水力计算：最佳断面与允许流速

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：符合这种条件的断面，其工程量最小，称为水力最佳断面。工程中采用最多的是梯形断面，其边坡系数m由边坡稳定要求确定。在一般土渠中，边坡系数m＞1，则按前面公式求得的β优＜1，即梯形水力最佳断面通常都是窄而深的断面。

1.水力最佳断面

在底坡及粗糙系数已定的前提下，渠道的过水能力则决定于渠道的横断面形状及尺寸。从经济观点上来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知的设计流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，称为水力最佳断面。

把满宁公式代入明渠均匀流的基本公式，可得

由式（1-26）可知：当渠道的底坡i、粗糙系数n及过水断面积A一定时，湿周χ愈小（或水力半径R愈大）通过流量Q愈大；或者说当i、n、Q一定时，湿周χ愈小（或水力半径R愈大）所需的过水断面积A也愈小。

由几何学可知，面积一定时圆形断面的湿周最小，水力半径最大；因为半圆形的过水断面与圆形断面的水力半径相同，所以，在明渠的各种断面形状中，半圆形断面是水力最佳的。但半圆形断面不易施工，对于无衬护的土渠，两侧边坡往往达不到稳定要求，因此，半圆形断面难于普遍采用，只有在钢筋混凝土或钢丝网水泥做成的渡槽等建筑物中才采用类似半圆形的断面。

工程中采用最多的是梯形断面，其边坡系数m由边坡稳定要求确定。在m已定的情况下，同样的过水面积A，湿周的大小因底宽与水深的比值b/h而异。梯形断面水力最佳条件可由定义导出，当A一定及χ具有最小值时，则

推导可得

式中 β优——水力最佳断面的宽深比，其取值仅与边坡系数m有关，β优=（b/h）优；

R优——水力最佳断面的水力半径，其值为水深的1/2。(www.chuimin.cn)

矩形断面可以看成为m=0的梯形断面。

在一般土渠中，边坡系数m＞1，则按前面公式求得的β优＜1，即梯形水力最佳断面通常都是窄而深的断面。对于中小渠道，土方量往往是决定造价的因素，因而水力最佳断面往往也是经济断面；但对于大型渠道，因不便于施工及维护，其造价不单纯取决于土方量，为了将渠道设计成经济实用的断面，可在水力最佳断面的基础上进行调整。

2.允许流速

设计渠道时，断面平均流速应结合渠道所担负的生产任务、渠道建筑材料的类型、水流中含沙量的多少及其他运用管理上的要求而选定：

（1）渠道中的流速应小于不冲允许流速，以保证渠道免遭冲刷。不冲允许流速与渠道建筑材料的物理特性（如土渠中土壤的种类、级配情况、密实程度等）和渠道水深有关。渠道的不冲刷允许流速可参考有关水力学手册确定。

（2）渠道中的流速应大于不淤流速，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠槽中。不淤流速的大小与水流条件及挟沙特性等多方面的因素有关，可查阅有关手册确定。

（3）对航运渠道及水电站引水渠道，渠中流速还应满足某些技术经济条件及应用管理方面的要求。

水力计算：最佳断面与允许流速

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