明渠的水文水力計算

喬 涵

(張家口市交通局)

1 設計流量

流量是路基排水設計的基本依據,其大小與匯水面積和一定頻率下的徑流厚度,以及匯水區域內的地形、地貌及地表植被等因素有關。

路基排水的設計流量,常可以采用下面的簡化公式

Q5=φ(h-E)3/2· F4/5· α

式中:Q5為設計流量,m3/s;φ為地貌系數其值按地形、主河溝的平均坡度、匯水面積(F)查相應表而得;h為徑流厚度其值按當地土質、暴雨分區、設計洪水頻率及匯流時間可查《公路設計手冊·涵洞》而得,mm;E為植物截流或洼地滯流的攔蓄厚度;α為綜合系數。

2 水力計算

(1)基本計算公式

對于形狀規則,縱坡緩和,而且兩者均無急劇變化的排水溝渠,流量和流速可以按如下公式計算

式中:V為水流通過橫斷面的流速,m/s;Q為水流通過橫斷面的流量,m3/s;ω為水流經過橫斷面的面積,m2;R為水力半徑,m;i為水力坡降,在等速流的情況下,可以認為水力坡降(水力坡度)與溝底縱坡相等;C為流速系數(通過試驗按規定公式計算)。

(2)流速系數

流速系數 C對于路基排水而言,普遍采用下列公式計算

式中:n為溝渠表面的粗糙系數(與溝渠表層材料有關);R為水力半徑,m;y為與R及n有關的指數。

(3)容許的最小與最大流速

為了使溝渠不致產生泥沙淤積,設計時應保證溝渠內的水流具有一定流速。溝渠的容許最小 Vmin(m/s),同水中所含土質沉淀所容許的淤泥有關,一般可以按如下經驗公式計算

式中:α為與水中含土粒徑有關的系數;R為水力半徑,m。

為使溝渠不致沖刷,應限制設計流速。各種明渠的允許最大設計流速,可以由試驗結果而定。

(4)常用溝渠橫斷面的水力三要素

①水流橫斷面面積 ω=bh+mh2

其中 m值:矩形 m=0;對稱梯形 m=m1=m2;不對稱梯形 m=0.5(m1+m2)。m1,m2如圖 1所示。

圖 1 梯形溝渠橫斷面示意圖

②濕周x=b+Kh

(5)最佳水力橫斷面的水力要素

最佳水力橫斷面,又稱經濟橫斷面,指在既定設計流量的條件下,與允許最大流量相對應的永流最小橫斷面面積。分析上述公式不難得知,在固定條件下(即 Q5、V、C與 m等參數不變)。如果使設計的溝渠橫斷面具有最小的濕周,則可以達到此目的。

③最佳橫斷面時,濕周 X0與面積ω的關系

⑤最佳橫斷面時的流速V0

⑥最佳水流橫斷面面積ω0