第六章 明渠均勻流(網(wǎng)絡(luò)教學(xué))

1、Hydraulics水力學(xué)水力學(xué)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：明渠的幾何特性明渠的幾何特性明渠均勻流的特性明渠均勻流的特性明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速?gòu)?fù)式斷面明渠的水力計(jì)算復(fù)式斷面明渠的水力計(jì)算結(jié)束教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求 1、了解明槽水流的分類和特征、棱柱體渠道的概念；掌握明槽底坡的概、了解明槽水流的分類和特征、棱柱體渠道的概念；掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。 2、了解明槽均勻流的特點(diǎn)和形成條件，熟練掌握明槽均勻流公式，并能、了解明槽均勻流的特點(diǎn)

2、和形成條件，熟練掌握明槽均勻流公式，并能應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。 3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明渠的糙率許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明渠的糙率n值。值。 4、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過(guò)流能力和正常、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過(guò)流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。明渠水流分類：明渠水流分類：明渠恒定流明渠恒定流明渠非恒定流明渠非恒定流明渠均勻流

3、明渠均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流天然河道、人工渠道統(tǒng)稱為天然河道、人工渠道統(tǒng)稱為明渠。明渠。明渠中流動(dòng)的液體稱為明渠中流動(dòng)的液體稱為明渠水流。明渠水流。當(dāng)液體通過(guò)明渠流動(dòng)時(shí)，形成與大氣相接觸的當(dāng)液體通過(guò)明渠流動(dòng)時(shí)，形成與大氣相接觸的自由水面自由水面，表面各點(diǎn)壓強(qiáng)均，表面各點(diǎn)壓強(qiáng)均為大氣壓強(qiáng)，所以明渠水流為為大氣壓強(qiáng)，所以明渠水流為無(wú)壓流無(wú)壓流。 6.1 6.1 概述概述一、明渠水流一、明渠水流明渠的明渠的橫斷面橫斷面與渠道中心線正交的截面，其與渠道中心線正交的截面，其邊界為渠底及渠壁的交線稱為邊界為渠底及渠壁的交線稱為明渠的橫斷面明渠的橫斷面。主槽灘地梯形斷面河道斷面矩形斷面反映斷面的形狀特

4、征值稱為反映斷面的形狀特征值稱為過(guò)水過(guò)水?dāng)嗝嫠σ財(cái)嗝嫠σ?。bh1mB底寬底寬水深邊坡系數(shù)水面寬水面寬2Bbmh過(guò)水?dāng)嗝婷娣e過(guò)水?dāng)嗝婷娣e()Abmh h濕周濕周221bhm水力半徑水力半徑2()R21Abmh hbhm斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，同時(shí)又?jǐn)嗝嫘螤?、尺寸及底坡沿程不變，同時(shí)又無(wú)彎曲的渠道，稱為無(wú)彎曲的渠道，稱為棱柱體渠道棱柱體渠道。斷面形狀、尺寸或底坡沿程改變的渠道，斷面形狀、尺寸或底坡沿程改變的渠道，稱為稱為非棱柱體渠道非棱柱體渠道。棱柱體棱柱體非棱柱體2 23 311223311二、渠道的形式二、渠道的形式U形斷面rh 水面寬度水面寬度 過(guò)水面積過(guò)水面積 濕濕 周周 水

5、力半徑水力半徑 2Br222rArhr2rhrAR圓形斷面圓形斷面 水面寬度水面寬度 過(guò)水面積過(guò)水面積 濕濕 周周 水力半徑水力半徑 )(2hdhB)sin( 82dAd2 )sin( 141AR用于無(wú)壓隧洞城用于無(wú)壓隧洞城市排水管道市排水管道dh三、明渠的底坡三、明渠的底坡明渠渠底縱向（沿水流方向）傾明渠渠底縱向（沿水流方向）傾斜的程度稱為斜的程度稱為底坡底坡。以。以i i表示。表示。底坡線水面線水面線底坡線底坡線i 0順坡、正坡順坡、正坡 i i等于渠底線與水平線夾角等于渠底線與水平線夾角的正的正弦，即弦，即i=sini=sin。i = 0平坡平坡 i 0逆坡、負(fù)坡逆坡、負(fù)坡 6.2 6.

6、2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件Ff = Gs均速運(yùn)動(dòng)均速運(yùn)動(dòng)Ff 0)明渠明渠加速運(yùn)動(dòng)加速運(yùn)動(dòng)1.過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變。過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變?.過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植?、斷面平均流速沿程不變過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植肌嗝嫫骄魉傺爻滩蛔?.總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即4.水流重力在流動(dòng)方向上的分力與摩阻力相平衡，即水流重力在流動(dòng)方向上的分力與摩阻力相平衡，即G Gs s= =F Ff f 。zJJi 6.2 6.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件產(chǎn)生均勻流的條件：產(chǎn)

7、生均勻流的條件：v水流應(yīng)為恒定流。水流應(yīng)為恒定流。v流量沿程不變，即無(wú)支流。流量沿程不變，即無(wú)支流。v渠道是長(zhǎng)而直的棱柱體順坡明渠渠道是長(zhǎng)而直的棱柱體順坡明渠v粗糙系數(shù)沿程不變。粗糙系數(shù)沿程不變。v底坡不變，且為正坡。底坡不變，且為正坡。v渠道中無(wú)水工建筑物的局部干擾。渠道中無(wú)水工建筑物的局部干擾。0sin21fppFFGFfFGsin在明渠均勻流中在明渠均勻流中: :返回平衡方程明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式式中： R水力半徑（m），R=A/； C謝才系數(shù)（m1/2/s）。iKiRCAAQ0000000K明渠均勻流的流量模數(shù)，0000RCAK0A相應(yīng)于明渠均勻流正常

8、水深時(shí)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。J 水力坡度；RiCRJCAQ謝才公式：連續(xù)性方程：過(guò)水?dāng)嗝鏉裰?6.3 6.3 明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流的計(jì)算公式 6.3 明渠均勻流計(jì)算公式明渠均勻流計(jì)算公式161QA vvCR iCRn322135322111iAnRAinRiACQ返回 當(dāng)渠道的底坡、粗糙系數(shù)及過(guò)水?dāng)嗝娣e一定時(shí)，通過(guò)流量當(dāng)渠道的底坡、粗糙系數(shù)及過(guò)水?dāng)嗝娣e一定時(shí)，通過(guò)流量最大；或當(dāng)?shù)灼?、粗糙系?shù)及流量一定時(shí)，所需的過(guò)水?dāng)嗝娣e最大；或當(dāng)?shù)灼?、粗糙系?shù)及流量一定時(shí)，所需的過(guò)水?dāng)嗝娣e最小時(shí)的斷面。最小時(shí)的斷面。 6.4 6.4 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 一、水力最佳斷面一、水力最

9、佳斷面5/31/22/32/31i AQAC RiAiRnn當(dāng)當(dāng)i、n、A 給定：給定： Q Qmax min當(dāng)當(dāng)i、n、Q 給定：給定：A Amin min15 最小值常數(shù)A0, 0022dhddhddhdA212mhbhmhbhbAA)(),( 012dddd0dddd2mhbhmhbhmhbhA )()(2b= 21 + m- mh22 1dbdhm 02b+ m h+ h-21 + m+ m02b+ m - 21 + m+ mhbh mmhbm 212 2121222mmmmmmhmhmmhbhmhbAR )()(2mmmhb矩形渠道、梯形渠道水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半。矩形

10、渠道、梯形渠道水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半。矩形渠道、梯形渠道水力最佳斷面的幾何形狀是半圓的外切多邊矩形渠道、梯形渠道水力最佳斷面的幾何形狀是半圓的外切多邊形。形。 當(dāng)給定了邊坡系數(shù)當(dāng)給定了邊坡系數(shù)mm，水力最佳斷面的寬深比，水力最佳斷面的寬深比b/hb/h是唯一的。是唯一的。 當(dāng)邊坡系數(shù)大于當(dāng)邊坡系數(shù)大于1 1后，水力最佳斷面往往為后，水力最佳斷面往往為“窄深形窄深形”，這類渠道施工，這類渠道施工及運(yùn)行維護(hù)達(dá)不到經(jīng)濟(jì)的目的。及運(yùn)行維護(hù)達(dá)不到經(jīng)濟(jì)的目的。)1(22mmhbmm0(矩)0.51.01.52.02.52.01.2360.8280.6060.4720.385m水力最佳斷面存在

11、的問(wèn)題水力最佳斷面存在的問(wèn)題22()()2121AAbm h hbm hhbhmbm hm hhm，221Amhhmh 存在極小值，濕周存在極小值，濕周在極在極小值附近變化十分緩慢，小值附近變化十分緩慢，當(dāng)當(dāng)有微小變化，水深有微小變化，水深h卻卻有較大的變化范圍。有較大的變化范圍。適當(dāng)增加寬深比，過(guò)水?dāng)嗝姹人ψ罴褦嗝嬖龃筮m當(dāng)增加寬深比，過(guò)水?dāng)嗝姹人ψ罴褦嗝嬖龃?4%的斷面稱為實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的斷面稱為實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面二、實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面二、實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面設(shè)計(jì)方法實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面設(shè)計(jì)方法32RRvvAAmmmm3mm2RAvRAv1.先計(jì)算水力最佳斷面水力要素先計(jì)算水力最佳斷面水力要素2.假設(shè)面積

12、比（假設(shè)面積比（1.01-1.04），確定水力半徑），確定水力半徑3.建立方程組，求解建立方程組，求解2個(gè)未知量個(gè)未知量b和和h2bm hhRb2 1mhQACRi252mmhh20hh552mh244h222mb2 1mmmhhh.可直接查表可直接查表6-3進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)un n選得偏小，設(shè)計(jì)的渠道斷面尺寸就會(huì)偏小，渠道在設(shè)計(jì)水深運(yùn)選得偏小，設(shè)計(jì)的渠道斷面尺寸就會(huì)偏小，渠道在設(shè)計(jì)水深運(yùn)行時(shí)，實(shí)際通過(guò)流量將比設(shè)計(jì)流量小。若按通過(guò)設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，行時(shí)，實(shí)際通過(guò)流量將比設(shè)計(jì)流量小。若按通過(guò)設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，實(shí)際水深將比設(shè)計(jì)計(jì)算的水深大，就可能造成渠水漫渠頂事故。實(shí)際水深將比設(shè)計(jì)計(jì)算的水深大，就可能

13、造成渠水漫渠頂事故。un n選得偏大選得偏大，設(shè)計(jì)的渠道斷面就會(huì)偏大，導(dǎo)致工程投資增大，將，設(shè)計(jì)的渠道斷面就會(huì)偏大，導(dǎo)致工程投資增大，將造成不必要的浪費(fèi)，這對(duì)大型長(zhǎng)距離輸水工程尤為重要。因此，糙造成不必要的浪費(fèi)，這對(duì)大型長(zhǎng)距離輸水工程尤為重要。因此，糙率選取率選取對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。 5.55.5渠道設(shè)計(jì)糙率系數(shù)及允許流速渠道設(shè)計(jì)糙率系數(shù)及允許流速一、糙率系數(shù)一、糙率系數(shù)二、二、 允許流速允許流速渠道的允許流速是根據(jù)渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)渠道的允許流速是根據(jù)渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)( (如通航、水電站引如通航、水電站引水或灌溉水或灌溉) )，渠槽表面材料的性質(zhì)，水流含沙量

14、的多少及運(yùn)行管理，渠槽表面材料的性質(zhì)，水流含沙量的多少及運(yùn)行管理上的要求而確定的技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的流速。上的要求而確定的技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的流速。 保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值 不沖允許流速不沖允許流速 不淤允許流速不淤允許流速 設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面的平均流速應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面的平均流速應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)（灌溉渠道、水電站引水渠道、航運(yùn)渠道等）、渠道建筑材料的類（灌溉渠道、水電站引水渠道、航運(yùn)渠道等）、渠道建筑材料的類型、水流中含沙量的多少及其他運(yùn)用管理上的要求而選定。型、水流中含沙量的多少及其他運(yùn)用管理上的

15、要求而選定。 1. 1.渠道中的流速應(yīng)小于渠道中的流速應(yīng)小于不沖允許流速不沖允許流速VV，以保證渠道免遭，以保證渠道免遭沖刷。沖刷。 2.2.渠道中的流速應(yīng)大于渠道中的流速應(yīng)大于不淤流速不淤流速VV，以保證水流中懸浮的泥，以保證水流中懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。沙不淤積在渠槽中。 3.3.對(duì)對(duì)航運(yùn)渠道及水電站引水渠道，渠中流速還應(yīng)滿足某些技航運(yùn)渠道及水電站引水渠道，渠中流速還應(yīng)滿足某些技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件及應(yīng)用管理方面的要求。術(shù)經(jīng)濟(jì)條件及應(yīng)用管理方面的要求。例題例題 某梯形土渠某梯形土渠設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)流量 Q 為為2 2m3 3/ /s，渠道為重壤土，粗糙系數(shù)，渠道為重壤土，粗糙系數(shù)n為為0.0250.0

16、25，邊坡系數(shù)，邊坡系數(shù)m為為1.251.25，底坡，底坡i為為0.00020.0002。試設(shè)計(jì)一水力最佳斷。試設(shè)計(jì)一水力最佳斷面，并校核渠中流速（已知不淤流速為面，并校核渠中流速（已知不淤流速為0.40.4m/ /s）解：水力最佳斷面的寬深比為：解：水力最佳斷面的寬深比為：222( 1)2( 1 1.251.25)0.702mm將以寬深比表示的面積、濕周代入均勻流基本公式將以寬深比表示的面積、濕周代入均勻流基本公式8/32/13/53/22)()12(immnQh5105333222333221mhi AiQnnmh222()2121Abm h hmhbhmmh583323221mhnQim

17、返回當(dāng)為水力最佳斷面時(shí)當(dāng)為水力最佳斷面時(shí):22 / 35 / 31 / 20 .0 2 52 (0 .7 0 2211 .2 5)1 .4 9(0 .7 0 21 .2 5 )0 .0 0 0 20 .7 0 2(1 .4 9)1 .0 5mmmmhmbhmm可可得得1 / 41(0.65 0.93)/RRms查表查表6-56-5求得重壤土求得重壤土R=1mR=1m不沖允許流速不沖允許流速為為0.70.71.0m/ssm /40.0 已知不淤流速已知不淤流速: :20.46/()1.051.251.491.49mmQmsbm hh 滿足不沖刷不淤積的條件滿足不沖刷不淤積的條件。0.7452mm

18、hRm141/4(0.745)0.929Rm5.6 5.6 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著下列函數(shù)關(guān)系對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著下列函數(shù)關(guān)系: : ),(nihbmfRiACQ明渠均勻流水力計(jì)算類型：明渠均勻流水力計(jì)算類型：以梯形斷面為例：以梯形斷面為例：),(nihbmfQ5132231 AiQACRinv 已知渠道的斷面尺寸已知渠道的斷面尺寸b b、m m、h h及底坡及底坡i i、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n n，求通過(guò)的流量求通過(guò)的流量Q Q。v 已知渠道的斷面尺寸已知渠道的斷面尺寸b b、m m、h h及設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)流量Q Q、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n n，求底坡求底坡i i。v 已知渠道的斷面尺寸已知渠道的斷面尺寸b b、m m、h h及通過(guò)的流量及通過(guò)的流量Q Q、底坡、底坡i i，求粗糙系數(shù)求粗糙系數(shù)n n。v 已知渠道的設(shè)計(jì)流量已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q Q、底坡、底坡i i、底寬、底寬b b、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m和粗糙系數(shù)和粗糙系數(shù)n n，求正常水深求正常水深h h0 0v 已知渠道的設(shè)計(jì)流量已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q Q、底坡、底坡i i、水深、水深h h、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m和粗糙系數(shù)和粗糙系數(shù)n n，求底寬求底寬