第六章明渠均勻流

明渠：是一種人工修筑或天然形成的渠槽，又稱明槽。第六章明渠均勻流第一節(jié)概述明渠包括天然河道和人工渠道。水利工程中的灌溉輸水渠道、水電站引水渠道、無(wú)壓隧洞、渡槽以及城鎮(zhèn)排污的下水道等，都屬于人工渠道；而自然界中的河流、溪溝等都屬于天然河道。液體通過(guò)明渠流動(dòng)時(shí)，形成與大氣相接觸的自由表面，這種水流稱為明渠水流，也稱為無(wú)壓流。明渠水流的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化稱為恒定流，否則稱為非恒定流。明渠恒定流的流線是否為平行的直線分為均勻流和非均勻流。明渠非均勻流又分為明渠漸變流與明渠急變流。本章主要研究的是明渠恒定均勻流。一、明渠的底坡001122渠道的底坡一般沿程是微向下傾斜的。我們通常把渠道的底面與縱坡面的交線稱為渠底線，而把渠底線與水平線夾角α的正弦（即渠底線沿流程方向每單位長(zhǎng)度的下降量），稱為渠道的底坡，常以符號(hào)i表示。i

＞0i

＝0i＜0正坡：渠底沿程降低。平坡：渠底沿程水平。負(fù)坡：渠底沿程升高。▽i

＞0▽i

＝0▽i＜0二、明渠的橫斷面渠道的過(guò)水?dāng)嗝嫘褪接泻芏喾N。對(duì)于人工修建的明渠，為了便于施工和符合水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，一般做成對(duì)稱的規(guī)則斷面。工程中常見(jiàn)的形狀：梯形斷面、矩形斷面或圓形斷面、U形斷面和復(fù)式斷面等。天然河道由于長(zhǎng)度一般比較大，受地形條件的限制，斷面通常是不規(guī)則的，也不對(duì)稱，往往可分為主槽與灘地。B

hdrb▽Bh▽h梯形矩形圓形U形▽Bbh1h2復(fù)式斷面B主槽邊灘河道斷面當(dāng)明渠修建在土質(zhì)地基上時(shí)，為避免崩塌和便于施工，多做成梯形斷面；矩形斷面多用于巖石中開(kāi)鑿和混凝土襯砌的渠道；圓形斷面則常用于無(wú)壓輸水隧洞或下水道；而復(fù)式斷面多用于大型的或地基比較特殊的渠道。下面主要討論的是工程中應(yīng)用最廣泛的梯形斷面渠道的水力要素。邊坡系數(shù)（m）：邊坡線長(zhǎng)度的水平投影與鉛直投影之比。b—寬度m—邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)：m=ctgφ水面寬度：B=b+2mh過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e：A=（b+mh）h水力半徑：濕周：B

hdr矩形斷面：圓形斷面：按斷面形狀、尺寸沿流程是否變化分類：斷面的形狀、尺寸沿流程不變的長(zhǎng)直渠道，稱為棱柱體渠道。斷面的形狀、尺寸沿程漸變的長(zhǎng)直渠道，或斷面形狀尺寸沿程不變的軸線彎曲的渠道，稱為非棱柱體渠道。第二節(jié)明渠均勻流的特性和形成條件一、明渠均勻流的特性：1、過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉俜植?、斷面平均流速、流量、水深以及過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸沿程不變?、由于水深沿程不變，水面線與底坡線平行；同時(shí)由于流速水頭沿程不變，總水頭線與水面線平行。明渠均勻流是指運(yùn)動(dòng)要素沿程不變的流動(dòng)，該流動(dòng)是明渠中最簡(jiǎn)單的流動(dòng)形式。二、明渠均勻流產(chǎn)生的條件：①水流為恒定流,Q沿程不變，并且無(wú)支流的匯入或分出;②明渠為長(zhǎng)直的棱柱形渠道，n沿程不變，渠道中無(wú)水工建筑物的局部干擾;③

i>0(順坡)。因?yàn)橹挥性陧樒虑郎?，才能滿足重力沿流向的分力與摩阻力平衡。上述條件中任何一個(gè)不能滿足時(shí)，都將產(chǎn)生明渠非均勻流。在實(shí)際工程中，嚴(yán)格地講，沒(méi)有絕對(duì)的明渠均勻流，只要與上述條件相差不大，即可近似地看成是明渠均勻流。在人工渠道中，渠軸線總是盡可能的順直，底坡沿程盡量保持不變，人工渠道通常是沿程不變的棱柱體渠道，基本上滿足均勻流的條件。至于天然河道，一般為非均勻流；個(gè)別較順直整齊的、糙率基本一致的、單式斷面、河床穩(wěn)定的河段，可視為均勻流段。第三節(jié)供明渠均勻填流水力計(jì)篇算一、計(jì)算砍公式明渠均勻減流水力計(jì)鋸算的基本倒公式是謝頓才公式。游在明渠均芳勻流中，J=i，所以謝劃才公式可飾寫為K稱為流梅量模數(shù)戚。當(dāng)渠輪道斷面插形狀和胳糙率一牽定時(shí)，K僅為水賢深h的函數(shù)旱。流量公統(tǒng)式將曼寧公妻式c=1/津nR1/6代入流量蘋公式，流距量為：水力學(xué)踏中常把佳均勻流喂的水深羽叫正常臂水深，院用h0表示。相芹應(yīng)于正常罷水深的過(guò)埋水?dāng)嗝婷嫫捶e、濕周典、水力半腐徑、謝才西系數(shù)、流耗量模數(shù)也振同樣用A0、χ0、R0、C0、K0表示。相應(yīng)的水挺力要素為摔：糙率n是反映渠緊道壁面粗和糙情況的唇綜合性系陵數(shù)。n越大，摧阻力越察大，在春其他條驗(yàn)件相同軋的情況栗下，Q越小。在設(shè)計(jì)通順過(guò)已知流嘴量的渠道及時(shí)，如果n值選的偏小，計(jì)算斗所得的斷面也偏臣小，過(guò)水能警力將達(dá)不艱到設(shè)計(jì)要油求，容易景發(fā)生水流用漫溢渠槽志造成事故妻，還會(huì)因爽實(shí)際流速峽過(guò)大引起漢沖刷。如夏果n偏大，不僅因昏斷面尺寸顆偏大而造壩成浪費(fèi)，對(duì)挾帶泄泥沙的水溪流還會(huì)形栗成淤積。天然河尼道多為測(cè)非棱柱狐體渠道幣，水流編多為非缺均勻流露，n通常由實(shí)義測(cè)確定。捏沒(méi)有實(shí)測(cè)晨資料時(shí)，掛可根據(jù)河曬道具體情昏況適當(dāng)選密取。二、明渠勝均勻流水倍力計(jì)算三鍬種基本類歷型（以梯應(yīng)形斷面渠塞道為例）1、校核渠廳道的輸水云能力主要是徒對(duì)已有丘的渠道傻進(jìn)行驗(yàn)艙算，從湯謝才公剛式知道速：已知渠道鋼斷面的形肚狀、尺寸共、渠道土戰(zhàn)壤性質(zhì)和艘護(hù)面情況蜻以及渠道烈底坡，求擺輸水能力Q。見(jiàn)教材例國(guó)題7.1。2、確定渠憶道的底坡實(shí)際工軟程中常壘遇到類歌似問(wèn)題鄰，已知緞渠道斷憐面的形酸狀、尺難寸、糙慮率及設(shè)弦計(jì)流量屯或流速穗，要確鞭定渠道乖底坡。洗一般是室已知n、Q、m、b、h0，求底籮坡i。3、設(shè)計(jì)催渠道的仿斷面尺舞寸教材例7.2。根據(jù)所求賣未知量的摧不同，此肆類問(wèn)題又走可分為如深下情況：1)、先定斜出b，求h已知渠爛道的設(shè)豬計(jì)流量Q、底坡i，糙率n，邊坡系跑數(shù)m以及底奴寬斷b，求明義渠均勻?yàn)V流時(shí)的鳴正常水費(fèi)深h0。此類問(wèn)身題在渠道汽的水力計(jì)胞算中是比饅較多見(jiàn)的穗。根據(jù)公式膊，當(dāng)Q、i、n、m、b已知時(shí)，這該式變成戲一個(gè)關(guān)于郵水深h0的一元高凍次方程，臣非常復(fù)雜稍，難以直持接求解答備案。只有纖通過(guò)試算布求解，或均根據(jù)流量您與水深之終間的關(guān)系岔，繪出關(guān)脆系曲線來(lái)追查圖求解次。例題見(jiàn)擔(dān)教材例7.3。已知渠守道的設(shè)臨計(jì)流量Q、底坡i、糙率n、邊坡系過(guò)數(shù)m以及正挖常水深h0，求底沃寬b0。此類賺問(wèn)題為法了避免線求解高斬次方程鍛，求解叫方法與鋤第一類帖相似，命也要用直試算或渠查圖求角解。2)、先定出h，求b三、明渠塑均勻流水五力計(jì)算的套其他問(wèn)題1、明渠攀水力最贈(zèng)佳斷面所謂水添力最佳廁斷面，見(jiàn)就是在啦渠道的鞋過(guò)水?dāng)嘭暶婷娣e林、底坡針、糙率段一定時(shí)燥，通過(guò)輝流量最擁大的斷揚(yáng)面；或演者在渠版道的流辯量、底脾坡、糙幅率一定精時(shí)，過(guò)想水?dāng)嗝鎸颐娣e最甲小的斷顆面。研戰(zhàn)究水力禁最佳斷促面在渠脊道設(shè)計(jì)伯中有很誓重要的掩意義。由明渠旗均勻流軋的公式腰：在渠道騾的面積鳥(niǎo)、底坡脾和糙率像一定時(shí)辯，要想革使渠道尸通過(guò)的槍流量是仗最大值危，必須前使過(guò)水蛋斷面的侵濕周為教最小值腰。由幾模何學(xué)知括道，在遣面積相則同的情然況下，然濕周最謙小的斷傾面應(yīng)該憂是圓形珍或半圓奴形。但田是，由咳于施工槐、經(jīng)濟(jì)魚(yú)和管理鵲等方面遭的原因恐，工程其中并不碗經(jīng)常采顫用圓形夫或半圓北形斷面公的渠道往。在一弊般渠道商中，應(yīng)喂用最多千的是梯妖形斷面刪。梯形斷面取水力最優(yōu)目的條件：在邊坡系兵數(shù)m確定的淹情況下浙，同樣緒的過(guò)水彎面積，臘由于底漏寬和水蔽深的比汽值不同厲，導(dǎo)致辛濕周的寫大小不汽同。渠道底炭寬與水源深之比杜為渠道醒寬深比由水力最百佳斷面可糕知，A一定，x最小時(shí)，基過(guò)水能力Q最大。將械濕周對(duì)水牙深h求導(dǎo)，求宏濕周的極蝕小值。最佳寬深康比上式表明βg僅與渠道挺的邊坡系圣數(shù)m有關(guān)。將βg代入面咳積和濕舌周表達(dá)鋒式，得暑出水力振最佳斷薦面的水羞力半徑抽為結(jié)論：在慘任何邊坡緣瑞系數(shù)（m）的情窮況下，棟水力最錢優(yōu)梯形市斷面的膚水力半找徑（R）為水深沖（h）的一半電。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)流某量一定時(shí)團(tuán)，過(guò)水?dāng)嘀让婷娣e最個(gè)小，減少臂工程挖方營(yíng)量。缺點(diǎn)：斷面礎(chǔ)大多窄如而深，碼造成施目工不便阻，養(yǎng)護(hù)坑困難，攔流量改盯變時(shí)引迷起水深胳變化較低大，給疾通航和役灌溉帶朋來(lái)不便臺(tái)。水力最優(yōu)延斷面僅從弓水力學(xué)觀傍點(diǎn)來(lái)討論奔，不一定四是最經(jīng)濟(jì)皆的。2、明渠躲的允許集流速渠道在通糠過(guò)各種流丙量時(shí)，流謠速是不同筒的。為了舍保證渠道墳正常運(yùn)行獨(dú)，使其在開(kāi)使用過(guò)程妹中不會(huì)因草為流速過(guò)犯小引起淤烤積，或因尖流速過(guò)大登引起沖刷蛾，必須對(duì)朗渠道斷面欄平均流速在的上限和姓下限值加獻(xiàn)以限制。朱這種限制壺流速就是首允許流速烏。v表示。V不沖為保證延渠道不漲遭受水棵流沖刷存的允許進(jìn)流速上蛋限，稱鞋為允許樸不沖流腥速。渠道的最旗大允許不漢沖流速與斤渠床土壤見(jiàn)性質(zhì)（土長(zhǎng)壤種類、落顆粒大小靈和密實(shí)程貧度）、水死力半徑（特或水深）抖大小有關(guān)飛。確定方法緊采用查表門或經(jīng)驗(yàn)公專式計(jì)算。V不淤為保證領(lǐng)含沙水筋流中挾撇帶的泥區(qū)沙不致野在渠道減中淤積胃的允許唉流速下剖限，稱撕為允許壺不淤流戰(zhàn)速?？筛鶕?jù)沃經(jīng)驗(yàn)公濾式確定跨。3、明渠筐的組合口糙率斷奮面當(dāng)各部聰分濕周堆糙率不筆相同時(shí)厭，如：倦兩側(cè)襯堤砌糙率喘不同、極河道主冊(cè)槽與河裳灘糙率簽不同，日邊坡襯騙砌與底雀部糙率煤不同等亭。用綜合糙摟率nc代替斷面另糙率進(jìn)行產(chǎn)水力計(jì)算皆。在水利狀工程中產(chǎn)，有時(shí)劍為了滿紗足特殊釣地形條啟件和地慰質(zhì)條件惹的要求源，渠底奧和邊壁樂(lè)要采用凝不同的辯材料。椅因此，吊斷面濕源周各部框分的糙胳率是不攻同的。nc的計(jì)算蝕方法：當(dāng)然時(shí)，