水力學課件6明渠均勻流.ppt

1、水 力 學,明渠均勻流,橋梁與結構教研室: 李 林,教學基本要求,1、了解明渠水流的分類和特征、棱柱體渠道的概念； 掌握明渠底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。,2、了解明渠均勻流的特點和形成條件， 掌握明渠均勻流公式，并能應用進行明渠均勻流水力計算。,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許流速的確定方法。,4、掌握明渠均勻流水力設計的類型和計算方法，進行過水能力和 正常水深的計算，能設計渠道的斷面尺寸。,1、明渠均勻流水力計算；,學習重點,主要內容：,明渠均勻流概述,明渠均勻流的特性和形成條件,明渠均勻流的水力計算,水力最佳斷面及允許流速,第六章 明渠

2、均勻流,明渠均勻流概述,明渠：天然的河道、人工渠道。,明渠水流特點： 液體通過明渠流動時，形成與大氣相接觸的自由水面，表面各點壓強均為大氣壓強，所以明渠水流為無壓流。（管流則是壓力流）,明渠水流：明渠中流動的液體，是一種具有自由液面的流動，水 流表面壓強為大氣壓，即相對壓強為零。,1. 明渠水流概述,2. 明渠的底坡,底坡：明渠渠底縱向（沿水流方向） 傾斜的程度，以i表示。,明渠底坡的類型：,正坡（ i 0）： 渠底高程沿流程降低；,平坡（ i = 0 ）：渠底高程沿程不變；,負坡（ i 0 ）：渠底高程沿流程增加,3. 明渠的橫斷面,明渠的橫斷面：垂直于渠道中心線作鉛垂面與渠底及渠壁的交線。

3、,明渠橫斷面形狀及斷面幾何要素：,水面寬：,過水斷面面積：,濕周：,水力半徑：,棱柱體渠道：斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變且渠道軸線為直線的渠道。,非棱柱體渠道：斷面形狀、尺寸及底坡沿程變化的順直渠道或渠線彎曲 的渠道。,明渠均勻流的特性和形成條件,1. 明渠均勻流的特性,均速運動,明渠均勻流：流速沿程不變，流線為一系列互相平行的直線，明渠 的水深和斷面的流速分布等均沿程不變的流動。,1）過水斷面的形狀、尺寸及水深沿程不變； 2）過水斷面上的流速分布、斷面平均流速沿程不變； 3）總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即 ； 4）水流重力在流動方向上的分力與摩阻力相平衡，即Gs=F。,1. 明渠均

4、勻流的特性,明渠均勻流總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即,推導：,列12斷面能量方程：,2. 明渠均勻流的產生條件,水流應為恒定流。流量沿程不變，即沿程無水流的匯入、匯出 。,必須是底坡不變的正坡明渠。,必須是棱柱體渠道，且糙率沿程不變 。,必須是充分長直且渠道中沒有建筑物的局部干擾 。,3. 思考題,思考題1：明渠均勻流可能發(fā)生在：,A、平坡棱柱形渠道； B 、順坡棱柱形渠道；,C、逆坡棱柱形渠道； D、都有可能；,A、平坡棱柱形渠道； B 、順坡棱柱形渠道；,思考題2：非棱柱體渠道中，流線也會是平行直線，故水流也可能 形成均勻流。,A、正確； B 、錯誤；,A、正確； B 、錯誤；,

5、思考題3：各種渠道中：平底坡渠道；正底坡、長直渠道；正底坡、棱柱形，長直渠道；正底坡、非棱柱形渠道；逆坡底渠道；能否產生均勻流？為什么？,明渠均勻流的水力計算,1. 明渠均勻流的計算公式,正常水深：明渠均勻流的水深，以h0表示。,明渠均勻流的計算公式,粗糙系數(shù)n：明渠設計時選擇適當?shù)牟诼?，對計算成果和工程?價有很大影響。糙率過大：斷面尺寸偏大，增加土 方開挖量，造成浪費；糙率過?。簞t達不到設計過 水能力。,2. 明渠均勻流的水力計算,驗算渠道的通過能力Q,已知：斷面形狀、b、h、m、底坡 i、糙率n 校核：流量 Q,例題：一電站已建引水渠為梯形斷面， m =1.5，底寬b=35m， n =

6、0.03，i =1/6500，渠底到堤頂高程差為3.2m，電站 引水流量 Q = 67m/s。因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給 工業(yè)用水。試計算超高0.5m條件下，除電站引用流量外, 還能供給工業(yè)用水若干？,2. 明渠均勻流的水力計算,過水斷面：,濕 周：,水力半徑：,謝才系數(shù)：,流 量：,渠中水深：,保證電站引用流量下， 渠道還可提供用水量： 77.467.0 =10.4 m/s,2. 明渠均勻流的水力計算,設計渠道底坡i,已知Q、n，m，n，h、b、求i,例題： 一矩形渡槽，b = 2.0m，槽長l =120.m，進口處槽底高程 z1= 50.0m，槽身為預制混凝土，n = 0.013，設計流

7、量 Q =10.0m/s，槽中水深h =1.8m。 （1）求渡槽出口底部高程z ？ （2）當渡槽通過設計流量時，槽內均勻流水深隨底坡的 變化規(guī)律。,渡槽底坡i:,出口槽底高程：,2. 明渠均勻流的水力計算,h i 的關系曲線 （流量一定）：,1）i 0 ，h ，平坡不可能出現(xiàn)均勻流 。,2）i 越大，底坡越陡，重力分力越大，流速愈大。,3）正常水深h與底坡i 的關系是：i 增大，h0減小。,2. 明渠均勻流的水力計算,設計渠道斷面尺寸（ b，h）,1）底寬b已定，求相應的水深h 。,2）水深h 已定，求相應的底寬 b 。,例題：一梯形斷面，m = 1.0，漿砌石砌護n =0.025，i =1/

8、800， b = 6.0m，設計流量70m/s，確定堤頂高度（超高0.5m）,渠堤高度：h+超高 = 3.3+0.5 = 3.8m,2. 明渠均勻流的水力計算,設計渠道斷面尺寸（ b，h）,3）已知渠道的設計流量Q、底坡i、邊坡系數(shù)m和粗糙系數(shù)n 求底寬b、h。,補充水力最優(yōu)條件：,補充允許流速條件：,水力最佳斷面及允許流速,1. 水力最佳斷面,水力最優(yōu)斷面：指當渠道底坡、糙率及面積大小一定時，通過最大 流量時的斷面形式。,2）水力最優(yōu)斷面的明渠均勻流，通過已知流量時面積最小。工 程量最小，過水能力最強。,當i、n、A = 給定 ： Q Qmax R Rmax 或 min,1）水力最優(yōu)斷面的明

9、渠均勻流，當i，n，A給定時，水力半徑R 最大，即濕周最小的斷面能通過最大的流量。,3）面積相同的圖形中周界最小的斷面為圓形。因此明渠水力最優(yōu) 斷面形狀是半圓形。但土渠難挖成半圓形且兩岸邊坡不穩(wěn)定。 從地質和施工條件考慮，工程中采用接近圓形的梯形斷面。,結論：梯形水力最佳斷面的寬深比：,1. 水力最佳斷面,梯形斷面的水力最優(yōu)斷面,水力最佳斷面的條件：,1. 水力最佳斷面,按水力最佳斷面設計的渠道斷面往往是窄深式的。盡管工程量最小，但需深挖高填，造成施工不便、維護困難，不能達到經(jīng)濟的目的，所以無襯護的大型土渠不宜采用梯形水力最佳斷面，應采用寬淺式的梯形斷面(實用經(jīng)濟斷面， A為水力最佳面面積Am

10、的1.011.04倍 ),2. 允許流速,設計渠道時，斷面的平均流速應結合渠道擔負的生產任務、渠道材料的類型、水中含沙量的多少及其他運用管理上的要求而選定。,不沖流速 v-渠道沖刷的臨界斷面平均流速 取決于渠壁材料和水深。,不淤流速v-渠道中懸沙淤積的臨界流速 取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小。,渠道中流速：,3. 例題,例題1： 已知：一梯形斷面中壤土渠道，渠中通過的流量Q=5m/s，邊坡系數(shù) m=1.0，粗糙系數(shù)n=0.020 ，底坡i=0.0002。 試求：1）按水力最優(yōu)條件設計斷面； 2）若寬深比b/h=2來設計斷面，渠中流速是否滿足不沖條件。,解：1）水力最優(yōu),b=1.980.83m=1.64m,3. 例題,中壤土渠道不沖流速為0.640.84m/s ，所以渠道滿足不沖條件。,2）渠中流速是否滿足不沖條件,4. 思考題,1）哪個斷面的過水能力大？,2）判斷：兩條棱柱形渠道的斷面形狀和尺寸、流量均相同，在糙 率n相同，底坡i1i2條件下，肯定有兩渠道的正常水深h01h02。,3）水力最優(yōu)斷面有何特點？它是否一定是渠道設計中的最佳斷面？ 為什么？,水力最優(yōu)斷面的水力半徑是水深的一半 ,是一種窄深式斷面，施工開挖、維修管理都不經(jīng)濟