《水力學(xué)》第五章明渠恒定均勻流課件

第五章明渠恒定均勻流是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流水面上各點(diǎn)壓強(qiáng)都等于大氣壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)為零，所以又稱為無壓流。明渠水流分類：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠非均勻流1在明渠均勻流中:25.1明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的斷面形狀、尺寸、底坡等對(duì)水流的影響。一、明渠的橫斷面人工明渠的橫斷面，通常作成對(duì)稱的幾何形狀。例如常見的梯形、矩形或圓形等。至于河道的橫斷面，則常呈不規(guī)則的形狀。3第五章明渠恒定均勻流工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其過水?dāng)嗝娴闹T水利要素關(guān)系如下：

水面寬度：B=b+2mh

過水?dāng)嗝婷娣e：

濕周：水力半徑： 5二、明渠的底坡底坡：明渠渠底傾斜的程度稱為底坡。以符號(hào)i表示，i等于渠底線與水平線夾角口的正弦即i＝Sinθ。

6二、明渠的底坡明渠有三種底坡：順坡、平坡和逆坡順坡：

i>0，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。平坡：

i=0，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。

逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高者稱為反坡或逆坡。75.2明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件一、明渠均勻流的特性：1、均勻流過水?dāng)嗝娴男螤睢⒊叽缪亓鞒滩蛔?，特別是水深h沿程不變，這個(gè)水深也稱為正常水深。2、過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植己蛿嗝嫫骄魉傺亓鞒滩蛔儭?、水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。故總水頭線坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Js=i。9二、明渠均勻流產(chǎn)生的條件：

1、明渠中的水流必須是恒定流；

2、流量沿程不變。即，無水流的匯入、匯出；

3、

底坡和糙率沿程不變的長(zhǎng)而直的棱柱形順坡渠道；4、渠道中沒有建筑物的局部干擾（如，閘、壩等建筑物）。

10實(shí)際工程中的渠道并不是都能嚴(yán)格滿足上述要求的，特別是許多渠道中總有這種或那種建筑物存在，因此，大多數(shù)明渠中的水流都是非均勻流。但是，在順直棱柱體渠道中的恒定流，當(dāng)流量沿程不變時(shí)，只要渠道有足夠的長(zhǎng)度，在離開渠道進(jìn)口、出口或建筑物一定距離的渠段，水流仍近似于均勻流。

115.3明渠均勻流的計(jì)算公式

明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式討論: 謝才系數(shù)是反應(yīng)斷面形狀尺寸和壁面粗糙程度的一個(gè)綜合系數(shù)。根據(jù)R對(duì)C的影響遠(yuǎn)比n對(duì)C的影響小得多,因此，根據(jù)實(shí)際情況正確地選定粗糙系數(shù)，對(duì)明渠的計(jì)算將有重要的意義

135.3明渠均勻流的計(jì)算公式明渠表面材料愈光滑，粗糙系數(shù)愈小，相應(yīng)的水流阻力也小，在其它條件不變的情況下，通過的流量就愈大。在應(yīng)用曼寧公式時(shí)，最困難之處在于確定粗糙系數(shù)的數(shù)值，因?yàn)橹两駴]有一個(gè)選擇精確值的方法，而實(shí)用計(jì)算中，確定粗糙系數(shù)就意味著對(duì)渠道中的水流阻力做出估計(jì)，這一工作主要依靠經(jīng)驗(yàn)。

145.3明渠均勻流的計(jì)算公式如果則設(shè)計(jì)的渠道斷面尺寸必然偏小，影響渠道的過流能力，可能造成水流漫溢，另一方面，渠道中的實(shí)際流速將小于設(shè)計(jì)流速，可能引起渠道淤積。如蘇北的淮沭河在規(guī)劃時(shí)選用的n值為0.02，竣工后實(shí)測(cè)的n值為0.0225，兩者之差為0.0025，結(jié)果比原設(shè)計(jì)的河道過水能力減小11%，為了保證能通過設(shè)計(jì)流量，又重新加高堤岸。

15第五章明渠恒定均勻流5.4水力最佳斷面及允許流速一、水力最佳斷面在底坡及粗糙系數(shù)已定的前提下，渠道的過水能力則決定于渠道的橫斷面形狀及尺寸，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)上來說，總是希望所選定的橫斷面形狀在通過已知的設(shè)計(jì)流量時(shí)面積最小，或者是過水面積一定時(shí)通過的流量最大。符合這種條件的斷面，其工程量最小，稱為水力最佳斷面。

17第五章明渠恒定均勻流5.4水力最佳斷面及允許流速把曼寧公式代入明渠均勻流的基本公式可得：

18討論：

1）具有水力最佳斷面的明渠均勻流，當(dāng)i，n，A給定時(shí)，水力半徑R

最大，即濕周

最小的斷面能通過最大的流量。

2）i，n，A給定時(shí)，濕周

最小的斷面是圓形斷面，因?yàn)榘雸A形的過水?dāng)嗝鏀嗝媾c圓形斷面的水力半徑相同，所以，在明渠的各種斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的。

193、梯形過水?dāng)嗝媲赖乃ψ罴褦嗝?/p>

以上二式，消去db/dh，得：梯形水力最佳斷面的寬深比值因?yàn)楣侍菪嗡ψ罴褦嗝娴乃Π霃降扔谒畹囊话?。矩形斷面可以看成為m＝o的梯形斷面，得：21結(jié)論：

1）梯形水力最佳斷面的寬深比僅是邊坡系數(shù)m的函數(shù)。

2）在任何邊坡系數(shù)的情況下，水力最佳梯形斷面的水力半徑R為水深h的一半。

22結(jié)論：

3）矩形或梯形水力最佳斷面實(shí)際上是半圓的外切多邊形斷面。

235.4水力最佳斷面及允許流速二、允許流速允許流速是為了保持渠道安全穩(wěn)定運(yùn)行在流速上的限制，包括不沖流速、不淤流速和其它運(yùn)行管理要求的流速限制。在實(shí)際明渠均勻流計(jì)算中必須結(jié)合工程要求進(jìn)行校核。

251、不沖流速渠道中的流速應(yīng)小于不沖允許流速，以保證渠道免遭沖刷。不沖允許流速與渠道建筑材料的物理特性(如上渠中土壤的種類、級(jí)配情況、密實(shí)程度等)和渠道水深有關(guān)。26例5-1某梯形土渠設(shè)計(jì)流量Q為2m3／s，渠道為重壤土，粗糙系數(shù)n為0.025，邊坡系數(shù)m為1.25，底坡i為0.0002。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0.4m／s)。解：當(dāng)為水力最佳斷面時(shí)聯(lián)立以上三式，得3/829渠中斷面平均流速為所設(shè)計(jì)斷面滿足不沖刷不淤積的條件。30第五章明渠恒定均勻流5.5明渠均勻流的水力計(jì)算水利工程中，梯形斷面的渠道應(yīng)用最廣，現(xiàn)以梯形渠道為例，來說明經(jīng)常遇到的幾種問題的計(jì)算方法。由式(5.6)可以看出，對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著下列函數(shù)關(guān)系上式中包括Q、b、h、i、m、n六個(gè)變量。一般情況下，邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)n是根據(jù)渠道護(hù)面材料的種類，用經(jīng)驗(yàn)方法來確定。這樣在剩余Q、b、h、i四個(gè)變量中，選定三個(gè)，然后，應(yīng)用基本公式求另一個(gè)變量。31第五章明渠恒定均勻流5.5明渠均勻流的水力計(jì)算1.驗(yàn)算渠道的輸水能力

已知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系數(shù)n，求通過的流量(或流速)。這一類型的問題大多屬于對(duì)已成渠道進(jìn)行校核性的水力計(jì)算。直接用公式:

32例5-2某電站引水渠，在粘土中開鑿，未加護(hù)面，渠線略有彎曲，在使用過程中．岸坡已滋生雜草。今測(cè)得下列數(shù)據(jù)：斷面為梯形，邊坡系數(shù)m為1.5，底寬b為34m，底坡i為1/6500，渠底至堤項(xiàng)高差為3.2m。(1)電站引用流量Q為67m3／s。今因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給工業(yè)用水，試計(jì)算渠道在保證超高為0.5m的條件下，除電站引用流量外，尚能供給工業(yè)用水若干？并校核此時(shí)渠中是否發(fā)生沖刷。

33(2)與電站最小水頭所相應(yīng)的渠中水深h為1.5m，試計(jì)算此時(shí)渠中通過的流量為多少？在此條件下渠道是否發(fā)生淤積(已知不淤流速為0.5m／s)。(3)為便于運(yùn)行管理，要求繪制該渠道的水深—流量關(guān)系曲線，(在第(1)項(xiàng)和第(2)項(xiàng)要求的流量間繪制)。

34解：(1)35解：(2)36解：(3)372.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q，底坡i，底寬b，邊坡系數(shù)m和粗糙系數(shù)n，求水深h。例5-3其電站引水渠，通過沙壤土地段，決定采用梯形斷面，并用漿砌塊石襯砌，以減少滲漏損失和加強(qiáng)渠道耐沖能力，取邊坡系數(shù)m為l，根據(jù)天然地形，為使挖、填方量最少，選用底坡i為1/800，底寬b為6m，設(shè)計(jì)流量Q為70m3/s。試計(jì)算渠堤高度(要求超高0.5m)。3839405/3418/342434445463.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q，底坡i，水深h，邊坡系數(shù)m和粗糙系數(shù)n，求底寬b。這一類問題的計(jì)算方法，與前一類求h的方法類似，也是采用試算—圖解法或查圖法。例5.4某灌溉渠道上有一渡槽，擬采用混凝土(用刮泥刀做平)預(yù)制構(gòu)件拼接成矩形斷面，根據(jù)渡槽兩端渠道尺寸及渠底高，初步擬定渡槽的底坡i為1/1000，水深h為3.5m，設(shè)計(jì)流量Q為31m3／s。試計(jì)算渠道底寬b。47渡槽又稱高架渠,是一組由橋梁,隧道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)。用來把遠(yuǎn)處的水引到水量不足的城鎮(zhèn)、農(nóng)村以供飲用和灌溉。世界上最早的渡槽誕生于中東和西亞地區(qū)。公元前700余年,亞美尼亞已有渡槽。48解：由表5.3，對(duì)于刮泥刀做平的混凝土預(yù)制構(gòu)件，n＝0.013。4950514.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q，，水深h，底寬b，粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)m，求底坡i。這一類問題，相當(dāng)于根據(jù)其它技術(shù)要求，擬定了斷面形式、尺寸及護(hù)面情況?？芍苯佑?jì)算。例5.5某灌溉渠道上，擬建渡槽一座，初步確定采用銅絲網(wǎng)水泥噴槳薄殼渡槽，表面用水泥砂漿抹面、斷面為U形，底部半圓直徑d為2.5m，上部接垂直側(cè)墻高0.8m(包括超高0.3m)。設(shè)計(jì)流量Q為5.5m3／s，試計(jì)算渡槽底坡。52解：由表5.3，水泥灰槳抹面，n＝0.013。535.已知流量Q，流速v，底坡i，粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)m，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。例5.6一梯形渠道，已知：Q為19.6m3／s，v為1.45m／s，邊坡系數(shù)m為1，粗糙系數(shù)n為0.02，底坡i為0.0007，求所需的水深及底寬。解：聯(lián)立(5.2)及(5.3)式求水深h得:54v55第五章明渠恒定均勻流5.6粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠的水力計(jì)算一、斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流的水力計(jì)算當(dāng)明渠的渠底和渠壁采用不同材料時(shí)，粗糙系數(shù)會(huì)沿濕周發(fā)生變化，這種渠道稱為非均質(zhì)渠道。非均質(zhì)渠道的水力計(jì)算通常按均質(zhì)渠道的方法處理，求得等效的粗糙系數(shù) 56第五章明渠恒定均勻流圬工結(jié)構(gòu)：是材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的結(jié)構(gòu),比如大體積的混凝土,內(nèi)部混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)沒得到充分發(fā)揮.57第五章明渠