水利作业导流明渠设计

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一、明渠及水流的概念

明渠在自然界和实际水利工程中极为常见，明渠中的水流是具有自由水面、在重力作用下流动的水流。因此明渠水流的水力要素和边界条件也将随时间和空间而改变，明渠的横断面形状、类型很多，受地形、地质、地貌、工程材料及管理等因素的影响，边界条件十分复杂。根据水流运动要素是否随时间改变，将水流分为恒定流与非恒定流。在恒定流中，又根据水流的运动要素是否沿程变化，将水流分为均匀流与非均匀流。明渠均匀流是指水力要素随时问和空间不发生变化的水流，是明渠水流中最基本、最简单的水流形态，是明渠水力计算的基础。根据明渠均匀流的基本特征，要形成均匀流就必须具备一定的条件：一是明渠水流必须是恒定流，且流量沿程不变，无支流的流入和流出；二是明渠为长直棱柱体正坡渠道；三是明渠的底坡、糙率沿程不变；四是明渠中不得有障碍物阻挡水流。严格地讲，完全符合以上条件的明渠很少，因此均匀流在实际水流中极少发生，一般将大致符合这些条件的明渠水流近似地看作均匀流。在明渠中，尽可能使渠轴线顺直、断面尺寸和底坡沿程不变，基本满足均匀流的条件，天然河道的水流多为非均匀流。然而，为简化分析计算，通常将较为顺直整齐、糙率基本一致、河床稳定的单式断面河段中的水流视为均匀流。

二、工程条件

某水库设计坝址处第1年11月至次年5月，5年一遇洪峰流量为32m3／s。设计坝址处左岸山体自然坡度为60。左右，右岸山体自然坡度为45。左右。河床偏于左岸，左岸河床为砂砾石，右岸为黏土堆积岸。结合工程两岸实际地形、施工能力及在满足安全经济的原则下，欲将本工程分为两次导流进行施工，第一期先施工左岸部分，并对右岸河床进行整治，在一期施工时洪水由右岸开挖成形的导流明渠泄向下游，从而保证左岸的混凝土施工不受上游来水的干扰，能够顺利进行。

三、导流明渠设计

(一)设计参数

在明渠水力计算中，常用的水力要素有：水深h、底宽b、边坡系数m，水面宽度B、过水断面面积A、湿周x(液流过水断面与固体边界接触的周界叫做湿周)、水力半径R等。以梯形断面为例(下图)：它们之间有如下关系：水面宽度B=b+2mh；过水断面面积A=(6+m^)h；r————T湿周x=b+2hVl+m‘；水力半径，R：：—1_，单位规定用hi；xb+2hVl+m‘h一过水断面上渠底(河底)最低点到水面的距离；m一渠道横断面的边坡倾斜程度，一般用边坡倾角0的余切表示，边坡系数m值的大小表示边坡的陡缓程度。由沿程水头损失计算的经验公式——谢才公式v=、／雨转换得到，在明渠均匀流时，J=i，所以谢才公式又可表示为v=。v=断面平均流速，单位为m／s；c一谢才系数，单位为mt％；确定谢才系数c的公式有：c=R,i6nJ—水力坡度，总水头线的坡度；卜明渠的底坡，即渠底线(河底线)沿水流方向倾斜的程度；n一粗糙系数，简称糙率，它是衡量边壁阻力影响的一个综合系数。目前13值已积累了较多的资料，并普遍为工程界所采用。在渠道水力计算中，对n值的选择应慎重，它对计算结果影响很大，无论选择的n值偏大或偏小，将直接影响工程的造价和运行安全。在设计流量、底坡一定的情况下，所选n值小于实际值，则计算的过水断面的面积小于实际所需的过水断面的面积，渠道的过水能力将达不到实际用水的需要，并且设计阻力小于实际阻力，导致实际流速减小而造成渠道泥沙淤积。若所选n值大于实际值，不仅使渠道过水断面的面积偏大，工程量增加造成浪费，还会因实际流速过大引起渠道的冲刷。本例中为挖掘机挖成的人工土渠表面粗糙情况为中等，查有关资料取其糙率n=0．030。

(二)具体计算

已知条件：明渠底坡i=0．00125，边坡系数m=2．0，粗糙系数(糙率)n=0．030，允许最大流速V=I．25m／s，通过的设计流量为Q=32m3／s，考虑安全超高0．5m，试设计该导流明渠的断面尺寸。按最大允许流速设计，则过水断面面积A===25．6用岸塔式布置，塔高39m。为保证进水塔在设计Ⅶ度地震下结构安全，特进行结构计算。目前计算地震作用效应的方法有拟静力法和动力法，动力则导流明渠的底宽为b。=17．81m，水深为ho=1．26m，相应的渠堤(围堰)高度为1．26+0．5=1．76m。

四、结论

通过以上导流明渠的计算分析，能很快地掌握施工导流明渠的初步设计。在实际工程应用中导流明渠两边的边坡往往都是黏土或是砂砾石材料，很少用块石或是混凝土护面，这样明渠中的水流速度往往超过了明渠的不冲流速，对于此种情况可以采取在坡面上用编织袋与土工膜相结合的方法对边坡进行防护，相对于块石和混凝土而言都是比较经济的，从而节约了工程成本也加快了施工进度。