标准U型明渠均匀流断面平均流速计算研究.docx

1、第3卷第2期2017年2月黑龙江水利HeilongjiangWaterResourcesVol.3,No.2Feb.,2017标准u型明渠均匀流断面平均流速计算研究李丹武(桓仁西江发电有限公司，辽宁桓仁117200)摘要：灌区的渠道常为宽深比小于】0的窄深式渠道，侧壁是影响流速的重要因素。文章综合考虑侧壁对均匀流速的影响，对标准U型明渠均匀流断面平均流速公式进行了推导和试验验证。结果显示，考虑侧壁影响的流速分布公式具有较高的精度，且公式形式简单，具有显著的实用价值关键词：标准U型渠道；均匀流速，计算公式中图分类号：TV131.4文献标志码：A文章编号：2096-0506(2017)02-004

2、8-03图1标准U型渠道断面示意图明渠均匀流的水力计算在水利工程建设中具有广泛应，经过多年的研究，得到了一些常用计算方法口幻。这些直接来源于工程实践的计算方法虽然具有一定的适用性，但缺乏足够理论依据的问题一直未能有效解决。在这一背景下，赵振国教授基于水力计算理论，对不同断面形态的明渠均匀流的流速计算公式进行了大量研究，并获得了一系列研究成果。本文试图利用赵教授的研究结论，在考虑边壁阻力的条件下，对标准U型明渠均匀流的流速公式进行深入研究。1标准U型渠道断面平均流速选取如图1所示的标准U型渠道，其过水断面的上部为矩形，下部为半圆形。渠道的渠深为0.8m,下部半圆部分的半径为0.4m,上口宽度为0

3、.8m。由于标准U型渠道的特殊构造特征，不能获得类似梯形渠道的统一计算公式讨8】。当渠道内的水深不同时，其过水断面也有所不同，从而水利半径r也不断发生变化，因此，分如下两种情况开进行讨论。1.1渠道水深幻小于半径，对于渠内水深为h。的U形明渠，在假设渠道边壁阻力于底部阻力相同的条件下，将渠道的边壁展开，即可简化为一个底宽为2rarccos(仁尹)的二维明渠流来处理。为了在等效设计中的相同流量，二平均流速U保持不变，则等效的二维流的水深可按照如下公式设计：(rh0)sing/=2/i/arccos(二字处).(1)gr(rh0)singhc=W厂«(2)2arccosr")0

4、=2arccos(3)将式(2)九代入公式(4)：v=(5.751n%+6)77(4)式中为断面平均流速，m/s；M为水深，m；渠道底坡：=sin0；K为床面粗糙物平均凸起高程,作者简介：李丹武(1978-),男，辽宁桓仁人，助理工程师，主要从事水利工程管理工作.E-mail,ldwl00f.mo得底圆弧半径，m；K为渠底粗糙物平均凸起高程,(5.751g食+6)扃T(5)式中：。为断面平均流速，m/s；Ao为水深，m；m；g为重力加速度，m/s，2试验验证(7)(8)九为等效水深，m；。为渠底圆弧圆心角3r为渠底圆弧半径，m；K为渠底粗糙物平均凸起高程,m；g为重力加速度，m/s2o1.2渠

5、道水深幻大于半径，对于渠内水深为的U型明渠，在假设渠道边壁阻力于底部阻力相同的条件下，将渠道的边壁展开，即可简化为一个底宽为"+2(人。一厂)的二维明渠流来处理。为了在等效设计中的相同流量，二平均流速。保持不变，则等效的二维流的水深可按照如下公式设计。(4-Kr2+2r(A0r)U=2r(/t0r)Aev(6)+2r(/io尸)”"+2r(.h0r)将式(7)中的九代入公式(4)得：v=(5.75也傍+6)丕辰式中：V为断面平均流速，m/s；Ao为水深，m；九为等效水深，m；。为渠底圆弧圆心角；厂为集对本文中推导获得的公式需要利用实际试验数据进行验证。选取辽宁省辽阳市灯塔灌

6、区红旗村的一段斗渠。该段斗渠属于混凝土衬砌结构的标准U型斗渠，且试验数据均来自田间实测试验。这种符合实际生产情况、在自然环境下的实测数据更具有说服力。2.1渠道水深小于半径r的试验验证对渠道水深Ao小于半径r的标准U型明渠，从田间实测试验中抽取相关数据来进行验证分析。其中，标准U型明渠为灯塔灌区的一段混凝土衬砌分支渠。渠道的水槽长约25m,深度为0.8m,渠道的底部圆弧为半圆形，圆弧的半径厂为0.4m,渠道的上口宽为0.8m。经过实测，该段渠道集底的坡降为1:5000。在试验过程中水流均保持为恒定均匀紊流状态。由于试验过程采取的均为田间实测，因此渠道的渠底完全满足研究中的完全粗糙的条件，符合推

7、导出来的公式要求，可用于对公式计算结果进行实际验证。试验过程中获得的实测数据与公式(5)的计算结果如表1所示。表1hoVr时的试验结果与计算结果对比表流量Q/(m3sT)0.0570.0610.0640.0670.0630.0620.0600.069水深h/m0.3570.3660.3850.3930.3870.3940.3630.396过水断面A/n?0.2170.2240.2390.2460.2410.2460.2190.252湿周C/m.1711.1901.2281.2441.2321.2461.1861.252水力半径R/m0.1860.1890.1950.1980.1960.1980

8、.1880.199M)/(ms-1)0.2660.2760.2710.2760.2650.2550.2690.2811/2圆心角1.4651.4871.5351.5551.5401.5571.4921.559知/m0.1860.1890.1950.1980.1960.1980.1880.199Mr/(ms-1)0.2640.2670.2730.2760.2740.2760.2680.277相对误差/%-7.4-3.08.5一0.21.4表中的vo为试验渠段的实测数据，贝为利用公式(15)获得的计算值，从表中的数据可以看出，两者的误差基本在10%以内，所以计算结果与试验数据有较

9、好的吻合度。2.2渠道水深么大于半径，的试验验证对渠道水深Ao大于半径r的标准U形明渠,仍然利用上述渠段进行田间实测，并将实测数据与利用公式(18)获得的计算结果进行比较，具体结果如表2所示。表2ho>i时试验结果与计算结果的对比流殴Q/(n>3s-»)0.0670.0720.0880.0680.0700.0920.0970.090水深h/m0.4090.4100.4930.4050.4150.4640.6110.471过水断面A/m?0.2600.2610.3440.2560.2660.3)50.4620.307湿周C/m1.2751.2771.4431.2671.28

10、71.3851.6791.370水力半径R/m0.2040.2050.2390.2020.2070.2280.2750.211w)/(msi)0.2570.2760.2560.2650.2630.2920.2100.2621/2圆心角1.5711.5711.5711.5711.5711.5711.5711.571L/m0.2030.2030.2260.2020.2050.2200.2500.207*/(ms_,)0.2800.2800.3010.2790.2820.2950.3230.278相对误差/%9.01.918.054.16.1由表格中的数据可以看出，计算结果与实测结

11、果相差不大，相对误差基本都在10以内，两者有较好的吻合度。同时，表中有两组数据的相对误差较大。这两组结果都是在水深较大的情况下发生的偏离，究其原因在于水深过大会造成宽深比减小，侧壁对水流的影响已经不能将其转换为等效的二维明渠均匀流来计算。3结论在赵振国相关研究的基础上，利用普朗特-卡门粗糙平板上的流速分布公式，推导了标准u型渠道的明渠均匀流平均流速公式。然后，假设渠道底部和边壁的阻力相等，进而对标准U型明渠按其边长展开，转化为等效二维明渠.最后推求出全断面的平均流速。通过本溪市灯塔灌区部分渠段的试验数据验证.发现实测结果与计算结果拟合良好。本章推导的公式不仅具有较高的精度，使用也更为方便，具有

12、较高的理论和实际价值。参考文献：1 刘春晶，李丹勋.王兴奎.明渠均匀流的摩阻流速及流速分布J.水利学报.2005(8)：950-955.2 ChowVT.Open-channelHydraulicsM.NewYork：Megraw-HillBookComPany.1959.3 HubertChanson(澳)著；可索婿，张学成.赵安林.等译.明渠水力学M.郑州：黄河水利出版社.2001.4 ReedJR.AnExampleoftheEffeetofDepth-SensitiveValuesofManning'snonNon-unifonnFlowComputationR.Molbour

13、ne:Proceedings.21stIAHRCongress,1985.5 丁伟强.U型渠道在小农水柬点县工程中的应用J.河南水利与南水北调,2014(22)：53-54.6 王丽华.于水，高学英.论梯形明渠均勾流计算的改进J.内蒙古水利,2004(4)«38-39.7 文辉，李风玲.再论圆管明渠均匀流正常水深的A接计算公式J1水利水电科技进展，2012(6)：1517.m赵振国，黄春花.明渠均匀流研究J.水利学报，2013(12)：1482-1487.StudyonmeanflowvelocityinstandardU-shapedopenchanneluniformflowLI

14、Danwu(HuanrenXijiangP(nverCc.Ltd.,Huanren117200*China)Abstract：Thechannelofirrigationareaisgenerallynarrowanddeepchannelwhosewidthdepthratioisusuallylessthan10,sothemeanflowvelocityisaffectedbysidewall.Inthepaper,themeanflowvelocityformulaofstandardU-shapcdopenchanneluniformflowwasdeducedandtestedbyexperiment,buttheinfluenceo