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明渠均匀流糙率系数的近似取值法王钢钢1，张鑫21河海大学水利水电工程学院，南京 (210098)2河海大学环境工程学院，南京 (210098)E-mail：wanggang@摘要：本文利用实验室可变坡水槽进行了光滑和粗糙两种类型的实验，测得明渠均匀流时的流量、水深，利用明渠水力计算方法计算出明渠均匀流的糙率系数，并提出明渠均匀流糙率系数近似的取值法和对于明渠均匀流光滑床面和粗糙床面都适用的近似公式。
关键词：明渠糙率系数均匀流流量1．引言糙率，是衡量壁面粗糙情况的一个综合性系数[1]，通常以n表示。
n值愈大，在其他条件相同的情况下，通过的流量就愈小。
对于天然河流来说，糙率是河床、岸壁的不规则性和表面粗糙度以及其他影响因素的一个综合性指标。
在国民经济建设中，有关桥涵建设、防汛抢险的洪水演算、水资源调配的输水损失计算以及其他水利工程的水力计算中，都要涉及糙率计算。
在公路铁路建设中的桥涵设计以及旧桥加固改造时的水文计算，国土整治中的河道治理，水利建设中的输水损失计算，防汛抢险中的洪水演算等方面，糙率系数是重要设计参数[2]。
河渠糙率是水文、水力计算中一个关键的技术参数；沟床糙率是泥石流流速计算的重要参数；地表糙率系数n值对地表径流流速、流态、渗透及其冲刷能力的影响作用很大，其研究对探讨坡面径流对地表冲刷能力、坡面水沙运动规律、改善水文循环过程及采取水土保持措施决策具有重要的意义[3,4]。
在山区水利水电工程设计中，常要进行河道断面的水位流量关系、水库回水、河道水面线推算，有时还要进行河道洪水演进、水库冲淤等分析计算，在这些计算中最困难之处在于确定糙率n[5]；调水工程中，长距离调水最敏感的问题就是沿程水头损失，与沿程水头损失密切相关的就是渠道糙率的取值问题。
渠道糙率n取值大小关系到整个渠道的设计和建设成本，渠道糙率n 取值大小是否合理关系到整个调水工程的成败[6]；水电站建坝后, 其坝上库区为水库型天然河道, 在对水电站的水流特性或库区的洪水预报、洪水演进等研究中, 糙率的选取是至关重要的[7]。
河海大学水资源规划与利用复习资料一、水资源特点：流动性，可再生性，多用途性，公共性，利与害的两重性水资源的综合利用：同时满足几个部门的需要，并且将除水害和兴水利结合起来统筹解决，这种开发水资源的方式，称为水资源的综合利用防洪与兴利矛盾：疏浚河道有利于防洪、航运等，但降低了河水位，可能不利于自流灌溉引水；若筑堰抬高水位引水灌溉，又可能不利于泄洪，但却降低了水电站的水头，使所发电能减少。
二1水资源评价的涵义与任务水资源评价是对某一地区或流域水资源的数量、质量、时空分布特征、开发利用条件、开发利用现状和供需发展趋势作出的分析估价。
它是合理开发利用和保护管理水资源的基础工作，为水利规划提供依据依据：《中华人民共和国水法》《水资源评价导则》(SL/T238-1999)水资源评价的内容：水资源评价的背景与基础水资源数量评价水资源质量评价水资源开发利用及其影响评价水资源综合评价2、中国水资源评价分区10个一级区——按流域水系划分，以松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河和西北诸河80个二级区——一级区以下划分二级区，基本保持河流水系完整性；3、水平年、典型年和系列法●水平年基准年：为现状情况，又称现状水平年，是指进行水资源评价工作的现状情况，以某一年为标准——力求准确地反映实际情况近期水平年：为近期情况，一般为基准年以后的5～10年——要求有一定的精度——供需分析时应进行平衡的调整中期水平年：为远景情况，一般为基准年以后的15～20年——精度要差一些——供需分析时也可不作调整平衡远期水平年：一般为基准年以后的30～50年——精度将会更差一些——仅侧重于区域水资源承载能力的宏观分析●典型年法典型年法又称代表年法首先根据对已有水文气象资料进行频率分析的成果，确定平水年和枯水年等不同典型年的雨情和水情，然后在此基础上对各水平年的水资源供需情况进行分析我国规定，平水年保证率P＝50％，枯水年保证率P＝75％，特枯水年保证率P=90％（或95％）典型年选择一般选水利年或水文年，合理确定年总水量和年内分配同一年各分区的保证频率不同时——上、中、下游或各分区的协调降雨和径流的频率不同时——根据实际情况分析确定：供水主要靠河川径流、而且有较强水库调蓄能力的情况，也应按径流系列选择；河川径流供水相对较少且调节能力差的区域，应按降雨系列选择●系列法系列法，又称为水资源供需平衡动态模拟法——根据所选的水文气象系列，通过逐年逐时段计算，进行未来的水资源供需分析一次历史系列法历史系列循回组合法随机系列模拟法4、水文三要素：降水、径流与蒸发5、主要水均衡参数●给水度给水度随地下水位埋深的增加而加大●降雨入渗补给系数降雨入渗补给系数有随埋深h加大而减小的趋势●潜水蒸发系数●渠系渗漏与灌溉入渗补给系数6、水质标准按功能高低将水质划分为五类：●Ⅰ类：主要适用于源头水，国家自然保护区。
----------------------------精品word 文档 值得下载 值得拥有---------------------------------------------- 0 7监理、班《水电站》试题答案（A 卷）一、计算题1、已知水轮机为HL240—LJ —120，水电站的H max =37m, H P =31m, H min =25m,尾水位为180 m ，各水头对应的气蚀系数为：H max 时，22.0=σ，H P =31m 时，23.0=σ，H min =25m 时，24.0=σ。
坐环高度b 0=0.365D 1，确定水轮机的安装高层。
（20分）解：1）计算吸出高度可得吸出高度分别为0.18，1.43，2.8。
2）计算安装稿酬4.18020=++∇=b H Z s a 取吸出高度为179.4米2、已知水管直径D=1.8m,管长L=120m,流速V=5m/s,静水头H 0=60m,波速a=990m/s,阀们的关闭时间T s =5s,计算从全开到全关的水锤压强。
（20分）解：1）直接与间接判断T s =2L/a=0.24s<5s 为间接水锤2）第一相与末相判断属末相水锤。
3）227.0221=-=σσξ △H=13.63m考虑水锤时的总水头为73.63米。
3、已知水管直径D=1.8m, 静水头H 0=60m, 水锤的动水压力△H=13.63m ，钢管[]a MP 4.129=σ，焊缝系数95.0=φ，计算压力水管管壁厚度。
（20分） 解：计算内压：H=60+13.63=73.63m P=γH=0.722MP a管壁厚度[]mm t 6.828.0Pr =+=σφ 取t=10mm t mm D >=.5.131301不满足抗外压稳定，需设置刚性环。
4、已知水轮机为HL240—LJ —120，水电站的H max =37m ，H P =31m, H min =25m ，尾水位为180 m ，设计流量为9.2m 3/s ，坐环直径为2.06m ，确定水轮机的蜗壳尺寸。
《某小型水电站设计》课程设计学生姓名：学号：专业：水利水电指导教师：第一章内容简介内容摘要本设计为一座引水式径流开发的水电站。
拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。
电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。
在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。
池底纵坡为1：10。
通过计算得压力前池有效容积约320立方米。
大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。
整个设计根据地形及地质条件和相关资料、规格等要求，进行全面结合考虑，力图合理、科学，有较强的实用性。
关键词：引水式径流水电站设计规划第二章有关设计资料2.1 厂区地形和地质条件水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。
沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。
并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约2～2.5米。
以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。
2.2 水电站尾水位厂址一般水位10.0米。
厂址调查洪水痕迹水位18.42米。
2.3 对外交通厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。
2.4 地震烈度本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。
第三章 水轮机型号及主要参数选择本水电站的最大水头H max =65m ，，最小水头H min =50m ，平均水头H av =57.0m ；水轮机的装机容量N y =3380kW ，装机台数4台，单机容量N y1=845kW 。
对于引水式电站，设计水头H r =H av =57m 。
河海大学文件河海校政…2008‟70号────────────────────关于印发《河海大学水电计量管理实施办法（试行）》的通知各单位：为贯彻执行国家有关加强节能工作和教育部关于推进高等学校节约型校园建设的文件精神，进一步规范我校水电管理工作，增强师生员工的成本意识和节能意识，合理、有效地使用学校的水电资源，促进学校事业的可持续发展，结合当前学校资源配置改革总体要求，特制订《河海大学水电计量管理实施办法（试行）》，现予印发，请遵照执行。
该办法试行期间，学校水电计量管理工作领导小组同时征集各单位或个人提出的合理化建议，逐步完善学校水电计量管理实施办法。
附件：河海大学水电计量管理实施办法（试行）二○○八年六月二十三日主题词：水电计量管理办法通知河海大学校长办公室 2008年6月23日印发录入：刘长清校对：胡忠平附件：河海大学水电计量管理实施办法（试行）一、总则第一条为贯彻执行国家有关加强节能工作和教育部关于推进高等学校节约型校园建设的文件精神，进一步规范我校水电管理工作，增强师生员工的成本意识和节能意识，合理、有效地使用学校的水电资源，促进学校事业的可持续发展，结合当前学校资源配置改革总体要求，特制订本实施办法。
第二条水电计量管理组织机构学校成立由分管校领导负责、相关职能部门领导和部分学院领导组成的水电计量管理工作领导小组，其主要职责是：1、制订学校节水节电管理办法；2、审核各单位年度水电使用计划及水电经费分配方案；3、考核各单位节水节电完成情况；4、拟订学校节水节电奖罚方案。
全校节水节电日常管理、水电计量、售电等工作由学校节水节电办公室（以下简称节水节电办）负责。
第三条水电计量管理原则1、资源节约、效益优先原则。
通过水电计量管理改革，在广大师生员工中强化节约观念和意识，以资源的可持续利用支持学校的可持续发展。
在厉行节约的基础上，学校鼓励各部门合理、有效使用水电资源，特别是在优势学科建设和重大项目建设方面给予一定的水电补贴倾斜政策。
第一节渠道
/jpkc/sgjianzhuxue/webclass1201.htm 一、渠道的功用、要求及类型
水电站渠道可当作引水渠，为无压引水式水电站集中落差，形成水头，并向机组输水；也用作尾水渠，将发电用过的水排人下游河道。
尾水渠道通常很短，以下主要讨论引水渠道。
对水电站引水渠道的基本要求包括：
（1）、有足够的输水能力。
渠道应能随时向机组输送所需的流量，并有适应流量变化的能力。
（2）、水质符合要求。
要防止有害的污物及泥沙经渠首或由渠道沿线进人渠道，在渠末水电站压力管道进口处还要再次采取拦污排冰、防沙等措施。
（3）、运行安全可靠。
渠道中既要防冲又要防淤，为此渠内流速要小于不冲流速而大于不淤流速；渠道的渗漏要限制在一定范围内，过大的渗漏不仅造成水量损失，而且会危及渠道的安全；渠道中长草会增大水头损失，降低过水能力，在气温较高易于长草的季节，维持渠中水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可抑制水草生长；在渠道中加设护面既可减小糙率，又可防冲、防渗、防草，还有利于维护边坡稳定，但造价较贵，严寒季节，水流中的冰凌会堵塞进水口拦污栅，用暂时降低水电站出力，使渠中流速小于0.45-0.60m/s，以迅速形成冰盖的方法可防止冰凌的生成，为了保护冰盖，渠内流速应限制在1.25m/s以下，并防止过大的水位变动。
（4）、结构经济合理，便于施工运行。
水电站渠道按其水力特性分为非自动调节渠道和自动调节渠道。
非自动调节渠道末端压力前池处（或接近渠末处）设有泄水建筑物，如溢流堰（见图7-1)或虹吸泄水道。
当渠中通过最大流量时，压力前池水位低于堰顶；当流量减小到一定程度时，水位超过堰顶，溢流堰开始溢流。
当水电站引用流量为零时，通过渠道的全部流量由溢流堰溢走。
溢流堰的作用是限制渠末水位以及保证下游用水。
若下游无用水要求，则当水电站引用流量减小时要相应关小渠道进口的闸门以减少弃水。
非自动调节渠道的堤顶高程为渠内最高水位加上安全超高，堤顶与底坡大致平行。
实际工程中大多数发电渠道都属此类渠道。
图12-1 非自动调节渠道示意图
自动调节渠道渠末不设溢流堰。
当水电站引用流量为零时，渠中水位是水平的，因而堤顶基本上是水平的，渠道断面向下游逐渐加大。
自动调节渠道只用于渠线很短的情况，进口可只设检修闸门。
二、渠道的水力计算特点
渠道水力计算的基本原理及方法已在水力学中讲过，水力计算可分为恒定流计算及非恒定流计算两种，它们是决定渠道尺寸及拟定水电站运行方式的基础。
（一）恒定流计算
对于给定的渠道断面形状、底坡及糙率，利用谢才公式可求出均匀流下正常水深，与流量之间的关系曲线，如图7-2中的曲线①。
根据给定的断面，假定一系列临界水深,可算得与其相对应的流量，从而作出～关系曲线，即曲线②。
对于给定的渠首设计水深，（即水库为设计低水位、闸门全开下的渠首水深），利用水力学中非均匀流水面曲线的计算方法
可求出渠道通过不同流量时渠末的水深,从而绘出～关系曲线，即曲线③。
根据渠末溢流堰的实际尺寸，按堰流公式可以得出渠末水深（等于堰顶至渠底的高度，加上堰上水头）与溢流流量
的关系曲线～，即曲线④。
图12-2 渠末水深与流量关系
这几根曲线的关系及意义如下：
曲线①与曲线③的交点N表示=，渠内发生均匀流。
此时的流量相应于渠道的设计流量。
若水电站引用流量大于，<，渠中出现降水曲线，且随着流量的增加迅速减小。
的极限值是临界水深，即
曲线②与曲线③的交点C。
此时的流量为给定渠首水深下渠道的极限过水能力。
一般取水电站的最大引用流量为渠道
的设计流量（而不是令等于），这是因为：
（1）使渠道经常处于壅水状态工作，以增加发电水头；
（2）避免因流量增加不多而水头显著减小的现象；
（3）使渠道的过水能力留有余地，以防止渠道淤积、长草或实际糙率大于设计采用值时，水电站出力受阻（即发不出额定出力）。
水电站引用流量小于 (即）时，>，渠中出现壅水曲线，渠末水位随流量减小而上升。
当水电站引用流量等
于时，即曲线③与堰顶高程线的交点A处，=，刚好不溢流，此时给出无弃水下的渠末最高水位。
引用流量更小时，
>，发生溢流。
令通过水轮机的流量为，溢流流量为，通过渠道的流量为+，渠末水位可由图中查出。
当水电站停止运行（=0)时，通过渠道的流量全部由溢流堰溢走，相应于曲线落③与曲线④的交点B，这就是溢流堰在恒定流情况
下的最大溢流流量，相应水位为恒定流下渠末最高水位。
曲线③交点B以左部分无意义。
当水库水位变动或闸门开度不同因而渠首水深在一定范围内变化时，可取几个典型值进行非均匀流计算，得出相应的
～曲线，进行综合分析。
（二）非恒定流计算
非恒定流计算的目的是研究水电站负荷变化因而引用流量改变引起的渠中水位和流速的变化过程，其计算内容包括：
（1）、水电站突然丢弃负荷后渠内涌波，即求渠道沿线的最高水位，以决定堤顶高程；
（2）、水电站突然增加负荷后渠内涌波，求得最低水位，以决定渠末压力管道进口高程；
（3）、水电站按日负荷图工作时，渠道中水位及流速的变化过程，以研究水电站的工作情况。
非恒定流计算的基本原理已在水力学中讲过，工程实际中已普遍采用一维明渠非恒定流的特征线法利用计算机进行分析，具体计算可参见有关书籍。
三、渠道的断面尺寸
渠道一般为梯形断面，边坡的坡度取决于地质条件及护面情况。
在岩石中开凿的渠道边坡可近于垂直而成为矩形断面。
从水力条件出发，希望采用“水力最优断面”，即给定过水断面面积下湿周最小的断面（水力学中已经证明，这时水力半径R为水深之半）。
在实际应用中，常常因技术经济原因，不得不放弃这种水力最优断面。
例如，边坡平缓的土质渠道按最优水力断面求出的底宽常因不足以安排施工机械而必须加大；边坡较陡的深挖方渠道则宜缩小底宽以减小渠道水位以上的“空”挖方。
决定渠道断面尺寸时，先拟定几个满足防冲、防淤、防草等技术条件的方案，经动能经济比较，最终选出最优方案。
动能经济计算常采用“系统计算支出最小法”，其过程简述．如下。
如某一方案渠道断面为F㎡，按均匀流通过设计流量的条件求出其底坡i,进而得出该方案渠道及有关建筑物的投资。
受渠末溢流堰的限制，渠道运行中渠末水深偏离正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，从而得出这一方案的水
头损失，L为渠道长度。
这一方案的年电能损失为
式中η—机组效率，可近似当作常数；
T—水电站年利用小时。
这部分损耗了的电能必须由系统中的替代电站发出。
替代电站一般为火电站，为发出△E，必须增加装机，多耗煤。
增加装机的投资Kt = △E*ke。
，其中ke为火电站单位电能投资；煤耗支出为△E*Bc,其中Bc为单位电能的煤耗支出[元／(kW*h)]。
则水电站的计算支出为
火电站的计算支出为
式中—额定投资效益系数；
,—水电站及火电站的年运行费率；
—水电站的计算支出系数，；
—火电站的计算支出系数，。
图12-3 各横断面方案的动能经济比较
对断面不同的每一方案计算相应的，及系统计算支出 ,从而可绘, 及
的关系曲线，如图7-3所示。
C曲线最低点所对应的F即为最经济的断面尺寸。
由于Cs在最低点附近变化缓慢，通常将断面F稍选小些，以减小工程量，而几乎不影响动能经济计算的成果。
我国工程实践表明，水电站渠道的经济流速约为1.5-2.Om/s,粗略估算渠道断面尺寸时可作参考。
