或湖泊相连且下游水深ht〈h0时发生M2型降水曲线;若是渠道首部为闸孔出流或首部为陡坡、跌坎或首部为实用堰溢流,则发生M3型壅水曲线。
b) 陡坡情况:渠道尾端有障碍物(如堰、坝、消力坎等)或其下游坡度突然变缓时,常发生S1型壅水曲线;如果渠道的首部是从一段较缓的坡进入本渠道,发生S2型降水曲线;如果本渠道的尾端接一段陡坡,且后接的陡坡段比本坡段为缓时,发生S3型壅水曲线。
c) 临界坡情况:如果渠道的末端接水库或湖泊,且ht〉hk时,发生C1型壅水曲线;如果本渠道的首部是陡坡后进入本坡段时,发生C3型壅水曲线。
对于平底坡和逆坡,其判别方法同顺坡渠道上的缓坡情况一样分析,水面曲线分别为H2、H3和A2、A3四种类型。
C.确定控制断面,起始水深,见下表:
坡 度 曲线名称 控制断面位置 控制断面水深 相对于控制断面的曲线类别 相对于坡段首部的曲线类别
顺坡 缓坡 M1 尾部 ht 下降曲线 壅水曲线
M2 尾部 ht或hk 上升曲线 降水曲线
M3 首部 hc 上升曲线 壅水曲线
陡坡 S1 尾部 ht 下降曲线 壅水曲线
S2 首部 hk 下降曲线 降水曲线
S3 首部 hc 上升曲线 壅水曲线
临界坡 C1 尾部 ht 下降曲线 壅水曲线
C3 首部 ht 上升曲线 壅水曲线
平坡 H2 尾部 ht或hk 上升曲线 降水曲线
H3 首部 hc 上升曲线 壅水曲线
逆坡 A2 尾部 ht或hk 上升曲线 降水曲线
A3 首部 hc 上升曲线 壅水曲线
(注:控制断面水深为ht或hk的项,如果ht≤hk,则控制断面水深为hk;如果ht)hk,则控制断面水深按ht计算)
D.水面曲线的计算
一般水面曲线的计算采用分段直接求和法,计算公式基于能量方程:
改成有限差的形式:
J、V、C、R分别为对应于h=(h1+h2)/2的诸水力要素。计算形式分为两种,其中第一种为直接计算,第二种为试算法,具体的计算形式参见水力学有有关参考书:
第一种:已知断面形式和尺寸,i,n,h1,h2,Q,求△S。
计算步骤为:已知第一、二断面的各水力参数,求出断面水力要素和总能量E1、E2,则公式(13)中除△S外都是已知数,即可求得△S。
第二种:已知断面形式和尺寸,i,n,h1,△S,Q,求h2。
计算步骤为:已知第一断面的各水力参数,求出断面水力要素和总能量E1假设第二断面水深h2,求出第二断面水力要素和总能量E2,然后代入公式(13)中看公式的两边是否相等,若相等则试算成功,否则再假设h2,重复计算直到公式(13)两边相等为止。
具体计算可参见"HYDRAULICS2000 V2.0程序"
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