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)

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)

灌区的渠道常为宽深比小于10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。

标准U型渠道；均匀流速；计算公式

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[1-3]。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[4]。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[5]。渠道的渠深为0.8 m，下部半圆部分的半径为0.4 m，上口宽度为0.8 m。

图1 标准U型渠道断面示意图

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[6-8]。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h0小于半径r

(1)

(2)

(3)

将式(2)he代入公式(4)：

(4)

(5)

1.2 渠道水深h0大于半径r

(6)

(7)

将式(7)中的he代入公式(4)得：

(8)

2 试验验证

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h0小于半径r的试验验证

对渠道水深h0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25 m，深度为0.8 m，渠道的底部圆弧为半圆形，圆弧的半径r为0.4 m，渠道的上口宽为0.8 m。经过实测，该段渠道渠底的坡降为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1 h0

表中的ν0为试验渠段的实测数据，νc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好的吻合度。

2.2 渠道水深h0大于半径r的试验验证

对渠道水深h0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2 h0>r时试验结果与计算结果的对比

由表格中的数据可以看出，计算结果与实测结果相差不大，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，具有较高的理论和实际价值。

[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] Chow V T. Open-channel Hydraulies[M]. New York：Mcgraw-Hill Book ComPany, 1959.

[3] Hubert Chanson(澳)著；可素娟，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] Reed J R. An Example of the Effeet of Depth-Sensitive Values of Manning’s n on Non-uniform Flow Computation[R]. Molbourne ：Proeeedings,21st IAHR Congress, 1985.

[5] 丁伟强.U型渠道在小农水重点县工程中的应用[J].河南水利与南水北调,2014(22):53-54.

[6] 王丽华,于水,高学英.论梯形明渠均匀流计算的改进[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直接计算公式[J].水利水电科技进展,2012(6):15-17.

[8] 赵振国,黄春花.明渠均匀流研究[J].水利学报,2013(12):1482-1487.

Study on mean flow velocity in standard U-shaped open channel uniform flow

LI Danwu

(HuanrenXijiangPowerCo.Ltd.，Huanren117200，China)

The channel of irrigation area is generally narrow and deep channel whose width depth ratio is usually less than 10, so the mean flow velocity is affected by side wall. In the paper, the mean flow velocity formula of standard U-shaped open channel uniform flow was deduced and tested by experiment, but the influence of side wall was considered. The conclusion is shown that the calculation formula of mean flow velocity is not only high precision but simple, which has significantly practical value.

Standard U-shaped channel; mean flow velocity; calculation formula

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:ldw100f@163.com。

TV131.4

A

2096-0506(2017)02-0048-03