明渠恒定均勻流概述1

1、第六章 明渠恒定均勻流本章要求掌握 梯形斷面水力要素、正常水深、流量、水力最正確斷面的計(jì)算及斷面設(shè)計(jì)；明渠均勻流的特性及產(chǎn)生條件、底坡、濕周、水力半徑、允許流速等概念。理解 糙率、底坡、邊坡系數(shù)、綜合糙率、復(fù)式斷面流量確實(shí)定方法。第一節(jié)概 述一、明渠水流天然河道、人工渠道中的水流通稱(chēng)為明渠水流。其具有自由水面，外表壓強(qiáng)為一個(gè)大氣 壓，相對(duì)壓強(qiáng)為零，故又稱(chēng)為無(wú)壓流。其流動(dòng)主要是靠重力流動(dòng)，不但天然河道、人工渠道 中的水流為明渠水流，只要管道、隧洞等建筑物中的水流未充滿(mǎn)整個(gè)斷面，水面是大氣壓的， 均為明渠水流。明渠水流根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間發(fā)生變化，分為明渠恒定流和明渠非恒定流。根 據(jù)水流運(yùn)動(dòng)

2、要素是否沿程變化，分為明渠恒定均勻流和明渠恒定非均勻流。本章主要討論明 渠恒定均勻流問(wèn)題，明渠恒定非均勻流將在第七章討論。明渠均勻流是指：渠道中的流速及流速分布沿流程不變的水流。二、渠道的形式渠道是約束明渠水流運(yùn)動(dòng)的外部條件，渠道邊壁的幾何特征和水力特性對(duì)明渠中的水流 運(yùn)動(dòng)有著重要的影響，因此必須對(duì)明渠槽身的形式有所了解。渠道橫向幾何特性是指橫向斷面的形狀和尺寸；縱向幾何特性是指渠道底坡及其變化情 況。.按橫斷面的形狀分類(lèi)人工修建的渠槽一般為對(duì)稱(chēng)斷面，其基本形狀有矩形、梯形、U型、圓形和復(fù)式斷面 等。當(dāng)明渠修在土基上時(shí)，為防止崩塌和便于施工，和從優(yōu)化的角度考慮，多做成梯形斷面； 矩形斷面多用于

3、巖石中開(kāi)鑿或混凝土襯砌的渠道；圓形斷面那么常用于無(wú)壓輸水涵管或下水道; 而復(fù)式斷面那么多用于大型或地基比擬特殊的、水位變化較大的渠道。如圖6-1所示。天然河道的橫斷面形狀往往是不規(guī)那么的，常見(jiàn)的形式多是由主槽和邊灘組成的復(fù)式斷面, 如圖6-2所示。在實(shí)際工程中，人工渠道應(yīng)用較多的斷面形狀是梯形和矩形。其過(guò)水?dāng)嗝娴乃σ厝缦?水面寬度B過(guò)水?dāng)嗝婷娣e濕周%水力半徑RB = b+ 2mh A = (b + mli)h % = b + 2/zV 1 + m2A (b + mh)hR = - =/x h + 2hl + m2(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)b 渠底寬度。m邊坡系數(shù)，即為渠道側(cè)坡

4、的水平投影長(zhǎng)度與垂直投影高度的比值。它表示梯形斷面兩側(cè)邊壁的傾斜程度。m = ctg09常取垂直方向?yàn)? m時(shí)水平方向的長(zhǎng)度來(lái)表示。9為 邊坡與水平線(xiàn)的夾角。機(jī)的大小取決于土壤的種類(lèi)和護(hù)面情況，其值由土力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究確 定，也可參考表6-1選取。(b)(d)(e)(f)圖6-1圖6-2對(duì)于矩形斷面的水力要素，可看作是邊坡系數(shù)m=0的梯形斷面，那么B = bA = bhx = b + 2h對(duì)于圓形斷面、U型斷面的水力要素，可根據(jù)它們的幾何尺寸來(lái)確定。表67梯形斷面邊坡系數(shù)值巖土種類(lèi)邊坡系數(shù)加巖土種類(lèi)邊坡系數(shù)機(jī)粉砂3.0 3.5黃土或粘土細(xì)砂、中沙和粗沙卵石和砂礫1.25 1.51.疏松的和中等密實(shí)

5、的2.0 2.5半巖性耐水土壤0.5 1.02.密實(shí)的1.5-2.0風(fēng)化的巖石0.25 0.5粘壤土或沙壤土1.25 2.0未風(fēng)化的巖石0-0.25.按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分類(lèi)斷面形狀和尺寸沿程不變且渠道軸線(xiàn)為直線(xiàn)的渠道稱(chēng)為棱柱體渠道。如軸線(xiàn)順直且斷面 形狀大小不變的人工渠道、渡槽等，都屬于棱柱體渠道。在棱柱體渠道中，水流的過(guò)水?dāng)嗝?面積僅隨水深而變，即A =斷面形狀和尺寸沿程變化的渠道稱(chēng)為非棱柱體渠道。如梯形斷面和矩形斷面的渠道間的 過(guò)渡段，人工渠道的彎段、一般的天然河道等，都屬于非棱柱體渠道。在非棱柱體渠道中, 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e即隨水深/z變化，又沿流程/變化，即A =三、渠道的底坡渠段

6、首末兩端底部高差與渠段長(zhǎng)度的比值，稱(chēng)為渠道的底坡，其也等于渠底線(xiàn)與水平線(xiàn)圖6-3的夾角。的正弦。用字母，表示。如圖6-3所 示，在渠道中取1-1和2-2斷面，兩斷面間的 渠底線(xiàn)長(zhǎng)度為/, 1-1斷面的渠底高程為4 ,2-2斷面渠底高程為Z2,那么此段渠道的底坡為一般當(dāng)?shù)灼螺^小時(shí)（kvO.lO, 6tan6,即水平距離/與渠底線(xiàn)距離/相差很小，那么渠底坡度可用下式替代必須注意：明渠水流的過(guò)水?dāng)嗝媸谴怪庇谒鞣较虻臋M斷面，渠道的水深，應(yīng)為垂直于 流向的水深川，但為了測(cè)量的方便，當(dāng)坡度較小時(shí)常用鉛直水深/z替代（如圖 6-3所示），當(dāng)角較大時(shí)，那么另當(dāng)別論。根據(jù)底坡沿程的變化，明渠的底坡分為三類(lèi):渠底沿程下降的稱(chēng)為順坡（或正坡）（i 0 ）； 渠底水平的稱(chēng)為平坡（1 = 0 ）；坡