+ All Categories
Home > Documents > BFC21103 Chapter4.pdf

BFC21103 Chapter4.pdf

Date post: 07-Jul-2018
Category:
Upload: ashraf-haji
View: 240 times
Download: 0 times
Share this document with a friend

of 42

Transcript
  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    1/113

    BFC21103 Hydraulics

    Chapter 4. Non‐Uniform Flow 

    in 

    Open 

    ChannelTan Lai Wai, Wan Afnizan & Zarina Md Ali

    [email protected]

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    2/113

    Learning Outcomes

    At the end of  this chapter, students should be able to:

    i. 

    Analyse the

     characteristics

     of 

     hydraulic

      jump

     

    (rapidly‐varied flow) based on momentum 

    equation

    ii. Analyse the characteristics of  gradually‐varied 

    flow

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    3/113

    Occurs when the depth of  flow change rapidly within short distance, 

    e.g. hydraulic  jump.

    Hydraulic  jump occurs when supercritical flow changes suddenly to 

    subcritical flow within a short distance.

    Datum

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    4.1 Rapidly‐Varied Flow

    2y 

    cy 1

    y supercritical

    1 2

    subcritical

    hydraulic 

     jump

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    4/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Hydraulic  jump only occurs if  the upstream flow is supercritical, 

    i.e. y 1  y c > y 1

    where,

    y 1 = depth

     of 

     flow

      just

     before

     the

      jump

    y 2 = depth of  flow  just after the  jump

    y 1 and y 2 are known as conjugate depths

    4.2 Hydraulic

     Jump

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    5/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Hydraulic  jump in the laboratory flume

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    6/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Hydraulic  jump at the toe of  spillway ‐ Itaipu dam, Brazil

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    7/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Hydraulic  jump downstream of  sluice gate ‐ Harran canal, Turkey

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    8/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Waves hitting sea wall in Depoe bay, Oregon U.S.

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    9/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Surge waves due to fast flowing flood in Tangjiasan, China

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    10/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    i. Energy dissipator i.e. reduce velocity and prevent erosion 

    ii. Diverse the

     water

     irrigation

    iii. Increase weight of  water

    iv. Mix 

    chemical 

    substance 

    e.g. 

    in 

    water 

    treatment 

    processv. Aeration of  flow, i.e. increase DO 

    Applications of 

     Hydraulic

     Jump

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    11/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Based on the Froude number before the  jump Fr1

    Fr1 = 1.0 − 1.7  →   undular  jump

    Fr1 = 1.7 − 2.5   →   weak  jump

    Fr1 =

     2.5 −

     4.5  →

      oscillating 

     jumpFr1 = 4.5 − 9.0   →   steady  jump

    Fr1 > 9.0  →   strong  jump

    Types of 

     Jump

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    12/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Fr1

     = 1.6

    Energy dissipation = 45% to 70%

    Energy dissipation up to 85%

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    13/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Momentum Equation

    Consider a hydraulic  jump on a frictionless flat bed within a 

    rectangular channel,

    12   MMF    −=∑124321

      QV QV F F F F   ρ    −=+−−

    2y 

    1y 

    1 2

    F 1

    F 1

    F 3

    F 4

    Since friction = 0 → F 3 = 0 and flat bed F 4 = W sinθ  = 0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    14/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    12

    2

    2

    1

    122

    QV QV y 

    gAy 

    gA  ρ  ρ  ρ  ρ    −=−

    1221  QV QV F F   ρ  ρ    −=−

    g

    qV 

    g

    qV y y    12

    2

    2

    2

    12

    1

    2

    1−=−

    Dividing by  ρ 

    gB,

    Since ,2

    2

    1

    and  y 

    qV 

    qV    ==

    1

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    12

    1

    2

    1

    gy 

    q

    gy 

    qy y    −=−

    2

    2

    2

    2

    2

    1

    1

    2

    2

    1

    2

    1y 

    gy 

    qy 

    gy 

    q+=+

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    15/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.1

    Using the

     momentum

     force

     equation,

     draw

     the

     specific

     force

     curve

    if   a  hydraulic  jump  occurs  within  a  rectangular  channel  with  the

    discharge per unit width is 25 ft3/s. 

    Given q = 25 ft3/s flows in a rectangular channel

    2

    2

    21 y 

    gy qF    +=Specific force is given as

    Hydrostatic 

    pressure

    Momentum 

    flux

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    16/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    y (ft)   F (ft2)

    1.0 19.910

    1.2 16.895

    1.4 14.844

    1.6 13.411

    1.8 12.403

    2.0 11.705

    2.2 11.243

    2.4 10.967

    2.6 10.845

    2.8 10.852

    3.0 10.970

    3.2 11.186

    3.4 11.4893.6 11.872

    3.8 12.328

    4.0 12.852

    4.2 13.441

    4.4 14.091

    4.6 14.800

    4.8 15.564

    5.0 16.382

    5.2 17.253

    5.4 18.174

    5.6 19.146

    5.8 20.167

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    0 5 10 15 20

    y  (ft)

    F  (ft2)

    y c

    Subcritical flow Fr  1

    F min

    y 1 and y 2 with the same F  are conjugate depths

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    17/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Conjugate Depths Equation

    From the momentum equation of  flow in a rectangular channel,

    2

    2

    2

    2

    2

    1

    1

    2

    2

    1

    2

    1y 

    gy 

    qy 

    gy 

    q+=+

    2

    2

    1

    2

    2

    1

    2

    2

    22

    gy 

    q

    gy 

    qy y    −=−

    ( )( ) ⎟⎟ ⎠

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛    −=+−21

    12

    2

    2112

    2

    y y 

    y y 

    g

    qy y y y 

    ( ) g

    qy y y y 

    2

    2121

    2

    =+

    Rearranging,

    It can be seen that Fr can be introduced since3

    2

    2Frgy 

    q=

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    18/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    ( )3

    1

    2

    2

    1

    2

    21

    2

    gy 

    q

    y y y    =+Division by  ,31y 

    2

    1

    1

    2

    2

    1

    2

    2 Fr2=+y 

    0Fr2  2

    1

    1

    2

    2

    1

    2

    2 =−+y 

    Solving for gives1

    2

    Note that

     solving

    gives

    02 =++   cbx ax 

    a

    acbb x 

    2

    42 −±−

    =

    since y 1 and y 2 are positive values

    ( )( )

    ( )12

    Fr21411  2

    1

    2

    1

    2  −−+

    −=y 

    ( )21

    1

    2 Fr8112

    1++−=

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    19/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Else if  division is made by ,32

    2

    Fr811  2

    2

    2

    1  ++

    −=y 

    Note that for hydraulic  jump to occur, or 11

    2 >y 

    y  12

    1 <y 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    20/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Energy Loss

    There will be considerable loss of  energy in hydraulic  jump between sections 1 and 2

    Datum

    2y 

    cy 

    1y supercritical

    1 2

    subcritical

    hydraulic 

     jump

    E o

    g

    2

    2

    2

    g

    2

    2

    1

    EGLE L

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    21/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Energy 

    loss 

    is 

    calculated 

    as 21   E E E L   −=

    ⎟ ⎞

    ⎜⎝ 

    ⎛ +−⎟

     ⎠

     ⎞⎜⎝ 

    ⎛ +=

    g

    V y 

    g

    V y E 

    L22

    2

    2

    2

    2

    1

    1

    For rectangular channel, it can be simplified as

    ⎟⎟

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    +−⎟⎟

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    +=22

    2

    221

    2

    1 22   gy 

    q

    y gy 

    q

    y E L

    ( ) ⎟⎟

     ⎠

     ⎞⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ −+−=

    2

    2

    2

    1

    2

    21

    11

    2

    1

    y y g

    qy y E 

    L

    ( ) ⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛    −+−=

    2

    2

    2

    1

    2

    1

    2

    2

    2

    212

    1

    y y 

    y y 

    g

    qy y E 

    L

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    22/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    ( ) ( ) ⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛    −⎥⎦

    ⎤⎢⎣

    ⎡ ++−=2

    2

    2

    1

    2

    1

    2

    2

    2121212

    1

    2

    1

    y y 

    y y y y y y y y E 

    L

    Substituting   ( )   2121

    2

    2

    1

    y y y y g

    q

    +=

    ( )

    21

    2

    2

    1

    3

    2

    3

    1

    2

    212121

    4

    4

    y y 

    y y y y y y y y y y E 

    L

    −+−+−=

    21

    3

    1

    2

    212

    2

    1

    3

    2

    4

    33

    y y 

    y y y y y y E 

    L

    −−+=

    ( )21

    3

    12

    4   y y y y E 

    L −=

    which is expressed in meter

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    23/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Power due to Energy Loss

    Power due to energy loss in unit Watt is given as

    LL  gQE P  ρ =

    Height of  Jump

    The height of   jump is given as

    12  y y H

     j   −=

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    24/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Length of  Jump

    Based on Froude number upstream of  the  jump Fr1,

    ( )12

    9.6   y y L j 

      −=

    21.6   y L

     j  =

    for Fr1 ≤ 5.0

    for Fr1 > 5.0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    25/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.2

    spillway 

    discharges 

    flow 

    at 

    rate 

    of  

    7.75 

    m3/s/m. 

    At 

    the 

    downstream  horizontal  apron,  the  depth  of   flow  was  found  to  be 

    0.5 m. What tailwater depth is needed to form a hydraulic  jump? If  

    a  jump is formed, find its

    (i) type;

    (ii) length;

    (iii) 

    head loss;

     and

    (iv)  energy loss as a percentage of  the initial energy.

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    26/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Given q = 7.75 m3/s/m, y 1 = 0.5 m

    ( )21

    1

    2 Fr8112

    1++−=

    999.65.081.9

    75.7Fr

    33

    1

    1  =

    ×==

    gy 

    q

    Utilizing the conjugate depths equation,

    ( )22

      999.68112

    5.0×++−=y 

    m705.42 =y 

    (i)  Based on the Fr1 = 6.999, the  jump is a steady  jump (4.5 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    27/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (ii)  Since Fr1 = 6.999 > 5.0 

    21.6   y L

     j  =Length of   jump

    705.41.6   ×= j 

    L

    m70.28= j L

    (iii) 

    Head loss

     is

     given

     as

     ( )

    21

    3

    12

    4   y y y y E L −=

    ( )

    705.45.04

    5.0705.4  3

    ××

    −=

    LE 

    m901.7=L

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    28/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (iv)  Initial total energy is 2

    1

    2

    1o

    2gy 

    qy E    +=

    2

    2

    o5.081.92

    75.75.0

    ××+=E 

    m745.12o =E 

    Percentage of  energy loss   %99.61%100745.12

    901.7

    o

    =×=E 

    E L

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    29/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.3

    25‐

    wide 

    spillway 

    is 

    discharging 

    flow 

    with 

    velocity 

    of  

    30 

    m/s 

    at 

    adepth of  1 m. Hydraulic  jump occurs immediately downstream. Find

    the height of  the  jump and power loss due to the  jump.

    Given B =

     25

     m,

     y 1 = 1 m, V 1 = 30 m/s

    ( )21

    1

    2 Fr8112

    1++−=

    578.9

    181.9

    30Fr

    1

    11   =

    ×==

    gy 

    Conjugate depths equation,

    ( )22

      578.98112

    1×++−=y 

    055.132 =

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    30/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (i)  Height of   jump   12   y y H j    −=

    1055.13   −= j 

    H

    m055.12= j 

    H

    (ii)  Energy loss  ( )

    21

    3

    12

    4   y y 

    y y E 

    L

    −=

    ( )055.12141055.12

      3

    ××−=LE 

    m019.28=L

    Power due to energy lossLL

      gQE P  ρ =

    ( )   019.28301259810   ××××=L

    P

    MW 

    15.206=LP

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    31/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    A steady non‐uniform flow in a prismatic channel with gradual changes 

    in its flow surface elevation.

    Examples:

    (i) Drawdown produced by sudden change in channel bed slope

    4.3 Gradually‐Varied Flow

    M2

    S2y c

    Mild slope

    S t e e p  s l  o p e 

    y o

    y o

    control section

    Computations C  o m p u t a t i  o n s 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    32/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (ii) Backwater produced by increased in bed elevation

    M1

    y cM i l d 

     s l o p e 

    y o1

    control section 1

    Computations   ComputationsMilder 

     

    slope

    y o2

    Lake

    control section 2

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    33/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Types of  Slope

    y o   So   Type of  slope Symbol

    y o > y c

    or

    So 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    34/113

    Classification of  GVF ProfileChannel Region Condition Type

    Mild slope

    1   y  > y o > y c   M1

    2   y o > y  > y c   M2

    3   y o > y c > y    M3

    Steep slope

    1   y  > y c > y o   S1

    2   y c > y  > y o   S2

    3   y c > y o > y    S3

    Critical slope1   y  > y o = y c   C1

    3   y   y c   H2

    3   y   y c   A2

    3   y  < y c   A3

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    35/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Classification of  GVF Profile

    Slope Region 1 Region

     2 Region

     3

    Mild M

    Steep S

    Critical C

    M1

    y o

    y c

    y  > y o > y c

    M2y o

    y c

    y o > y  > y c

    M3y o

    y c

    y o > y c > y 

    S1

    y  > y c > y o

    y cy o

    S3

    y c > y o > y 

    y cy o

    y c > y  > y o

    y cy o   S2

    C1

    y  > y o = y c

     y o   =  y 

    C3

    y o = y c > y 

     y o   =  y 

    c −

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    36/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Slope Region 1 Region

     2 Region

     3

    Horizontal 

    H

    Adverse A

    H2

    y c

    y  > y c

    A2

    H2y c

    y c > y 

    y  > y c

    y c

    y c > y 

    y c

    All curves in region 1 have positive slopes (backwater curves)

    All curves in region 2 have negative slopes (drawdown curves)

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    37/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    38/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Occurrence of  Flow Profile

    (a) i. M1 profile

    Occurs due to obstruction to subcritical flow, e.g. weir, dam or

    other control structures. The profile extends to several kilometres 

    upstream before

     approaching

     the

     normal

     depth.

    M1

    y o

    y c

    y  > y o > y c

    Mild slope

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    39/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (a) 

    ii. 

    M2 profileOccurs when there is a sudden drop in the bottom of  the channel,

    constriction of  channel or channel outlet into reservoir.

    M2

    y o

    y c

    y o > y  > y c

    Mild 

    slope

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    40/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (a) 

    iii. 

    M3 profileOccurs when supercritical flow enters a mild slope channel, e.g.

    flow from a spillway or a sluice gate to a mild channel.

    M3y o

    y c

    y o > y c > y 

    Mild slope

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    41/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (b) 

    i. 

    S1 profileOccurs when supercritical flow changes to pool of  water 

    (subcritical flow) due to obstruction such as weir or dam. 

    S1

    y o

    y c

    Steep slope

    y  > y c > y o

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    42/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (b) 

    ii. 

    S2 profileOccurs when flow from reservoir enter a steep slope or when 

    there is a change from mild slope to steep slope. This profile is of  

    shorter length. 

    y c > y  > y o

    y cy o S

    2

    Steep slope

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    43/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (b) 

    iii. 

    S3 profileOccurs when flow from reservoir enter a steep slope or when 

    there is a change from mild slope to steep slope. This profile is of  

    shorter length. 

    S3

    y c > y o > y 

    y cy oSteep slope

    S3

    y cy oSteep slope

    S  t  e  e   p  e  r   s  l   o  

     p  e  

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    44/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (c) C1 and C3 profiles

    Highly unstable

     and

     rarely

     occur,

     

    (d) H2 and H3 profiles

    Occurs when

     the

     bed

     of 

     mild

     slope

     becomes

     flatter.

     There

     is

     no

     

    region 1 since y o = ∞. 

    y  > y o = y c and   y o = y c > y 

    H2

    y c

    y  > y c

    H3

    y c > y 

    Horizontal bedDrop

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    45/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (e) A2

     and A3

     profiles

    Occurs when flow is on adverse slope, which is rare. These profiles 

    occurs within a short length. 

    A2

    y c

    y  > y c

    y c > y 

    Adverse slope

    A3

    Drop

    Pool

    Activity 4 4

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    46/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.4

    Determine the type of  profile for the following flow.

    Sluice gate

    y o

    y c

    Sluice gate

    y c

    y o

    (a)   (b)

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    47/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Sluice gate

    y o

    y c

    Sluice gate

    y c

    y o

    (a)   (b)

    S3

    S1

    M3

    M1

    y c > y o   → S

    Zone 1  → S1

    Zone 3  → S3

    y o > y c   → M

    Zone 1  → M1

    Zone 3  → M3

    Activity 4 5

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    48/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.5

    rectangular 

    channel 

    with 

    bottom 

    width 

    and 

    bottom 

    slope 

    0.0008 has discharge of  1.5 m3/s. Along the gradually‐varied  flow  in 

    the channel, the depth at a section  is  found  to be 0.3 m. Assuming 

    Manning n = 0.016, determine the type of  GVF profile. 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    49/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Rectangular section, B = 4 m, So = 0.0008, n = 0.016, Q = 1.5 m3/s, y  = 0.3 m. 

    2

    1

    o

    3

    2

    S

    Qn AR   =

    ( )2

    1

    3

    2

    o

    oo

    0008.0

    016.05.1

    2

    ×=⎟⎟

     ⎠

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    +   y B

    By By 

    ( )   8485.024

    443

    2

    o

    oo   =⎟⎟ ⎞⎜⎜

    ⎝ ⎛ 

    +   y y y 

    m4261.0o =y 

    3

    1

    2

    2

    ⎟⎟

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ =

    gB

    Qy 

    c

    3

    1

    2

    2

    81.94

    5.1⎟⎟

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    ×=cy 

    m2429.0=cy 

    2o   M→>>   cy y y Since

    Activity 4.6

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    50/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Activity 4.6

    triangular 

    channel 

    has 

    side 

    slope 

    1(H):1(V), 

    bed 

    slope 

    0.001, 

    and 

    Manning roughness n = 0.015. If  rate of  flow is 0.2 m3/s

    (a) Determine the type of  slope, and

    (b) Give the limit of  depths of  flow in regions 1, 2, and 3. 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    51/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Triangular section, z = 1, So = 0.001, n = 0.015, Q = 0.2 m3/s

    2

    1

    o

    3

    2

    S

    Qn AR   =

    ( )2

    1

    3

    2

    2

    o

    2

    o2

    o

    001.0

    015.02.0

    12

    ×=⎟

    ⎟ ⎠

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    + zy 

    zy zy 

    m5361.0o =y 

    g

    Q

     A

    c

    c

    23

    =

    m3822.0=cy 

    Mslopemildo   →>   cy y Since

    ( )   09487.022

    3

    2

    o

    2

    o2o   =⎟⎟ ⎞⎜⎜

    ⎝ ⎛ 

    y y y 

    1897.038

    o =y 

    ( ) 81.9 2.02

    232

    =c

    c

    zy zy 

    008155.05 =cy 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    52/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    m5361.0 

    :M 

    For 1   >y 

    m0.3822m5361.0 :M For 2   >> y 

    m0.3822 

    :M 

    For 3  

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    53/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Analysis of  GVF Profile

    Two basic assumptions are involved in the analysis of  GVF:

    1. The pressure distribution at any section is hydrostatic.

    2. The resistance to flow at any depth can be assumed using 

    uniform‐flow equation, such as the Manning's equation, with the 

    condition that the slope term to be used in the equation is the 

    energy slope

     and

     not

     the

     bed

     slope.

     Thus,

     if 

     in

     a GVF

     the

     depth

     of 

     

    flow at any section is y , the energy slope S f  is:

    3

    4

    22

    R

    V nS f  =

    where R is the hydraulic radius of  the section at depth y .

    Differential Equation of GVF

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    54/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Differential Equation of  GVF

    The total

     energy

     H of 

     a gradually

    ‐varied

     flow

     in

     a channel

     of 

     small

     slope is:

    g

    V y E 

    2

    2

    +=where the specific energy

    g

    V y zH

    2

    2

    ++=

    Schematic sketch of  GVF

    E y 

    g

    2

    2

    E ne r g y  

    l i ne  

    S  f  

    W a t e r  s u r f  a c e 

    SozDatum   x 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    55/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Since the water surface varies in the longitudinal  x ‐direction, the depth 

    of  the

     flow

     and

     the

     total

     energy

     are

     functions

     of 

      x .

    Differentiating total energy with respect to  x ,

    ⎟⎟

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

    ++= g

     x  x 

     x 

    z

     x 

    H

    2d

    d

    d

    d

    d

    d

    d

    d  2

    Energy slope 

     f 

    S x 

    H−=

    d

    d

    Bottom 

    slope 

    oS x 

     Z −=

    d

    d

    water‐surface slope 

    relative to the channel 

    bottom 

     x y 

    gAQ

     x gV 

     x    dd

    2dd

    2dd 2

    22

    ⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ =⎟⎟

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

     x 

     A

    gA

    Q

    d

    d

    d

    d3

    2

    −=

    Velocity term

     

    T A

    =d

    Since

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    56/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    T y 

    =d

    Since

     x 

    gA

    T Q

    g

     x    d

    d

    2d

    d3

    22

    =⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ 

     x 

    gA

    T Q

     x 

    y SS o f 

    d

    d

    d

    d3

    2

    ⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ −+−=−

    Differentiated energy

     equation

     can

     now

     be

     rewritten

     as

    Rearranging,

    3

    2

    1d

    d

    gA

    T Q

    SS

     x 

    y    f o

    −=   Dynamic

     

    equation 

    of  

    GVF 

    Other forms of  dynamic equation of  GVF 

    ( ) f d h d d

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    57/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (a) If  K  = conveyance at any depth y  and K o = conveyance corresponding to 

    the normal

     depth

     y o,

     then

     f S

    QK  =   for GVF

    oS

    Q

    K   =o   for uniform flow

    2

    2

    S

    So

    o

     f  =

    If   Z  = section factor at depth y  and  Z c = section factor at the critical depth y c,

     A Z 

    32 =

    gQ

    T  A Z 

    c

    cc

    232 ==and

    Hence2

    2

    3

    2

     Z 

     Z 

    gA

    T Q c=

    Substituting into the GVF dynamic equation

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    58/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    g y q

    ⎟⎟⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ 

    −=

    3

    2

    1

    1

    d

    d

    gA

    T Q

    SS

    S x 

    y  o

     f 

    o

    ⎥⎥⎥

    ⎢⎢⎢

    ⎟ ⎠

     ⎞

    ⎜⎝ 

    ⎛ 

    ⎟ ⎠

     ⎞⎜⎝ 

    ⎛ −=

      2

    2

    1

    1

    d

    d

     Z 

     Z 

    S x 

    c

    o

    o

    This equation is useful in developing direct integration techniques.

    (b) If Q h l di h d h d Q d h

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    59/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (b) If  Qo represents the normal discharge at a depth y o and Qc denotes the 

    critical discharge

     at

     the

     same

     depth

     y ,

    oo   SK Q   =

    g Z Qc =and

    Using these definitions, the GVF dynamic equation in (a) can be rewritten as

    2

    2

    1

    1

    dd

    ⎟⎟ ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ −

    ⎟⎟

     ⎠

     ⎞⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ −

    =

    c

    no

    Q

    QQ

    Q

    S x y 

    ( ) A th f f th GVF d i ti i

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    60/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    (c) Another form of  the GVF dynamic equation is 

    This equation is called the differential‐energy equation of  GVF to distinguish 

    it from

     the

     other

     GVF

     differential

     equations.

     This

     energy

     equation

     is

     very

     

    useful in developing numerical techniques for the GVF profile computation.

     f o   SS x 

    E −=

    d

    d

    Analysis of GVF Profile

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    61/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Analysis of  GVF Profile

    Among the importance are:

    (a) determination of  the effect of  hydraulic structure to the flow;

    (b) inundation due

     to

     dam

     or

     weir

     construction;

     and

    (c) estimation of  flood area.

    This course only considers the following methods:

    (a) Direct integration;

    (b) Numerical integration;

     and

    (c) Direct step.

    Calculation of GVF Profile

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    62/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Calculation of  GVF Profile

    Gradually‐varied 

    flow surface

    y 1   y N+1

    L

     Δ x 1  Δ x 2  Δ x N

    y 1+Δy 1   y 1+Δy 2

    Changes in depth of  flow  can be calculated if:

    (a)   y 1 and y N+1 are known, or

    (b)   L is known

     x 

    d

    d

    A. Direct Integration

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    63/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    A. Direct Integration

    ( ) ( ) ( )[ ]   ( ) ( )[ ]⎪⎭

    ⎪⎬⎫

    ⎪⎩

    ⎪⎨⎧

    −⎟⎟

     ⎠

     ⎞⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ +−−−=−   Jv F  Jv F 

    M

     J

    y NuF NuF uu

    S

    y  x  x 

    M

    c ,,,, 12o

    1212

    o

    o12

    Between two sections ( x 1, y 1) and ( x 2, y 2),

    M, N = hydraulic exponents

    F (u, N) = varied‐flow function

    F (v ,  J) = same function as F (u, N)

    oy y u =   J

    N

    uv  =( )1+−

    =MNN J

    where,

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    64/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    Section   M N

    Rectangular 3 2 to 3.333

    Trapezoidal 3 to

     5 2

     to

     5.333

    Triangular 5 5.333

    ⎟ ⎞⎜⎝ ⎛  −=

    y T 

    T  AT 

     Ay M

    dd3

    ⎟ ⎞

    ⎝ 

    ⎛ −=

    PRT 

     A

    y N

    d

    d25

    3

    2

    For trapezoidal channels,

    ⎟ ⎞

    ⎜⎝ ⎛  +

    −⎟ ⎞

    ⎜⎝ ⎛  +

    ⎟ ⎠

     ⎞⎜⎝ 

    ⎛  +

    =

    B

    y z

    B

    y z

    B

    y z

    B

    y z

    M

    21

    2

    1

    213

    ⎥⎦

    ⎤⎢⎣

    ⎡ +⎟ ⎠ ⎞

    ⎜⎝ ⎛ +

    +⎟ ⎠

     ⎞⎜⎝ 

    ⎛ 

    −⎟ ⎠ ⎞

    ⎜⎝ ⎛  +

    ⎟ ⎠

     ⎞⎜⎝ 

    ⎛  +

    =2

    2

    121

    1

    38

    1

    21

    310

    zB

    z

    B

    B

    y z

    B

    y z

    N

    3.0

    4.05.06.0

    y z

    1

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    65/113

    2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.50.02

    0.03

    0.05

    0.1

    0.04

    0.2

    0.3

    0.06

    0.08

    0.40.50.6

    0.81.0

    2.0

    o

     andD

    B

       z =

     

        2

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

           z

         = 

            0         (      r

          e      c       t      a      n      g      u        l      a      r        )

       z =

     

       0 .    5

       z =

     

       1 .    5

       z =

     

       1

    z = 4z = 3z = 2.5

    Circular

    Doy 

    B

    3.0

    4.05.06.0

    y z

    1z       

    =    0     

     ( 5

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    66/113

    o

     andD

    B

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.02

    0.03

    0.05

    0.1

    0.04

    0.2

    0.3

    0.06

    0.08

    0.40.50.6

    0.81.0

    2.0

    5.5

    Bz (      r    

    e    

    c    t    a    n     g    u    l     a    r      )     

    Doy 

    C i r c u l ar 

       z =    0 .   5

       z =

     

       1

       z =    1 .    5

    z = 2.5z = 2

    z = 4z = 3

    N  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    67/113

    u

    0.000.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.10

    0.12

    0.14

    0.16

    0.18

    0.100

    0.120

    0.141

    0.161

    0.181

    0.100

    0.120

    0.140

    0.161

    0.181

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.181

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.100

    0.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.20

    0.22

    0.24

    0.26

    0.28

    0.202

    0.223

    0.243

    0.264

    0.286

    0.201

    0.222

    0.242

    0.263

    0.284

    0.201

    0.221

    0.242

    0.262

    0.283

    0.201

    0.221

    0.241

    0.262

    0.282

    0.200

    0.221

    0.241

    0.261

    0.282

    0.200

    0.220

    0.241

    0.261

    0.281

    0.200

    0.220

    0.240

    0.261

    0.281

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.281

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.30

    0.32

    0.34

    0.36

    0.38

    0.307

    0.329

    0.350

    0.373

    0.395

    0.305

    0.326

    0.348

    0.370

    0.392

    0.304

    0.325

    0.346

    0.367

    0.389

    0.303

    0.324

    0.344

    0.366

    0.387

    0.302

    0.323

    0.343

    0.364

    0.385

    0.302

    0.322

    0.343

    0.363

    0.384

    0.301

    0.322

    0.342

    0.363

    0.383

    0.301

    0.321

    0.342

    0.362

    0.383

    0.301

    0.321

    0.341

    0.362

    0.382

    0.300

    0.321

    0.341

    0.361

    0.382BFC21103 Hydraulics Tan et al. ([email protected])

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    68/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    u

    0.400.42

    0.44

    0.46

    0.48

    0.4180.441

    0.465

    0.489

    0.514

    0.4140.437

    0.460

    0.483

    0.507

    0.4110.433

    0.456

    0.478

    0.502

    0.4080.430

    0.452

    0.475

    0.497

    0.4070.428

    0.450

    0.472

    0.494

    0.4050.426

    0.448

    0.470

    0.492

    0.4040.425

    0.446

    0.468

    0.489

    0.4030.424

    0.445

    0.466

    0.488

    0.4030.423

    0.444

    0.465

    0.486

    0.4020.423

    0.443

    0.464

    0.485

    0.50

    0.52

    0.54

    0.56

    0.58

    0.539

    0.565

    0.592

    0.619

    0.647

    0.531

    0.556

    0.582

    0.608

    0.635

    0.525

    0.550

    0.574

    0.600

    0.626

    0.521

    0.544

    0.568

    0.593

    0.618

    0.517

    0.540

    0.563

    0.587

    0.612

    0.514

    0.536

    0.559

    0.583

    0.607

    0.511

    0.534

    0.556

    0.579

    0.603

    0.509

    0.531

    0.554

    0.576

    0.599

    0.508

    0.529

    0.551

    0.574

    0.596

    0.506

    0.528

    0.550

    0.572

    0.594

    0.60

    0.61

    0.62

    0.63

    0.64

    0.676

    0.691

    0.707

    0.722

    0.738

    0.663

    0.677

    0.692

    0.707

    0.722

    0.653

    0.666

    0.680

    0.694

    0.709

    0.644

    0.657

    0.671

    0.684

    0.698

    0.637

    0.650

    0.663

    0.676

    0.690

    0.631

    0.644

    0.657

    0.669

    0.683

    0.627

    0.639

    0.651

    0.664

    0.677

    0.623

    0.635

    0.647

    0.659

    0.672

    0.620

    0.631

    0.643

    0.655

    0.667

    0.617

    0.628

    0.640

    0.652

    0.664

    0.65

    0.66

    0.67

    0.68

    0.69

    0.754

    0.771

    0.787

    0.805

    0.822

    0.737

    0.753

    0.769

    0.785

    0.802

    0.724

    0.739

    0.754

    0.769

    0.785

    0.712

    0.727

    0.742

    0.757

    0.772

    0.703

    0.717

    0.731

    0.746

    0.761

    0.696

    0.709

    0.723

    0.737

    0.751

    0.689

    0.703

    0.716

    0.729

    0.743

    0.684

    0.697

    0.710

    0.723

    0.737

    0.680

    0.692

    0.705

    0.718

    0.731

    0.676

    0.688

    0.701

    0.713

    0.726

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    69/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    u

    0.700.71

    0.72

    0.73

    0.74

    0.8410.859

    0.878

    0.898

    0.918

    0.8190.837

    0.855

    0.874

    0.893

    0.8020.819

    0.836

    0.853

    0.871

    0.7870.804

    0.820

    0.837

    0.854

    0.7760.791

    0.807

    0.823

    0.840

    0.7660.781

    0.796

    0.811

    0.827

    0.7570.772

    0.786

    0.802

    0.817

    0.7500.764

    0.779

    0.793

    0.808

    0.7440.758

    0.772

    0.786

    0.800

    0.7390.752

    0.766

    0.780

    0.794

    0.75

    0.76

    0.77

    0.78

    0.79

    0.939

    0.961

    0.984

    1.007

    1.031

    0.912

    0.933

    0.954

    0.976

    0.998

    0.890

    0.909

    0.929

    0.950

    0.971

    0.872

    0.890

    0.909

    0.929

    0.949

    0.857

    0.874

    0.892

    0.911

    0.930

    0.844

    0.861

    0.878

    0.896

    0.914

    0.833

    0.849

    0.866

    0.883

    0.901

    0.823

    0.839

    0.855

    0.872

    0.889

    0.815

    0.830

    0.846

    0.862

    0.879

    0.808

    0.823

    0.838

    0.854

    0.870

    0.80

    0.81

    0.82

    0.83

    0.84

    1.056

    1.083

    1.110

    1.139

    1.170

    1.022

    1.047

    1.072

    1.099

    1.128

    0.994

    1.017

    1.041

    1.067

    1.093

    0.970

    0.992

    1.015

    1.039

    1.064

    0.950

    0.971

    0.993

    1.016

    1.040

    0.934

    0.954

    0.974

    0.996

    1.019

    0.919

    0.938

    0.958

    0.979

    1.001

    0.907

    0.925

    0.945

    0.965

    0.985

    0.896

    0.914

    0.932

    0.952

    0.972

    0.887

    0.904

    0.922

    0.940

    0.960

    0.85

    0.86

    0.87

    0.88

    0.89

    1.202

    1.236

    1.273

    1.312

    1.355

    1.158

    1.190

    1.224

    1.260

    1.300

    1.122

    1.151

    1.183

    1.217

    1.254

    1.091

    1.119

    1.149

    1.181

    1.216

    1.065

    1.092

    1.120

    1.151

    1.183

    1.043

    1.068

    1.095

    1.124

    1.155

    1.024

    1.048

    1.074

    1.101

    1.131

    1.007

    1.031

    1.055

    1.081

    1.110

    0.993

    1.015

    1.039

    1.064

    1.091

    0.980

    1.002

    1.025

    1.049

    1.075

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    70/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    u

    0.900.91

    0.92

    0.93

    0.94

    1.4011.452

    1.508

    1.572

    1.645

    1.3431.390

    1.442

    1.500

    1.568

    1.2941.338

    1.386

    1.441

    1.503

    1.2531.294

    1.340

    1.391

    1.449

    1.2181.257

    1.300

    1.348

    1.403

    1.1891.225

    1.266

    1.311

    1.363

    1.1631.197

    1.236

    1.279

    1.328

    1.1401.173

    1.210

    1.251

    1.297

    1.1201.152

    1.187

    1.226

    1.270

    1.1031.133

    1.166

    1.204

    1.246

    0.950

    0.960

    0.970

    0.975

    0.980

    1.730

    1.834

    1.968

    2.052

    2.155

    1.647

    1.743

    1.865

    1.943

    2.040

    1.577

    1.666

    1.780

    1.851

    1.936

    1.518

    1.601

    1.707

    1.773

    1.855

    1.467

    1.545

    1.644

    1.707

    1.783

    1.423

    1.497

    1.590

    1.649

    1.720

    1.385

    1.454

    1.543

    1.598

    1.666

    1.352

    1.417

    1.501

    1.553

    1.617

    1.322

    1.385

    1.464

    1.514

    1.575

    1.296

    1.355

    1.431

    1.479

    1.536

    0.985

    0.990

    0.995

    0.999

    1.000

    2.294

    2.477

    2.792

    3.523

    2.165

    2.333

    2.621

    3.292

    2.056

    2.212

    2.478

    3.097

    1.959

    2.106

    2.355

    2.931

    1.880

    2.017

    2.250

    2.788

    1.812

    1.940

    2.159

    2.663

    1.752

    1.873

    2.079

    2.554

    1.699

    1.814

    2.008

    2.457

    1.652

    1.761

    1.945

    2.370

    1.610

    1.714

    1.889

    2.293

    1.001

    1.005

    1.010

    1.015

    1.020

    3.317

    2.587

    2.273

    2.090

    1.961

    2.931

    2.272

    1.984

    1.817

    1.698

    2.640

    2.021

    1.756

    1.602

    1.493

    2.399

    1.818

    1.572

    1.428

    1.327

    2.184

    1.649

    1.419

    1.286

    1.191

    2.008

    1.506

    1.291

    1.166

    1.078

    1.856

    1.384

    1.182

    1.065

    0.982

    1.725

    1.279

    1.089

    0.978

    0.900

    1.610

    1.188

    1.007

    0.902

    0.828

    1.508

    1.107

    0.936

    0.836

    0.766

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    71/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    u

    1.031.04

    1.05

    1.06

    1.07

    1.7791.651

    1.552

    1.472

    1.405

    1.5321.415

    1.325

    1.252

    1.191

    1.3401.232

    1.149

    1.082

    1.026

    1.1861.086

    1.010

    0.947

    0.895

    1.0600.967

    0.896

    0.838

    0.790

    0.9550.868

    0.802

    0.748

    0.703

    0.8660.785

    0.723

    0.672

    0.630

    0.7900.714

    0.656

    0.608

    0.569

    0.7250.653

    0.598

    0.553

    0.516

    0.6680.600

    0.548

    0.506

    0.471

    1.08

    1.09

    1.10

    1.11

    1.12

    1.346

    1.296

    1.250

    1.210

    1.173

    1.138

    1.091

    1.050

    1.013

    0.980

    0.977

    0.935

    0.897

    0.864

    0.833

    0.851

    0.812

    0.777

    0.746

    0.718

    0.749

    0.713

    0.681

    0.652

    0.626

    0.665

    0.631

    0.601

    0.575

    0.551

    0.595

    0.563

    0.536

    0.511

    0.488

    0.535

    0.506

    0.480

    0.457

    0.436

    0.485

    0.457

    0.433

    0.411

    0.392

    0.441

    0.415

    0.392

    0.372

    0.354

    1.13

    1.14

    1.15

    1.16

    1.17

    1.139

    1.108

    1.079

    1.052

    1.027

    0.949

    0.921

    0.895

    0.871

    0.848

    0.805

    0.780

    0.756

    0.734

    0.713

    0.693

    0.669

    0.647

    0.627

    0.608

    0.602

    0.581

    0.561

    0.542

    0.525

    0.529

    0.509

    0.490

    0.473

    0.458

    0.468

    0.450

    0.432

    0.417

    0.402

    0.417

    0.400

    0.384

    0.369

    0.355

    0.374

    0.358

    0.343

    0.329

    0.316

    0.337

    0.322

    0.308

    0.295

    0.283

    1.18

    1.19

    1.20

    1.22

    1.24

    1.003

    0.981

    0.960

    0.922

    0.887

    0.827

    0.807

    0.788

    0.754

    0.723

    0.694

    0.676

    0.659

    0.628

    0.600

    0.591

    0.574

    0.559

    0.531

    0.505

    0.509

    0.494

    0.480

    0.454

    0.431

    0.443

    0.429

    0.416

    0.392

    0.371

    0.388

    0.375

    0.363

    0.341

    0.322

    0.343

    0.331

    0.320

    0.299

    0.281

    0.305

    0.294

    0.283

    0.264

    0.248

    0.272

    0.262

    0.252

    0.235

    0.219

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    72/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    u

    1.261.28

    1.30

    1.32

    1.34

    0.8560.827

    0.800

    0.776

    0.753

    0.6940.669

    0.645

    0.623

    0.603

    0.5740.551

    0.530

    0.510

    0.492

    0.4820.461

    0.442

    0.424

    0.408

    0.4100.391

    0.373

    0.357

    0.342

    0.3510.334

    0.318

    0.304

    0.290

    0.3040.288

    0.274

    0.260

    0.248

    0.2650.250

    0.237

    0.225

    0.214

    0.2330.219

    0.207

    0.196

    0.185

    0.2050.193

    0.181

    0.171

    0.162

    1.36

    1.38

    1.40

    1.42

    1.44

    0.731

    0.711

    0.692

    0.675

    0.658

    0.584

    0.566

    0.549

    0.534

    0.519

    0.475

    0.459

    0.444

    0.431

    0.418

    0.393

    0.378

    0.365

    0.353

    0.341

    0.329

    0.316

    0.304

    0.293

    0.282

    0.278

    0.266

    0.256

    0.246

    0.236

    0.237

    0.226

    0.217

    0.208

    0.199

    0.204

    0.194

    0.185

    0.177

    0.169

    0.176

    0.167

    0.159

    0.152

    0.145

    0.153

    0.145

    0.138

    0.131

    0.125

    1.46

    1.48

    1.50

    1.55

    1.60

    0.642

    0.627

    0.613

    0.580

    0.551

    0.505

    0.492

    0.479

    0.451

    0.425

    0.405

    0.394

    0.383

    0.358

    0.335

    0.330

    0.320

    0.310

    0.288

    0.269

    0.273

    0.263

    0.255

    0.235

    0.218

    0.227

    0.219

    0.211

    0.194

    0.179

    0.191

    0.184

    0.177

    0.161

    0.148

    0.162

    0.156

    0.149

    0.135

    0.123

    0.139

    0.133

    0.127

    0.114

    0.103

    0.119

    0.113

    0.108

    0.097

    0.087

    1.65

    1.70

    1.75

    1.80

    1.85

    0.525

    0.501

    0.480

    0.460

    0.442

    0.403

    0.382

    0.364

    0.347

    0.332

    0.316

    0.298

    0.282

    0.267

    0.254

    0.251

    0.236

    0.222

    0.209

    0.198

    0.203

    0.189

    0.177

    0.166

    0.156

    0.165

    0.153

    0.143

    0.133

    0.125

    0.136

    0.125

    0.116

    0.108

    0.100

    0.113

    0.103

    0.095

    0.088

    0.082

    0.094

    0.086

    0.079

    0.072

    0.067

    0.079

    0.072

    0.065

    0.060

    0.055

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    73/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    1.901.95

    2.00

    2.10

    2.20

    0.4250.409

    0.395

    0.369

    0.346

    0.3170.304

    0.292

    0.273

    0.251

    0.2420.231

    0.221

    0.202

    0.186

    0.1880.178

    0.169

    0.154

    0.141

    0.1470.139

    0.132

    0.119

    0.107

    0.1170.110

    0.104

    0.092

    0.083

    0.0940.088

    0.082

    0.073

    0.065

    0.0760.070

    0.066

    0.058

    0.051

    0.0620.057

    0.053

    0.046

    0.040

    0.0500.046

    0.043

    0.037

    0.032

    2.3

    2.4

    2.5

    2.6

    2.7

    0.326

    0.308

    0.292

    0.277

    0.264

    0.235

    0.220

    0.207

    0.195

    0.184

    0.173

    0.160

    0.150

    0.140

    0.131

    0.129

    0.119

    0.110

    0.102

    0.095

    0.098

    0.089

    0.082

    0.076

    0.070

    0.075

    0.068

    0.062

    0.057

    0.052

    0.058

    0.052

    0.047

    0.043

    0.039

    0.045

    0.040

    0.036

    0.033

    0.029

    0.035

    0.031

    0.028

    0.025

    0.022

    0.028

    0.024

    0.022

    0.019

    0.017

    2.8

    2.9

    3.0

    3.5

    4.0

    0.252

    0.241

    0.230

    0.190

    0.161

    0.175

    0.166

    0.158

    0.126

    0.104

    0.124

    0.117

    0.110

    0.085

    0.069

    0.089

    0.083

    0.078

    0.059

    0.046

    0.065

    0.060

    0.056

    0.041

    0.031

    0.048

    0.044

    0.041

    0.029

    0.022

    0.036

    0.033

    0.030

    0.021

    0.015

    0.027

    0.024

    0.022

    0.015

    0.010

    0.020

    0.018

    0.017

    0.011

    0.007

    0.015

    0.014

    0.012

    0.008

    0.005

    4.5

    5.0

    6.0

    7.0

    8.0

    0.139

    0.122

    0.098

    0.081

    0.069

    0.088

    0.076

    0.058

    0.047

    0.040

    0.057

    0.048

    0.036

    0.028

    0.022

    0.037

    0.031

    0.022

    0.017

    0.013

    0.025

    0.020

    0.014

    0.010

    0.008

    0.017

    0.013

    0.009

    0.006

    0.005

    0.011

    0.009

    0.006

    0.004

    0.003

    0.008

    0.006

    0.004

    0.002

    0.002

    0.005

    0.004

    0.002

    0.002

    0.001

    0.004

    0.003

    0.002

    0.001

    0.001

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    74/113

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    75/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    0.000.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.100.12

    0.14

    0.16

    0.18

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.20

    0.22

    0.24

    0.26

    0.28

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.30

    0.32

    0.34

    0.36

    0.38

    0.300

    0.321

    0.341

    0.361

    0.381

    0.300

    0.320

    0.340

    0.361

    0.381

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.381

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    76/113

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    77/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    0.700.71

    0.72

    0.73

    0.74

    0.7350.748

    0.761

    0.774

    0.788

    0.7270.740

    0.752

    0.765

    0.779

    0.7220.734

    0.746

    0.759

    0.771

    0.7170.729

    0.741

    0.753

    0.766

    0.7140.725

    0.737

    0.749

    0.761

    0.7110.723

    0.734

    0.746

    0.757

    0.7090.720

    0.732

    0.743

    0.754

    0.7080.719

    0.730

    0.741

    0.752

    0.7060.717

    0.728

    0.739

    0.750

    0.7050.716

    0.727

    0.737

    0.748

    0.750.76

    0.77

    0.78

    0.79

    0.8020.817

    0.831

    0.847

    0.862

    0.7920.806

    0.820

    0.834

    0.849

    0.7840.798

    0.811

    0.825

    0.839

    0.7780.791

    0.804

    0.817

    0.831

    0.7730.786

    0.798

    0.811

    0.824

    0.7690.781

    0.794

    0.806

    0.819

    0.7660.778

    0.790

    0.802

    0.815

    0.7630.775

    0.787

    0.799

    0.811

    0.7610.773

    0.784

    0.796

    0.808

    0.7600.771

    0.782

    0.794

    0.805

    0.80

    0.81

    0.82

    0.83

    0.84

    0.878

    0.895

    0.912

    0.931

    0.949

    0.865

    0.881

    0.897

    0.914

    0.932

    0.854

    0.869

    0.885

    0.901

    0.918

    0.845

    0.860

    0.875

    0.890

    0.906

    0.838

    0.852

    0.867

    0.881

    0.897

    0.832

    0.846

    0.860

    0.874

    0.889

    0.828

    0.841

    0.854

    0.868

    0.883

    0.824

    0.837

    0.850

    0.863

    0.877

    0.820

    0.833

    0.846

    0.859

    0.873

    0.818

    0.830

    0.842

    0.855

    0.869

    0.85

    0.86

    0.87

    0.88

    0.89

    0.969

    0.990

    1.012

    1.035

    1.060

    0.950

    0.970

    0.990

    1.012

    1.035

    0.935

    0.954

    0.973

    0.994

    1.015

    0.923

    0.940

    0.959

    0.978

    0.999

    0.913

    0.930

    0.947

    0.966

    0.986

    0.904

    0.921

    0.937

    0.955

    0.974

    0.897

    0.913

    0.929

    0.946

    0.964

    0.892

    0.907

    0.922

    0.939

    0.956

    0.887

    0.901

    0.916

    0.932

    0.949

    0.882

    0.896

    0.911

    0.927

    0.943

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    78/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    0.900.91

    0.92

    0.93

    0.94

    1.0871.116

    1.148

    1.184

    1.225

    1.0601.088

    1.117

    1.151

    1.188

    1.0391.064

    1.092

    1.123

    1.158

    1.0211.045

    1.072

    1.101

    1.134

    1.0071.029

    1.054

    1.081

    1.113

    0.9941.016

    1.040

    1.066

    1.095

    0.9841.004

    1.027

    1.052

    1.080

    0.9750.995

    1.016

    1.040

    1.067

    0.9670.986

    1.007

    1.030

    1.055

    0.9600.979

    0.999

    1.021

    1.045

    0.9500.960

    0.970

    0.975

    0.980

    1.2721.329

    1.402

    1.447

    1.502

    1.2321.285

    1.351

    1.393

    1.443

    1.1991.248

    1.310

    1.348

    1.395

    1.1721.217

    1.275

    1.311

    1.354

    1.1491.191

    1.245

    1.279

    1.319

    1.1291.169

    1.220

    1.252

    1.290

    1.1121.150

    1.198

    1.228

    1.264

    1.0971.134

    1.179

    1.208

    1.242

    1.0851.119

    1.163

    1.190

    1.222

    1.0731.107

    1.148

    1.174

    1.205

    0.985

    0.990

    0.995

    0.999

    1.000

    1.573

    1.671

    1.838

    2.223

    1.508

    1.598

    1.751

    2.102

    1.454

    1.537

    1.678

    2.002

    1.409

    1.487

    1.617

    1.917

    1.371

    1.443

    1.565

    1.845

    1.338

    1.406

    1.520

    1.780

    1.310

    1.373

    1.481

    1.725

    1.285

    1.345

    1.446

    1.678

    1.263

    1.320

    1.416

    1.635

    1.244

    1.298

    1.389

    1.596

    1.001

    1.005

    1.010

    1.015

    1.020

    1.417

    1.036

    0.873

    0.778

    0.711

    1.264

    0.915

    0.766

    0.680

    0.620

    1.138

    0.817

    0.681

    0.602

    0.546

    1.033

    0.736

    0.610

    0.537

    0.486

    0.951

    0.669

    0.551

    0.483

    0.436

    0.870

    0.611

    0.501

    0.438

    0.394

    0.803

    0.562

    0.459

    0.399

    0.358

    0.746

    0.519

    0.422

    0.366

    0.327

    0.697

    0.481

    0.390

    0.337

    0.300

    0.651

    0.448

    0.361

    0.311

    0.277

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    79/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    1.031.04

    1.05

    1.06

    1.07

    0.6180.554

    0.504

    0.464

    0.431

    0.5350.477

    0.432

    0.396

    0.366

    0.4690.415

    0.374

    0.342

    0.315

    0.4150.365

    0.328

    0.298

    0.273

    0.3700.324

    0.290

    0.262

    0.239

    0.3320.290

    0.258

    0.232

    0.211

    0.3000.261

    0.231

    0.207

    0.188

    0.2730.236

    0.208

    0.186

    0.168

    0.2500.215

    0.189

    0.168

    0.151

    0.2290.196

    0.172

    0.152

    0.136

    1.081.09

    1.10

    1.11

    1.12

    0.4030.379

    0.357

    0.338

    0.321

    0.3410.319

    0.299

    0.282

    0.267

    0.2920.272

    0.254

    0.239

    0.225

    0.2520.234

    0.218

    0.204

    0.192

    0.2200.204

    0.189

    0.176

    0.165

    0.1940.179

    0.165

    0.154

    0.143

    0.1720.158

    0.145

    0.135

    0.125

    0.1530.140

    0.129

    0.119

    0.110

    0.1370.125

    0.114

    0.105

    0.097

    0.1230.112

    0.102

    0.094

    0.086

    1.13

    1.14

    1.15

    1.16

    1.17

    0.305

    0.291

    0.278

    0.266

    0.254

    0.253

    0.240

    0.229

    0.218

    0.208

    0.212

    0.201

    0.191

    0.181

    0.173

    0.181

    0.170

    0.161

    0.153

    0.145

    0.155

    0.146

    0.137

    0.130

    0.123

    0.134

    0.126

    0.118

    0.111

    0.105

    0.117

    0.109

    0.102

    0.096

    0.090

    0.102

    0.095

    0.089

    0.083

    0.078

    0.090

    0.084

    0.078

    0.072

    0.068

    0.080

    0.074

    0.068

    0.064

    0.059

    1.18

    1.19

    1.20

    1.22

    1.24

    0.244

    0.235

    0.226

    0.209

    0.195

    0.199

    0.191

    0.183

    0.168

    0.156

    0.165

    0.157

    0.150

    0.138

    0.127

    0.138

    0.131

    0.125

    0.114

    0.104

    0.116

    0.110

    0.105

    0.095

    0.086

    0.099

    0.093

    0.089

    0.080

    0.072

    0.085

    0.080

    0.076

    0.067

    0.061

    0.073

    0.069

    0.065

    0.057

    0.051

    0.063

    0.059

    0.056

    0.049

    0.044

    0.055

    0.052

    0.048

    0.042

    0.037

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    80/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    1.261.28

    1.30

    1.32

    1.34

    0.1820.170

    0.160

    0.150

    0.142

    0.1450.135

    0.126

    0.118

    0.110

    0.1170.108

    0.100

    0.093

    0.087

    0.0950.088

    0.081

    0.075

    0.069

    0.0790.072

    0.066

    0.061

    0.056

    0.0650.059

    0.054

    0.050

    0.045

    0.0550.049

    0.045

    0.041

    0.037

    0.0460.041

    0.037

    0.034

    0.031

    0.0390.035

    0.031

    0.028

    0.025

    0.0330.030

    0.026

    0.024

    0.021

    1.361.38

    1.40

    1.42

    1.44

    0.1340.127

    0.120

    0.114

    0.108

    0.1030.097

    0.092

    0.087

    0.082

    0.0810.076

    0.071

    0.067

    0.063

    0.0640.060

    0.056

    0.052

    0.049

    0.0520.048

    0.044

    0.041

    0.038

    0.0420.038

    0.035

    0.033

    0.030

    0.0340.031

    0.029

    0.026

    0.024

    0.0280.025

    0.023

    0.021

    0.019

    0.0230.021

    0.019

    0.017

    0.016

    0.0190.017

    0.015

    0.014

    0.013

    1.46

    1.48

    1.50

    1.55

    1.60

    0.103

    0.098

    0.093

    0.083

    0.074

    0.077

    0.073

    0.069

    0.061

    0.054

    0.059

    0.056

    0.053

    0.046

    0.040

    0.046

    0.043

    0.040

    0.035

    0.030

    0.036

    0.033

    0.031

    0.026

    0.023

    0.028

    0.026

    0.024

    0.020

    0.017

    0.022

    0.021

    0.019

    0.016

    0.013

    0.018

    0.016

    0.015

    0.012

    0.010

    0.014

    0.013

    0.012

    0.010

    0.008

    0.011

    0.010

    0.010

    0.008

    0.006

    1.65

    1.70

    1.75

    1.80

    1.85

    0.067

    0.060

    0.054

    0.049

    0.045

    0.048

    0.043

    0.038

    0.035

    0.031

    0.035

    0.031

    0.027

    0.024

    0.022

    0.026

    0.023

    0.020

    0.017

    0.015

    0.019

    0.017

    0.014

    0.013

    0.011

    0.014

    0.012

    0.010

    0.009

    0.008

    0.011

    0.009

    0.008

    0.007

    0.006

    0.008

    0.007

    0.006

    0.005

    0.004

    0.006

    0.005

    0.004

    0.004

    0.003

    0.005

    0.004

    0.003

    0.003

    0.002

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    81/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    1.901.95

    2.00

    2.10

    2.20

    0.0410.038

    0.035

    0.030

    0.025

    0.0280.026

    0.023

    0.020

    0.016

    0.0200.018

    0.016

    0.013

    0.011

    0.0140.012

    0.011

    0.009

    0.007

    0.0100.009

    0.008

    0.006

    0.005

    0.0070.006

    0.005

    0.004

    0.003

    0.0050.004

    0.004

    0.003

    0.002

    0.0040.003

    0.003

    0.002

    0.001

    0.0030.002

    0.002

    0.001

    0.001

    0.0020.002

    0.001

    0.001

    0.001

    2.32.4

    2.5

    2.6

    2.7

    0.0220.019

    0.017

    0.015

    0.013

    0.0140.012

    0.010

    0.009

    0.008

    0.0090.008

    0.006

    0.005

    0.005

    0.0060.005

    0.004

    0.003

    0.003

    0.0040.003

    0.003

    0.002

    0.002

    0.0030.002

    0.002

    0.001

    0.001

    0.0020.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.000

    0.001 

    0.001 

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0010.000

    0.000

    0.000

    0.000

    2.8

    2.9

    3.0

    3.5

    4.0

    0.012

    0.010

    0.009

    0.006

    0.004

    0.007

    0.006

    0.005

    0.003

    0.002

    0.004

    0.004

    0.003

    0.002

    0.001

    0.002

    0.002

    0.002

    0.001

    0.000

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.000

    0.001

    0.001

    0.001

    0.000

    0.000

    0.001

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    4.5

    5.0

    6.0

    7.0

    8.0

    0.003

    0.002

    0.001

    0.001

    0.000

    0.001

    0.001

    0.000

    0.000

    0.000

    0.001

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    82/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    9.010.0

    20.0

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    83/113

    BFC21103 Hydraulics 

    Tan et al. ([email protected])

    0.000.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.0000.020

    0.040

    0.060

    0.080

    0.100.12

    0.14

    0.16

    0.18

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.1000.120

    0.140

    0.160

    0.180

    0.20

    0.22

    0.24

    0.26

    0.28

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.200

    0.220

    0.240

    0.260

    0.280

    0.30

    0.32

    0.34

    0.36

    0.38

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    0.300

    0.320

    0.340

    0.360

    0.380

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    84/113

    BFC21103 Hydraulics Tan et al. ([email protected])

    0.400.42

    0.44

    0.46

    0.48

    0.4000.420

    0.440

    0.460

    0.480

    0.4000.420

    0.440

    0.460

    0.480

    0.4000.420

    0.440

    0.460

    0.480

    0.4000.420

    0.440

    0.460

    0.480

    0.4000.420

    0.440

    0.460

    0.480

    0.500.52

    0.54

    0.56

    0.58

    0.5000.520

    0.540

    0.561

    0.581

    0.5000.520

    0.540

    0.560

    0.581

    0.5000.520

    0.540

    0.560

    0.580

    0.5000.520

    0.540

    0.560

    0.580

    0.5000.520

    0.540

    0.560

    0.580

    0.60

    0.61

    0.62

    0.63

    0.64

    0.601

    0.611

    0.621

    0.632

    0.642

    0.601

    0.611

    0.621

    0.631

    0.641

    0.601

    0.611

    0.621

    0.631

    0.641

    0.600

    0.611

    0.621

    0.631

    0.641

    0.600

    0.610

    0.621

    0.631

    0.641

    0.65

    0.66

    0.67

    0.68

    0.69

    0.652

    0.662

    0.673

    0.683

    0.694

    0.652

    0.662

    0.672

    0.683

    0.693

    0.651

    0.662

    0.672

    0.682

    0.692

    0.651

    0.661

    0.672

    0.682

    0.692

    0.651

    0.661

    0.671

    0.681

    0.692

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    85/113

    BFC21103 Hydraulics Tan et al. ([email protected])

    0.700.71

    0.72

    0.73

    0.74

    0.7040.715

    0.726

    0.736

    0.747

    0.7040.714

    0.725

    0.735

    0.746

    0.7030.713

    0.724

    0.734

    0.745

    0.7020.713

    0.723

    0.734

    0.744

    0.7020.712

    0.723

    0.733

    0.744

    0.750.76

    0.77

    0.78

    0.79

    0.7580.769

    0.780

    0.792

    0.804

    0.7570.768

    0.779

    0.790

    0.802

    0.7560.767

    0.778

    0.789

    0.800

    0.7550.766

    0.777

    0.788

    0.799

    0.7540.765

    0.776

    0.787

    0.798

    0.80

    0.81

    0.82

    0.83

    0.84

    0.815

    0.827

    0.839

    0.852

    0.865

    0.813

    0.825

    0.837

    0.849

    0.862

    0.811

    0.823

    0.835

    0.847

    0.860

    0.810

    0.822

    0.833

    0.845

    0.858

    0.809

    0.820

    0.831

    0.844

    0.856

    0.85

    0.86

    0.87

    0.88

    0.89

    0.878

    0.892

    0.907

    0.921

    0.937

    0.875

    0.889

    0.903

    0.918

    0.933

    0.873

    0.886

    0.900

    0.914

    0.929

    0.870

    0.883

    0.897

    0.911

    0.925

    0.868

    0.881

    0.894

    0.908

    0.922

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    86/113

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    87/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    1.031.04

    1.05

    1.06

    1.07

    0.2120.173

    0.158

    0.140

    0.123

    0.1950.165

    0.143

    0.127

    0.112

    0.1810.152

    0.132

    0.116

    0.102

    0.1700.143

    0.124

    0.106

    0.094

    0.1590.134

    0.115

    0.098

    0.086

    1.081.09

    1.10

    1.11

    1.12

    0.1110.101

    0.092

    0.084

    0.077

    0.1010.091

    0.083

    0.075

    0.069

    0.0920.082

    0.074

    0.067

    0.062

    0.0840.075

    0.067

    0.060

    0.055

    0.0770.069

    0.062

    0.055

    0.050

    1.13

    1.14

    1.15

    1.16

    1.17

    0.071

    0.065

    0.061

    0.056

    0.052

    0.063

    0.058

    0.054

    0.050

    0.046

    0.056

    0.052

    0.048

    0.045

    0.041

    0.050

    0.046

    0.043

    0.040

    0.036

    0.045

    0.041

    0.038

    0.035

    0.032

    1.18

    1.19

    1.20

    1.22

    1.24

    0.048

    0.045

    0.043

    0.037

    0.032

    0.042

    0.039

    0.037

    0.032

    0.028

    0.037

    0.034

    0.032

    0.028

    0.024

    0.033

    0.030

    0.028

    0.024

    0.021

    0.029

    0.027

    0.025

    0.021

    0.018

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

    1 26 0 028 0 024 0 021 0 018 0 016

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    88/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    1.261.28

    1.30

    1.32

    1.34

    0.0280.025

    0.022

    0.020

    0.018

    0.0240.021

    0.019

    0.017

    0.015

    0.0210.018

    0.016

    0.014

    0.012

    0.0180.016

    0.014

    0.012

    0.010

    0.0160.014

    0.012

    0.010

    0.009

    1.361.38

    1.40

    1.42

    1.44

    0.0160.014

    0.013

    0.011

    0.010

    0.0130.012

    0.011

    0.009

    0.008

    0.0110.010

    0.009

    0.008

    0.007

    0.0090.008

    0.007

    0.006

    0.006

    0.0080.007

    0.006

    0.005

    0.005

    1.46

    1.48

    1.50

    1.55

    1.60

    0.009

    0.009

    0.008

    0.006

    0.005

    0.008

    0.007

    0.006

    0.005

    0.004

    0.006

    0.005

    0.005

    0.004

    0.003

    0.005

    0.004

    0.004

    0.003

    0.002

    0.004

    0.004

    0.003

    0.003

    0.002

    1.65

    1.70

    1.75

    1.80

    1.85

    0.004

    0.003

    0.002

    0.002

    0.002

    0.003

    0.002

    0.002

    0.001

    0.001

    0.002

    0.002

    0.002

    0.001

    0.001

    0.002

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    0.001

    Varied‐flow function for positive slopes F(u, N) (Chow, 1959)

    N

    u  8.2 8.6 9.0 9.4 9.8

    1 90 0 001 0 001 0 001 0 001 0 000

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    89/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    1.901.95

    2.00

    2.10

    2.20

    0.0010.001

    0.001

    0.001

    0.000

    0.0010.001

    0.001

    0.000

    0.000

    0.0010.001

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0010.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    2.32.4

    2.5

    2.6

    2.7

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.0000.000

    0.000

    0.000

    0.000

    2.8

    3.0

    4.0

    5.0

    6.0

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    7.0

    8.0

    9.0

    10.0

    20.0

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    0.000

    Steps in direct integration method:

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    90/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    1. Calculate y o and y c

    2. Determine N and M

    3. Calculate  J

    4. Calculate u and v 

    5. Find F (u, N) and F (v ,  J)

    6. Calculate length of  the reach

    Activity 4.7

    A very wide  river  with  Manning  roughness  n  = 0.035  has uniform  depth  of  

    3 0 m and longitudinal slope of 0 0005 Based on direct integration method

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    91/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    3.0 m

     and

     longitudinal

     slope

     of 

     0.0005.

     Based

     on

     direct

     integration

     method,

     

    estimate the length of  nonuniform flow produced by a weir that caused the 

    water surface to increase as much as 1.5 m upstream of  weir.

    4.5 my o = 3 m

    So = 0.0005; n = 0.035

    Step 1. Calculate y o and y c

    y o = 3.0 m

    12

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    92/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    2

    1

    o3

    2

    o

    1SRy 

    nq =

    (For very

     wide

     channel,

     R ≈ y )

    2

    1

    o

    3

    5

    o

    1

    Sy nq =

    2

    1

    3

    5

    0005.03035.0

    1××=q

    /sm987.3   2=q

    3

    123

    12

    81.9

    987.3⎟⎟

     ⎞⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ =⎟⎟

     ⎞⎜⎜

    ⎝ 

    ⎛ =

    g

    qy 

    c

    m175.1=cy 

    profileMm175.1m3m4.5tom3 1o   →=>=>=   cy y y 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    93/113

    Step 5. Find F (u1, N), F (u2, N), F (v 1,  J), and F (v 2,  J)

    ( ) ( )   907.1333.3,001.1,1   == F NuF 

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    94/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    ( )   [ ] [ ]⎭⎬⎫

    ⎩⎨⎧ −×⎟

     ⎠ ⎞⎜

    ⎝ ⎛ +−−−=   786.23342.0

    3

    5.2

    3

    175.1907.11884.0001.15.10005.0

    3   3L

    ( ) ( )   1884.0333.3,5.1,2   == F NuF 

    ( ) ( )   786.25.2,001.1,1   == F  Jv F 

    ( ) ( )   3342.05.2,717.1,2   == F  Jv F 

    Step 

    6. 

    Calculate 

    length 

    of  

    channel 

    reach

    ( ) ( ) ( )[ ]   ( ) ( )[ ]⎪⎭

    ⎪⎬⎫

    ⎪⎩

    ⎪⎨⎧

    −⎟⎟ ⎠

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ +−−−=−   Jv F  Jv F 

    M

     J

    y NuF NuF uu

    S

    y  x  x 

    M

    c ,,,, 12o

    1212

    o

    o12

    m 05.12569=L

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    95/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    4.5 my o = 3 m

    So = 0.0005;

     n =

     0.035

    y  = 3.003 m

    L = 12569.05 m

    B. Numerical IntegrationSection Equations used

    All sections 2K ⎤⎡ ⎞⎛ ⎤⎡2TQ

  • 8/19/2019 BFC21103 Chapter4.pdf

    96/113

    BFC21103 Hydraulics

     

    Tan et al. ([email protected])

    All sections

    Rectangular

    Very wide channel 

    (Chezy)

    3

    2

    oo

    1

    1

    d

    d

    gA

    T Q

    K S

     x 

    y    ave

    ⎥⎥⎦

    ⎢⎢⎣

    ⎡⎟⎟ ⎠

     ⎞⎜⎜⎝ 

    ⎛ −

    =

    ⎥⎥⎥⎥

    ⎢⎢⎢⎢

    ⎟⎟

     ⎠

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ −

    =  2

    o

    3

    o1

    1d

    d

    aveK 

    gA

    T Q

    S

    y  x 

    3

    2

    oo

    1

    1

    d

    d


Recommended