明渠均勻流的特征及其形成條件

1、第九章第九章 明渠流動(dòng)明渠流動(dòng) 重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容授課內(nèi)容授課內(nèi)容思考題思考題作業(yè)作業(yè)重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容1. 明渠均勻流水力計(jì)算明渠均勻流水力計(jì)算2. 明渠水流三種流態(tài)的判別明渠水流三種流態(tài)的判別3. 明渠恒定非均勻漸變流水面曲線(xiàn)明渠恒定非均勻漸變流水面曲線(xiàn)分析分析4. 水躍的特性和共軛水深計(jì)算水躍的特性和共軛水深計(jì)算 思考題思考題1、簡(jiǎn)述明渠均勻流的特性和形成條件，、簡(jiǎn)述明渠均勻流的特性和形成條件，從能量觀點(diǎn)分析明渠均勻流為什么從能量觀點(diǎn)分析明渠均勻流為什么只能發(fā)生在正坡長(zhǎng)渠道中？只能發(fā)生在正坡長(zhǎng)渠道中？2、什么是正常水深？它的大小與哪些、什么是正常水深？它的大小與哪些因素有關(guān)？當(dāng)其它條件相同時(shí)

2、，糙因素有關(guān)？當(dāng)其它條件相同時(shí)，糙率率n、底寬、底寬b或底坡或底坡i分別發(fā)生變化時(shí)，分別發(fā)生變化時(shí)，試分析正常水深將如何變化？試分析正常水深將如何變化？思考題思考題3、什么是水力最佳斷面？矩形、什么是水力最佳斷面？矩形斷面渠道水力最佳斷面的底斷面渠道水力最佳斷面的底寬寬b和水深和水深h是什么關(guān)系？是什么關(guān)系？4、 什么是允許流速？為什么在什么是允許流速？為什么在明渠均勻流水力計(jì)算中要進(jìn)明渠均勻流水力計(jì)算中要進(jìn)行允許流速的校核？行允許流速的校核？ 作業(yè)作業(yè) P244-8.12、8.13 P245-8.18 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述在河、渠等水道中流動(dòng)，具有自由表面的水流。在河、渠等水道中流動(dòng)，具有

3、自由表面的水流。明渠的分類(lèi)明渠的分類(lèi)棱柱形渠道棱柱形渠道非棱柱形渠道非棱柱形渠道sin21lzzi鉛垂斷面為過(guò)水?dāng)嗝?，鉛垂斷面為過(guò)水?dāng)嗝?，鉛垂深度鉛垂深度h h為過(guò)水?dāng)嗝娴乃睢檫^(guò)水?dāng)嗝娴乃?。tan21xlzzi明渠的底坡明渠的底坡明渠渠底與縱剖面的交線(xiàn)稱(chēng)為渠底明渠渠底與縱剖面的交線(xiàn)稱(chēng)為渠底線(xiàn)，渠底線(xiàn)的坡度稱(chēng)為線(xiàn)，渠底線(xiàn)的坡度稱(chēng)為底坡（底坡（i）。底坡類(lèi)型底坡類(lèi)型第二節(jié)第二節(jié) 明渠均勻流的特征及其明渠均勻流的特征及其形成條件形成條件明渠過(guò)流斷面的幾何要素明渠過(guò)流斷面的幾何要素梯形明渠邊坡系數(shù)梯形明渠邊坡系數(shù)水力最優(yōu)斷面水力最優(yōu)斷面當(dāng)當(dāng)i、n和和 A 一定，使流量一定，使流量 Q 最大的斷面

4、形狀，定義為水力最優(yōu)最大的斷面形狀，定義為水力最優(yōu)斷面。斷面。當(dāng)當(dāng)i、n和和 Q一定，使一定，使A最小的最小的斷面形狀，定義為水力最優(yōu)斷面。斷面形狀，定義為水力最優(yōu)斷面。水力最優(yōu)斷面水力最優(yōu)斷面例題：例題：在密實(shí)砂壤土層中開(kāi)挖灌溉渠在密實(shí)砂壤土層中開(kāi)挖灌溉渠道，斷面為梯形。邊坡系數(shù)道，斷面為梯形。邊坡系數(shù)m= 1.5 ，粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n=0.025 ，根據(jù)地面地形，根據(jù)地面地形，底坡采用，底坡采用， i= 0 .0003 ，設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)流量 Q = 9 .68 m3 / s ，選定底寬，選定底寬 b =7m,試確定斷面的開(kāi)挖深度。試確定斷面的開(kāi)挖深度。斷面開(kāi)挖深度斷面開(kāi)挖深度無(wú)壓圓管均勻流

5、無(wú)壓圓管均勻流圓管過(guò)水?dāng)嗝娴膸缀我貓A管過(guò)水?dāng)嗝娴膸缀我責(zé)o壓圓管均勻流的流量和流速隨無(wú)壓圓管均勻流的流量和流速隨水深的變化水深的變化第四節(jié)第四節(jié) 明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)斷面單位能量和斷面單位能量和 臨界水深臨界水深6.1.1 6.1.1 明渠的底坡明渠的底坡6.1 概述概述明渠流動(dòng)：明渠流動(dòng)：是指在河、渠等水道中流動(dòng)，具有自由表面的水流。是指在河、渠等水道中流動(dòng)，具有自由表面的水流。自由表面相對(duì)壓強(qiáng)為零，又稱(chēng)為無(wú)壓流。自由表面相對(duì)壓強(qiáng)為零，又稱(chēng)為無(wú)壓流。明渠流動(dòng)：明渠流動(dòng)：（1 1）恒定流與非恒定流；（）恒定流與非恒定流；（2 2）均勻流與非均勻流）均勻流與非均勻流明渠渠底與縱剖面的交明渠

6、渠底與縱剖面的交線(xiàn)稱(chēng)為底線(xiàn)，底線(xiàn)的坡線(xiàn)稱(chēng)為底線(xiàn)，底線(xiàn)的坡度稱(chēng)為度稱(chēng)為底坡（底坡（i）。sin21lzzi鉛垂斷面為過(guò)水?dāng)嗝?，鉛垂斷面為過(guò)水?dāng)嗝妫U垂深度鉛垂深度h h為過(guò)水?dāng)嗝娴乃?。為過(guò)水?dāng)嗝娴乃?。tan21xlzzi底坡類(lèi)型：底坡類(lèi)型：明渠斷面的形狀可以有多種形式。以梯形最具有代表性。明渠斷面的形狀可以有多種形式。以梯形最具有代表性。其幾何要素可分為基本量和導(dǎo)出量。其幾何要素可分為基本量和導(dǎo)出量。基本量：底寬基本量：底寬b b、水深、水深h h、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)m m表示邊坡傾斜程度，其值大小取決于渠壁巖土的穩(wěn)定性。表示邊坡傾斜程度，其值大小取決于渠壁巖土的穩(wěn)定性

7、。cotham導(dǎo)出量：水面寬導(dǎo)出量：水面寬B B、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA A、濕周、水力半徑、濕周、水力半徑6.1.2 6.1.2 棱柱形渠道與非棱柱形渠道棱柱形渠道與非棱柱形渠道 斷面形狀及尺寸沿程不變的長(zhǎng)直渠道，稱(chēng)為斷面形狀及尺寸沿程不變的長(zhǎng)直渠道，稱(chēng)為棱柱形渠棱柱形渠道道，否則為，否則為非棱柱形渠道非棱柱形渠道。棱柱形渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e棱柱形渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA A僅隨水深僅隨水深h h而變化。而變化。6.2.1 6.2.1 明渠均勻流的水力特征明渠均勻流的水力特征（1 1）明渠均勻流斷面平均流速、水深沿程不變；）明渠均勻流斷面平均流速、水深沿程不變；（2 2）明渠均勻流總水頭線(xiàn)、測(cè)壓

8、管水頭線(xiàn)（水）明渠均勻流總水頭線(xiàn)、測(cè)壓管水頭線(xiàn)（水面線(xiàn)）與渠道底線(xiàn)互相平行；面線(xiàn)）與渠道底線(xiàn)互相平行；6.2 6.2 明渠均勻流明渠均勻流iJJp6.2.2 6.2.2 明渠均勻流的形成條件明渠均勻流的形成條件（1 1）明渠流量沿程不變；）明渠流量沿程不變；（2 2）順坡（）順坡（i i00）、且底坡沿程不變的棱柱形渠道；）、且底坡沿程不變的棱柱形渠道；（3 3）壁面粗糙系數(shù)）壁面粗糙系數(shù)n n沿程不變沿程不變; ;（4 4）渠道上沒(méi)有影響水流的建筑物或障礙物。）渠道上沒(méi)有影響水流的建筑物或障礙物。iJJp6.2.3 6.2.3 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算（1 1）基本公式）基本

9、公式：謝才公式：謝才公式 K K的單位同流量，稱(chēng)為流量模數(shù)的單位同流量，稱(chēng)為流量模數(shù) 明渠水流一般屬于紊流阻力平方區(qū)，采用曼寧公式或巴普洛明渠水流一般屬于紊流阻力平方區(qū)，采用曼寧公式或巴普洛夫公式計(jì)算謝才系數(shù)。夫公式計(jì)算謝才系數(shù)。（2 2）正常水深）正常水深h h0 0：明渠均勻流的水深為正常水深：明渠均勻流的水深為正常水深（3 3）粗糙系數(shù)）粗糙系數(shù)n n的選定的選定（4 4）明渠均勻流水力計(jì)算問(wèn)題）明渠均勻流水力計(jì)算問(wèn)題 a a、驗(yàn)算渠道的輸水能力、驗(yàn)算渠道的輸水能力 b b、決定渠道坡度、決定渠道坡度 c c、決定渠道斷面尺寸、決定渠道斷面尺寸),(0inhbmfRiACQRJCv Ri

10、Cv iKRiACQ 當(dāng)當(dāng)i i、n n及及A A大小一定時(shí)，大小一定時(shí)，使渠道所通過(guò)的流量最大的那種斷面形狀稱(chēng)為水力最優(yōu)斷面。使渠道所通過(guò)的流量最大的那種斷面形狀稱(chēng)為水力最優(yōu)斷面。 當(dāng)當(dāng)i i、n n及及A A給定時(shí)，水力半徑給定時(shí)，水力半徑R R最大、最大、即濕周最小的斷面能通過(guò)最大的流量。即濕周最小的斷面能通過(guò)最大的流量。 ),(0inhbmfRiACQ32352132AniiRnAQ（6 6）渠道的允許流速）渠道的允許流速（7 7）斷面周界上粗糙度不同的渠道）斷面周界上粗糙度不同的渠道（8 8）復(fù)式斷面渠道）復(fù)式斷面渠道 （5 5）水力最優(yōu)斷面與實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面）水力最優(yōu)斷面與實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面

11、面積給定時(shí)，邊界最小的幾何圖形是圓形，面積給定時(shí)，邊界最小的幾何圖形是圓形，因此管路斷面形狀通常為圓形。因此管路斷面形狀通常為圓形。6.6 棱柱形渠道中漸變流水面曲線(xiàn)分析漸變流水面線(xiàn)分析的主要任務(wù)：漸變流水面線(xiàn)分析的主要任務(wù)： 根據(jù)渠道的水深條件、來(lái)流的流量和控制斷面條件來(lái)確根據(jù)渠道的水深條件、來(lái)流的流量和控制斷面條件來(lái)確定水面線(xiàn)的沿程變化趨勢(shì)和變化范圍，定性地繪制水面曲線(xiàn)。定水面線(xiàn)的沿程變化趨勢(shì)和變化范圍，定性地繪制水面曲線(xiàn)。6.6.1 6.6.1 棱柱形渠道漸變流基本微分方程棱柱形渠道漸變流基本微分方程取兩過(guò)水?dāng)嗝?，列能量方程：取兩過(guò)水?dāng)嗝?，列能量方程：wdhgdvvdhhdzzgvhz2

12、)()(2)(22FrJigABQJidsdh1132順坡渠道（順坡渠道（i0）平坡渠道（平坡渠道（i0）逆坡渠道（逆坡渠道（i0）2 2種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)8 8種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)2 2種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)緩坡渠道（緩坡渠道（iik）臨界坡渠道（臨界坡渠道（i=ik） 2 2種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)3 3種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)3 3種水面線(xiàn)種水面線(xiàn)kii 在在緩坡渠道上修建溢流壩，抬高水位使壩前水深超過(guò)相應(yīng)流緩坡渠道上修建溢流壩，抬高水位使壩前水深超過(guò)相應(yīng)流量的正常水深時(shí)，壩上游將出現(xiàn)量的正常水深時(shí)，壩上游將出現(xiàn)a1a1型壅水曲線(xiàn)。型壅水曲線(xiàn)。在緩坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深時(shí)，上游將在緩坡排水渠道末端河

13、水位低于渠尾的正常水深時(shí)，上游將出現(xiàn)出現(xiàn)b1b1型降水曲線(xiàn)。型降水曲線(xiàn)。在緩坡渠道上閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，在緩坡渠道上閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增加，即形形成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增加，即形成成c1c1型壅水曲線(xiàn)。型壅水曲線(xiàn)。kii 在在急坡渠道上修建溢流壩，壩上游將出現(xiàn)急坡渠道上修建溢流壩，壩上游將出現(xiàn)a2a2型壅水曲線(xiàn)。型壅水曲線(xiàn)。水流從緩坡渠道流入急流渠道時(shí)，緩坡渠道上將形成水流從緩坡渠道流入急流渠道時(shí)，緩坡渠道上將形成b1b1型降水曲型降水曲線(xiàn)，而急坡渠道上上將形成線(xiàn)，而急坡渠道上上將形成b2b2型降水曲線(xiàn)，而在變坡處通過(guò)臨界型降水曲線(xiàn)，而在變坡處通過(guò)臨界水深，形成跌水。水深，形成跌水。在急坡渠道上閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，形在急坡渠道上閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增加，即形成成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增加，即形成c2c2型型壅水曲線(xiàn)。壅水曲線(xiàn)。kii 在在 渠道上閘門(mén)上游將形成渠道上閘門(mén)上游將形成a3a3型壅水曲線(xiàn)。型壅水曲線(xiàn)。kii 在在 渠道上閘門(mén)下游將形成渠道上閘門(mén)下游將形成c3c3型壅水曲線(xiàn)。型壅水曲線(xiàn)。