原理
在恆定均勻流條件下,單位周界面上的水流阻力可表示為
(1)
式中,R為水力半徑;J為能坡;為水的單位體積重量,g為重力加速度。
單位重量水體克服水流阻力而消耗的機械能()由達西-韋斯巴哈公式表示λ (2)
式中,V為平均流速;L為河段長度;λ為阻力係數。
河流中的水流多為紊流,且處於阻力平方區,計算平均流速常用謝才公式和曼寧公式。
式中,C為謝才係數;n為河床糙率。
λ、C、n、都是反映周界阻力特徵的係數,它們之間的關係為
式中,為摩阻流速 。
動床阻力組成
對於定床明渠水流,在阻力平方區內,λ、C、n主要取決於周界表面的粗糙情況。沖積河流的動床阻力是由許多阻力單元組成的,包括:①沙粒阻力,即河床表面的泥沙顆粒對水流產生的摩擦阻力。②沙波阻力,即河床表面的沙波對水流產生的形態阻力。③河岸阻力,即河岸組成物質、形態等對水流產生的阻力。④灘面阻力,即河漫灘表面組成物質及生長的植物等對水流產生的阻力。⑤河槽形態阻力,即河槽形態變化如彎曲、分汊、放寬、束狹等對水流產生的阻力。⑥人工建築物附加阻力,即河流上修建的各種建築物對水流產生的阻力。有些阻力單元與水流條件有關,隨水流的改變而不斷變化,特別是床面上沙波的消長對水流阻力影響很大,因此,沖積河流的阻力係數是隨水流條件而變化的 。
水力半徑
如果只需要求得一定坡降條件下通過全斷面的流量,可以直接使用綜合阻力計算公式。這些公式大都是依據實測資料建立起來的經驗或半經驗公式。
在研究泥沙運動問題時,不僅需要知道綜合阻力的大小,而且要確定各個阻力單元,特別是沙粒阻力和沙波阻力的值.H. A.愛因斯坦和R. B. 本克斯根據阻力可加性原理建議將總阻力分為床面阻力()與河岸阻力(),並將水力半徑劃分為與床面阻力相應的水力半徑()和與河岸阻力相應的水力半徑()。床面阻力()又可分為沙粒阻力()及沙波阻力()床面水力半徑也可分成與沙粒阻力相應的平徑()和與沙波阻力相應的水力半徑(),即
在分別求出各阻力單元後,可採用阻力合成方法求得綜合阻力;在已知綜合阻力條件下,可用阻力分解方法求得各阻力單元值 。