u型渠道水力计算
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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4-19 U型渠道衬砌超高a1和渠堤超高a值表
加大流量(m3/s) <0.5 0.5～1.0 1.0～10 10～30
a1(m)
0.1～0.15 0.15～0.2 0.2～0.35 0.35～0.5
a(m)
0.2～0.3 0.3～0.4 0.4～0.6 0.6～0.8
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4-20 U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 A r、α、h2
2
22
°
1sin22cos290rhrhtg
湿周 X r、α、h2
2
°
2h
190cosr
名称 符号 已知条件 计算式
水力半径 R A、X
A
X
上口宽 B r、α、H
2cos(1sin)rHrtg
直线段外倾角 α r、B、H
1122/2cos90r/2BrtgHBHr
圆心角 θ r、B、H
1122/23602cos/2BrtgHrBHr
圆弧段高度 h1 r、α
1sinr
圆弧段以上水
深
h2
r、α、h
1sinhr
水深 h r、α、h2
2
1sinhr
衬砌渠槽高度 H h、a1
1
ha
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：
2a
hNr
(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4-21 U型渠道断面尺寸的经验关系
r(cm)
15～30 30～60 60～100 100～150 150～200 200～250
a(°) 5～6 6～8 8～12 12～15 15～18 18～20
N0
0.65～0.35 0.35～0.30 0.30～0.25 0.25～0.20 0.20～0.15 0.15～0.10
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：
1/4
3/8
5/8
2
2190cos12sincos290aaaN
nQirNNtg
(4-59)
或
3/8
1/4
5/8
2
2cos2sincos2aaaN
nQ
i
rNNtg
(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h
h=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：
2
22
1sin22cos290rAhrhtg
(4-62)
计算断面平均流速：
Q
vA
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。
