急流槽和倒虹吸管的水力計(jì)算

洪 海

(黑龍江省公路局)

急流槽和倒虹吸管的水力計(jì)算

洪 海

(黑龍江省公路局)

簡述急流槽和倒虹吸管的水力計(jì)算方法。

急流槽;倒虹吸管;水力計(jì)算

1 急流槽的水力計(jì)算

溝底縱坡較陡，縱坡超過水流的臨界坡度，稱為急流槽。急流槽的水力計(jì)算，與跌水有共同之處，設(shè)想把跌水的跌水墻作為傾斜狀，使水流沿斜坡流動(dòng)，再進(jìn)入消力池，就形成為急流槽，因此急流槽的水力計(jì)算，除跌水的進(jìn)出口和消力池外，還需解決陡坡段(槽身)的構(gòu)造及水力計(jì)算。

急流槽的斷面形狀固定，可按水力學(xué)中非均勻流理論進(jìn)行計(jì)算。為使水流平順連接，進(jìn)口部分末端做成弧形或緩坡，因此槽身的前端是變坡道。

急流槽的水力計(jì)算，首先依地形先定槽身尺寸及縱坡i。

1.1 臨界縱坡ik

臨界縱坡ik是指槽中水流的正常水深h0等于臨界水深hk時(shí)的底坡。正常水深應(yīng)滿足公式的關(guān)系，而當(dāng)h0=hk時(shí)，得

因?yàn)榕R界狀態(tài)時(shí)應(yīng)滿足

又因?yàn)镽k=ωk/xk，代入前式可得

式中：Ck為臨界水深時(shí)的流速系數(shù)(謝才系數(shù));xk為臨界水深時(shí)的濕周，m;bk為急流槽底寬，m;g為取9.81 m/52。

1.2 急流槽長度L

式中：P為槽身的總落差，m;i為槽底縱坡。

1.3 水面曲線長度L0

水面曲線的一般計(jì)算方法，是根據(jù)某一水流斷面的已知水深，求另一水流斷面的未知水深。因此，必須建立兩斷面水深之間的關(guān)系式，按照兩斷面能量相等原理可導(dǎo)得水面曲線長度表達(dá)式。

對于急流槽而言，如圖1所示，取起始斷面(剖面I-I)為h1及v1，末端斷面 (剖面II-II)相應(yīng)參數(shù)h2為及v2，則

式中：α1、α2為相應(yīng)斷面的水頭損失系數(shù);I0為兩斷面之間平均水力坡度，按公式關(guān)系，已知相應(yīng)的平均值C0、R0、v0，則

圖1 急流槽水力計(jì)算示意圖

1.4 判別水躍性質(zhì)

如前所述，已知水躍后的共軛水深h2，下游溝渠內(nèi)正常水深 h3，則

當(dāng)h2＞h3時(shí)，產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

h2=h3時(shí)，產(chǎn)生臨界水躍。

h2＜h3時(shí)，產(chǎn)生淹沒水躍。

為避免下游引起沖刷，除淹沒水躍外，當(dāng)h2＞h3時(shí)，均應(yīng)設(shè)置消力池，消力池的計(jì)算與跌水相同。

2 倒虹吸管的水力計(jì)算

設(shè)倒虹吸管兩端的水位差為hz，水重為w，由能量守恒法則得

考慮到水頭損失，倒虹吸管的水力要素為

式中：g為重力加速度，等于9.81 m/s，μ為水頭損失系數(shù)，表示如下

∑εi為各阻力系數(shù)之和，包括管壁變化、沿程、轉(zhuǎn)彎、進(jìn)口與出口五種阻力，其值小于1.0，并與倒虹吸的結(jié)構(gòu)和尺寸等因素有關(guān)，可查閱《公路設(shè)計(jì)手冊·涵洞》。

U416

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1008-3383(2012)11-0080-01

2012-06-12