一种应用于多泥沙水流的半圆底复式明渠的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种应用于多泥沙水流的半圆底复式明渠，包括半圆形底、左马道、右马道、左上边坡、右上边坡。其特征是复式明渠的底部不再采用梯形，而是采用了半圆形，以增大小流量、低水位输水时的输沙能力。采用半圆形底后，使容易造成应力集中的拐点也减小了两个，从而减少了因应力集中造成的裂缝和输水损失。
【专利说明】
-种应用于多泥沙水流的半圆底复式明渠
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种用于多泥沙水流的半圆底复式明渠，其特征是复式明渠的底 部为半圆形。
【背景技术】
[0002] 明渠在小流量、低水位输水时，由于流速小，输沙能力小，较容易造成泥沙渺积。公 知的知识是，在相同条件下，半圆形断面较梯形断面湿周小，过流能力大，输沙能力强，防渗 效果好。
[0003] 复式断面在输水渠道中应用广泛，一般复式断面底部采用梯形断面(见图1)。存在 两个不足：（1)对多泥沙水流，梯形复式明渠（图1)在流量小、水位低时，由于断面湿周大，流 速小，输沙能力不足，容易导致渠道渺积。（2)公知的梯形复式断面有六个拐点，拐点处应力 容易集中，造成裂缝，增加渗漏损失。为增加复式断面的过流能力，克服小流量时梯形复式 断面输沙能力不足等缺点，我们研制了一种新型的实用输水明渠，将复式明渠断面的底部 做成半圆形，不仅使应力集中点减小了两个，而且使低水位时的过流能力和输沙能力也增 加了，从而有效解决了复式梯形明渠小流量时容易渺积的问题。
【发明内容】
[0004] 本新型实用专利提供一种新型实用的半圆底复式断面输水明渠。复式明渠下半部 分用半圆形断面代替，上半部分仍用梯形断面（图2)，从而增加了小流量(或低水位)时的输 水能力和输沙能力。另外新型断面减少了两个拐点，相应的减小了两个应力集中点，也减少 了因应力集中可能造成的裂缝和输水损失。
[0005] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:将复式梯形断面的底部用半圆 形代替，上半部分仍采用梯形断面，包括:半圆形底1，左马道2,右马道3,左上边坡4,右上边 坡5。其布置和连接方式是(见图2):半圆底左端和左马道右端点相连，半圆底右端和右马道 左端点相连，左马道左端点与左上边坡右端点连接，右马道右端点与右上边坡左端点相连。
[0006] 技术原理：
[0007] (1)当水位h小于半圆底半径r时，0与水深h、半圆底半径r的关系为巧Ij讳，水力计 算手册(第二版），中国水利水电出版社，北京，2006):
[000引
。)
[0009] 式中，0为水面线夹角。[0010] 由（1)式可W得出0的计算公式为：
[0011] 巧）
[001 ^ 因此,过流面积A表不为：
[0013]
(3)
[0014] 湿周X表示为：
[0015] (4)
[0016] 流量可用曼宁公式表示
[0017] 巧）
[001引式中，i为渠底坡度;n为糖率。
[0019] 将(3)、（4巧代入(5)式得到流量Q及流速V计算公式：
[0020]
(6)
[0022] (2)由图2可知，当水位h大于半圆底半径r时，过流断面积A及湿周X计算公式为：
[0023] A=l/23ir2+(；h-r)Ur+2b3+m2(h-;r)) (8)
[0024]
巧，
[00巧]式中，b3为马道宽度
[0026] (3)对常规梯形复式明渠
[0027] 当11< hi时化1为底部梯形断面最大深度）
[00測 （1巧 国 (11)
[0030] 式中，mi为底部梯形断面的边坡系数，公知的知识^
肘，断面为 梯形最佳水力断面。在所有边坡中（将边坡系数看作变量时），当，
时，具有最大过 流能力（Qiow,V.T.Open channel hy化aulics.New York:McGraw_Hill,l959)。
[0031] 当11>111 时
[0032] A= (m 出 i+b)hi+(2mhi+b+2b3+m2(h-hi))化-hi) (12)
[0033]
(巧)
[0034] 式中，m2为上部梯形断面的边坡系数;b为底部渠底宽度;hi为底部梯形断面最大深 度。
[0035] (4)明渠挟沙能力一般用张瑞逵公式表示(郭庆超，天然河道水流挟沙能力研究， 泥沙研究，2006,10(5)):
[0036]
(14)
[0037]式中，5^是悬移质水流挟沙能力化肖/1113);￥为断面平均流速(111/3);1?为水力半径 (m)，
； CO为泥沙沉降速度(m/s) ;g为重力加速度(m/s2) ;Ks、m为水流挟沙能力系数和 指数参数。根据实测黄河取Ks = O. 22 ;m=0.76。
[0038] 本发明由于采取W上技术方案，其具有W下优点：
[0039] 1、本发明将复式梯形断面的底部用半圆形，可W低水位、小流量时增加输水能力 和输沙能力，避免(或减小)渺积，增加自净能力。
[0040] 2、本发明的另一个优点是渠道断面减少了两个拐点，相应的减小了两个应力集中 点，也减少了因应力集中可能造成的裂缝和输水损失。
[0041] 本实用新型的有益效果是，将底部制作成半圆底，可W增加小流量(或低水位)时 的输水能力和输沙能力，从而可W解决或减小梯形明渠在小流量(或低水位)时泥沙渺积问 题。另外新断面减少了两个拐点，使应力集中点得W减少，减少了因应力集中造成的裂缝和 输水损失。
【附图说明】
[0042] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0043] 图1是传统的复式梯形明渠断面图。
[0044] 图2是具有半圆底的复式明渠断面图。
[0045] 图3是实施例断面图。
[0046] 图1、图2、图3中，1.半圆形底，2.左马道，3.右马道，4.左上边坡，5.右上边坡，6.大 流量输水(或高水位)时的水面线，7.小流量输水(或低水位)时的水面线，8.拐点。
[0047] 图1、图2、图3中，h为水深，hi为马道高度，b为梯形断面底宽，b3为马道宽，0为水面 线（玄长)夹角，mi为底部梯形断面的边坡系数，m2为上部梯形断面的边坡系数。
【具体实施方式】
[004引制作过程为（图2):先制作半圆形底1，然后制作左马道2和左上边坡4,再制作右马 道3和右上边坡5。最后将半圆形底1的左端点和左马道2的右端连接，半圆形底1的右端点和 右马道3的左端连接。制作完成。制作可W在现场用现诱混凝±制作，也可W在工厂预制。
[0049] 输水时，当流量较大时，水流充满下部半圆和上部梯形，流量较小时，水流只在底 部半圆形断面内流动，相对于梯形断面，可W增加流速和输沙能力，减小渺积。
[0050] 实施例：
[0051] 有一复式输水明渠，从黄河引水，泥沙沉降速度《=0.5e-2(m/s)。尺寸如图3所 示，底部采用半圆形断面，半圆形底的半径r = 3. Om。已知最小输水流量为4. (WVs。
[0化2] 当输水流量Q = 4. OmVs时，将已知条件带入(6)式，可得水深h = 1.88360m。由（3)， (4)式可得 4 = 7.596721112，乂 = 7.13693111，代入（7)式，可^得到流速￥ = 0.58911111/3。代入 (14)式可W得到挟沙能力为S*=0.4806化g/m3。
[0053]如果复式渠道底部采用常规的梯形断面，按水力最佳断面（即过流面积相等时，输 水流量最大）设计，使其具有最大输水、输沙能力。公知的知识是边坡系数
时，
乂 how, 1959)时为梯形最佳水力断面，断面形状如图3所示。同样方法可 得到梯形复式断面在流量 Q = 4.0m3/s 时，A = 7.65918m2，X = 7.28453m，V = 0.58911m/s，S* = 0.48062kg/m\
[0054] 当流量Q为6111^3、7111^3、8111^3、9.357111^3(水位为3.〇111)时，半圆底复式断面和梯 形复式断面的挟沙能力计算结果如下表1。
[0055] 表1半圆底复式断面和梯形复式断面水力学特性和挟沙能力计算结果
[0化6]
[0057]尽管本实施例中，底部梯形断面采用了具有最大输沙能力的最优断面，但计算结 果(表1)可W看出，在小流量时，采用半圆形复式渠道后，可W增大输沙能力。
[005引创新之处
[0059] 本项实用新型专利为一种具有半圆底的复式明渠，它克服了普通的梯形复式明渠 在小流量(或低水位)时流速小，输沙能力小的缺点，将复式明渠的底部用半圆形代替，增加 了小流量(或低水位)时的流速和输沙能力。另外新断面减少了两个拐点，使应力集中点得 W减少，减少了因应力集中造成的裂缝和输水损失。
[0060] 除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
【主权项】
1. 一种应用于多泥沙水流的半圆底复式明渠，由半圆底（1)、左马道(2)、右马道(3)、左 上边坡(4)、右上边坡(5)组成，其特征是：半圆底左端和左马道的右端点相连，半圆底右端 和右马道的左端点相连，左马道左端点与左上边坡的右端点连接，右马道的右端点与右上 边坡的左端点相连。2. 根据权利要求1所述的一种应用于多泥沙水流的半圆底复式明渠，其特征是:复式明 渠的底部采用半圆形。
【文档编号】E02B5/00GK205421175SQ201520518499
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年7月17日
【发明人】韩延成
【申请人】济南大学