多种U型渠道水力最优断面及应用

摘要

衬砌渠道有各种各样的断面形式，为了适应不同断面形式的装配式衬砌渠道的发展和应用，本文采用拉格朗日乘子法建立水力最优断面的数学模型，利用渠道均匀流的曼宁方程式，对U型渠道的四种断面形式（弧斜边形、椭圆直线形、抛物线形、悬链线形）水力最优断面进行了推导，得到当四种断面形式取得水力最优断面时，断面参数之间的关系。然后对四种断面形式的水力最优断面进行典型设计，使用对比优选的方法，得到设计时的最优排序，经对比可知:在设计时若以水力最优断面为基础，对四种U型渠道进行设计，在同一水流条件下（即过水流量，渠道纵向坡度，渠道糙率相等），圆弧斜边形渠道的过水断面面积最小，悬链线渠道的过水断面面积最大;悬链线渠道的过水断面水深最大，椭圆直线形渠道断面开挖深度最小;悬链线形渠道的断面水面宽度最大，圆弧斜边形渠道的断面水面宽度最小。同时也可以得到如下结论:悬链线形渠道断面过水断面面积、水深、水面宽度均为最大，在实际应用中不推荐使用（特殊情况除外）;圆弧斜边形、椭圆直线形渠道各有各的优势，若工程项目要求节约土地、减少土方开挖，优先推荐使用圆弧斜边形渠道，若工程项目开挖深度上有限制，优先推荐使用椭圆直线形渠道。
　　各种断面的U型装配式渠道在应用时也同时需要在渠道纵向上进行设计，要求渠道在设计条件下工作时，渠道不发生冲淤或冲淤平衡且流态稳定。但是在应用中U型装配式渠道常因各种原因产生槽片间错动，造成渠道流态不稳发生冲淤，因此防止槽片错动也是也成为本文研究应用的重点。为减少槽片间错动，增强装配式渠道的整体性，本文参考市政工程中的混凝土排水管道连接构造原理，优化设计出承插式带肋U形混凝土渠道的连接构造，使其具有抗渗漏、防止了槽间错动、提高U形槽的抗弯承载力、增强渠道的纵向抗滑能力、经济适用等优点。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．4 研究内容及思路

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究思路

1．5 论文选题来源

2 多种U型渠道水力最优断面

2．1 圆弧斜边形渠道断面

2．1．1 圆弧斜边形断面的特点

2．1．2 断面几何性质

2．1．3 水力最优断面

2．2 椭圆直线形渠道断面

2．2．1 椭圆直线形断面的特点

2．2．2 断面几何性质

2．2．3 过水断面面积

2．2．4 断面湿周长

2．2．5 水力最优断面

2．3 抛物线形渠道的断面

2．3．1 抛物线形断面的特点

2．3．2 断面几何性质

2．3．3 过水断面面积

2．3．4 断面湿周长

2．3．5 水力最优断面

2．4 悬链线形渠道断面

2．4．1 悬链线形断面的特点

2．4．2 断面过水断面面积

2．4．3 断面湿周长

2．4．4 水力最优断面

2．5 小结

3 多种U型渠道典型断面设计与对比

3．1 各断面形式典型设计参数选取

3．2 圆弧斜边形衬砌渠道断面典型设计

3．2．1 外倾角的选取

3．2．2 过水断面主要参数

3．2．3 渠道超高的设计

3．3 椭圆直线形衬砌渠道断面典型设计

3．3．1 过水断面主要参数

3．3．2 渠道超高的设计

3．4 抛物线形衬砌渠道断面典型设计

3．4．1 过水断面主要参数

3．4．2 渠道超高的设计

3．5 悬链线形衬砌渠道断面典型设计

3．5．1 过水断面主要参数

3．5．2 渠道超高的设计

3．6 各断面形式参数对比及排序

3．6．1 过水断面面积A和湿周P的对比

3．6．2 过水断面水深h和水面宽度B0对比

3．6．3 U型渠道选型排序

3．7 小结

4 U型衬砌渠道断面应用研究

4．1 平口式连接构造

4．2 承插式带肋连接构造

4．3 承插式带肋U形渠道的壁面设计

4．4 承插式带肋结构的特点

4．5 小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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