明渠恒定流的流動類型及其判別

第七章明渠恒定流

§7-1明渠均勻流§7-2明渠恒定流的流動類型及其判別§7-3水跌與水躍§7-1明渠均勻流明渠流：水面與大氣接觸的渠槽中的水流運動稱為明渠水流。特點：具有自由表面。自由表面上受大氣壓作用，相對壓強為零，又稱為無壓流。水在渠道、無壓管道以及江河中的流動都是明渠流動。7.1.1基本概念均勻流與非均勻流過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸以及過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植佳爻滩蛔兦伊骶€為平行直線的流動稱為明渠均勻流動，否則為非均勻流動。在明渠非均勻流中，根據(jù)水流過水?dāng)嗝娴拿娣e和流速沿程變化的程度，分為漸變流動和急變流動。底坡渠底與水平面夾角的正弦，或者沿渠底單位距離上渠底高程的降低或升高值稱為底坡，記為i。明渠的分類（1）順底坡、平底坡與反底坡

順底坡：渠底沿程降低的底坡，i＞0；平底坡：渠底水平的底坡，i＝0;反底坡：渠底沿程上升的底坡，i<0.規(guī)則斷面有矩形、梯形、U形和圓形斷面等，其斷面形狀及幾何要素見表7.1.1。非規(guī)則斷面如天然河道的斷面。

（2）規(guī)則斷面和非規(guī)則斷面

（3）棱柱形渠道與非棱柱形渠道

斷面形狀、尺寸和底坡沿程不變的渠道稱為棱柱形渠道，上述三者之一沿程變化的渠道稱為非棱柱形渠道。明渠均勻流的特點1.總能線、測壓管水頭線及底坡線三者平行；2.作用在水流上的重力在流動方向上的分量與明槽壁面上的摩擦力相等；3．渠底高程的降低值等于沿程水頭損失。均勻流運動的能源來自渠底高程的降低,平底坡和反底坡渠道中不能產(chǎn)生均勻流。明渠均勻流產(chǎn)生的條件1.沿程流量不變的恒定流；2.棱柱形、正底坡、渠中無建筑物的長渠道中；3.沿程粗糙系數(shù)n不變。明渠均勻流的基本公式謝才公式

曼寧公式

水力最佳斷面指在流量、底坡、粗糙系數(shù)已知時，要求設(shè)計的過水?dāng)嗝婢哂凶钚〉拿娣e；或者說，在過水?dāng)嗝婷娣e、底坡和粗糙系數(shù)等已知時，能使渠道通過的流量為最大，這種斷面就是水力最佳斷面。當(dāng)渠床的粗糙系數(shù)n、底坡i及過水?dāng)嗝娣eA一定時，濕周χ愈小流量Q愈大。梯形斷面的水力最佳斷面水力最佳斷面的條件：過水?dāng)嗝婷娣eA為常數(shù)和濕周χ最小。梯形斷面水力最佳斷面的寬深比取邊坡系數(shù)m＝0，得最佳矩形斷面的寬深比一般只適用于流量或水深較小的渠道。實際設(shè)計除了考慮水力最佳條件以外，還要綜合考慮經(jīng)濟等其它方面的多種因素。均勻流的解法1.直接解法（1）當(dāng)其他量已知，求流量或底坡或粗糙系數(shù)時，可直接由均勻流渠道中的流量表達式求解。（2）寬矩形斷面渠道求正常水深h0。（3）當(dāng)已知渠道的寬深比時，求渠中的正常水深。對梯形斷面渠道：2.試算法或圖解法（1）當(dāng)已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b）時，由于此時需要求解關(guān)于h0和b的非線性方程，不能直接求解，只能采用試算法，或者應(yīng)用附圖Ⅰ的圖解曲線求解。（2）當(dāng)已知寬深比β=b/h0或者最佳寬深比βm，可以用附圖Ⅰ圖解曲線求解。3.聯(lián)解（1）當(dāng)限制渠中流速v和水深h0（或b）求底坡i和底寬b（或h0）時；（2）當(dāng)限制渠中流速v和底坡i求水深h0和底寬b時。7.1.3渠道設(shè)計中的若干問題1.渠道設(shè)計中的典型問題

（1）已知底坡、過水?dāng)嗝鎱?shù)（包括形狀、尺寸）及渠底材料等，求該渠道可能通過的流量大?。唬?）已知底坡、渠床材料及要求通過的流量，求應(yīng)有的過水?dāng)嗝鎱?shù)；（3）已知要求通過的流量、過水?dāng)嗝鎱?shù)及渠底材料，要求確定底坡。2.邊甚坡系數(shù)以與底坡遇的確定渠道的憑邊坡系掀數(shù)由渠棕床土壤輸?shù)男再|(zhì)弦確定。水力學(xué)咐角度認(rèn)熄為底坡土應(yīng)該盡知量小，悄這樣沿挽程水頭球損失小罩。施工角盆度要求五底坡盡暈量與地仗形坡度鞏一致，暑這樣易片于使挖辱方與填害方平衡課，降低我施工造逼價。一般而棟言山區(qū)寺渠道和揉排水渠惱道的底概坡陡些寧，而平回原渠道輕和灌溉齒渠道的勝底坡緩蠟些。一丙般土渠餃的底坡活變化范欺圍大約疼為i＝靈0.0唯001?！?.織001稿。3.不遇沖不淤逐流速—頓允許流事速渠道中的販設(shè)計流速意為v，不晚淤允許流醒速為v`流`，不沖懶允許流速舟v`為，耽則要求設(shè)術(shù)計流速應(yīng)胸該滿足不淤允占許流速查表7并.1.臣4由表中善查得的合流速需蹦乘以系團數(shù)k不沖允溉許流速買v`4.綜衛(wèi)合粗糙污系數(shù)渠道斷面券由三種護壇面組成：印混凝土，鹿光滑巖面搜和粗糙巖逢面。設(shè)它臟們的粗糙襯系數(shù)和濕敗周分別為反n1，χ1；n2，χ2；n3，χ3，則整個喉斷面的綜身合粗糙系醬數(shù)按下面濾計算5.復(fù)比式斷面由折線邊毀坡組成的靈過水?dāng)嗝嫔Q為復(fù)式磨斷面，由捏主河槽與德灘地組成悟。特點：主門河槽的水灑力半徑大陽、粗糙系尖數(shù)小，而狂灘地的水?dāng)偭Π霃叫茫植谙禋q數(shù)大。7.1.浙4圓形加斷面內(nèi)的妙無壓均勻午流圓管中賤的流動胳具有自茫由表面枕，表面厲壓強為群大氣壓教強時，弟當(dāng)管路應(yīng)為坡度辜沿程不長變的直醉線管路級時，管乘路內(nèi)的祝流動就分是無壓抄均勻流展。過水?dāng)嗳久婷娣e濕周水力半朋徑水面寬毛度管中最大前流量和最第大流速并言不發(fā)生在云滿管時。例7.國1.1鉗有鉗一漿砌功石護面悅的梯形籃斷面渠甘道,邊郊坡系數(shù)束m=1襯.5,成粗糙系棗數(shù)n=柔0.0塘25,純底坡i胳=0.肥000淘4,底個寬b=辨5m,娛渠中通僵過的流手量Q=有8m3/s,那該渠道箭的不沖耳允許流擱速v`隨=3m拼/s,遲試求:（1）跌渠道中旗的正常獎水深h0;（2）該葵渠道是否衫滿足不沖參不淤條件意。（1）正蜘常水深h0的計算a.試加算法b.圖設(shè)解法利用附圖類I進行圖劣解。然后由橫本坐標(biāo)軸7溜.35處匪向上作垂牌線交m=凱1.5直亂線上于一摔點,再由罷此點向左陽引水平線知與坐標(biāo)軸醉的交點即腰為所求。(2)椒不沖不彼淤檢查該渠道錢滿足不敞沖不淤氧條件。例7.伍1.2閣欲修劉一混凝絲式土護面牙的梯形可斷面渠門道,已霞知底坡偷i=0雜.00安1,邊棵坡系數(shù)游m=1嚷.5,炕粗糙系敢數(shù)n=酷0.0盯17,沙要求渠端道中通蚊過的流煙量Q=夠5m3/s,裁試按水抬力最佳攝斷面設(shè)比計此渠煉道的斷瞞面尺寸冒。(1)正雞常求解(2)用舒附圖I求解例7.救1.3倆有一則圓形混灶凝土污網(wǎng)水管，很已知底績坡i＝盼0.0溝05，適粗糙系迅數(shù)n=裂0.0消14，嗽充滿度裙α=0皺.75掩時流量傻Q=0坊.25寶m3/s，試缸求：該管讓的管徑d眾?！?-涂2明秋渠恒定巡壽流的流襪動類型解及其判泰別明渠均勻四流產(chǎn)生的駐條件1.沿程纖流量不變遭的恒定流巖；2.棱柱允形、正底枕坡、渠中禁無建筑物預(yù)的長渠道求中；3.沿在程粗糙謊系數(shù)n僑不變。非均勻碰流產(chǎn)生員的原因（1）渠弱道的斷面踢形狀、尺薯寸、粗糙蹲系數(shù)及底撫坡i沿程刻有變化；（2）渠窗道較短或劉者渠中有憂水工建筑搞物存在。明渠非吐均勻流表的特點（1）水括深h和斷座面平均流負速v沿程釋變化；（2）晃流線間刊互相不招平行；（3）水繩力坡度線刻、測壓管猜水頭線和洋底坡線彼伐此間不平好行。研究非均他勻流的主植要任務(wù)（1）蘭定性分醫(yī)析水面毒曲線；（2）首定量計貸算水面仰曲線。明渠恒定丑流的三種早流動類型緩流急流臨界流緩流的特澤點：緩流盲中水深李較大，章流速較螺小，干循擾波既夏能向上屯游傳播酬也能向圾下游傳艱播。急流的特倉點：急流中虧水深較淺斥，流速較摸大，急流聲渠道中干首擾波只能蓋向下游傳含播。波速c砌的計算中公式假設(shè)一示平底坡宋棱柱形慮渠道，印渠內(nèi)靜脹水深為愛h，水離面寬為夏B，過態(tài)流斷面太面積為疏A，如叉用直立駕薄板向肅左撥動虎一下，舒使水面拳產(chǎn)生一乒個波高嶄為△h斷的微波箏，以速瘦度c傳多播。流動類型朽的判別波速法弗勞德（腳W.Fr予oude括）數(shù)法斷面比能筒法水深法底坡法1.波速法波速法是巨通過渠中淋的斷面平酷均速度v善與干擾波宴在靜水中日的傳播速壩度c對比倚來確定流踢動類型。一般斷姜面渠道棍靜水中寧波速c洽為2.弗勞街德（W.彩Frou廚de）數(shù)巧法通過渠盾中的斷校面平均兇速度v大與干擾汪波在靜逼水中的請傳播速揀度c之薪比來確吊定流動邊類型。弗勞德朱數(shù)流動類型攻的判別3.斷懂面比能法單位重量惱水體相對望于過水?dāng)鄽W面最低點壘處的水平夜面的總能緒量定義為響斷面比能籠，也稱為無斷面單位黑能量，記硬為Es。斷面比能斷面比能警函數(shù)的特大點當(dāng)流量前、斷面瓣形狀及膊尺寸一鋸定時，情斷面比受能Es只是水深孕h的函數(shù)當(dāng)h→0師時A→0弦，于是Es→∞，即斷面督比能函數(shù)役曲線與水愚平軸漸近餡相切；當(dāng)h→∞雄時A→∞退，于是Es→h，即維斷面比能浪曲線與過桿坐標(biāo)原點聾的45°鋼線漸近相休切。斷面比蔬能函數(shù)椒曲線臨界水沒深4.水滔深法臨界水浩深時對愉應(yīng)的斷琴面比能振最小臨界方程臨界方程唱的求解（1）對畜于一般斷寶面形狀的抗渠道可以梅通過試算廉法求得臨疼界水深。（2）踩矩形、佳梯形及始圓形斷惱面明渠叫中的臨熟界水深愉可以用態(tài)附圖Ⅱ隊的圖解每曲線求渴解。（3）沈?qū)τ诰刈C形斷面5.底扮坡法在流量、冷斷面形狀何及尺寸一荒定的棱柱檢形渠道中偷，均勻流職水深恰巧沙等于臨界甘水深時的酬渠底坡度街定義為臨李界坡度，豎記為icr。將正常規(guī)水深h0滿足的童均勻流呢方程和肯hcr滿足的臨掃界方程聯(lián)梁立求解就泡可以得到駱臨界坡度噸。臨界坡度（1）擋當(dāng)渠道熔實際的湖坡度小輔于某一狹流量下?lián)竦呐R界嫌坡度，拒即i<齊icr，從而h0>hcr時，稱古此渠道僅坡度為快緩坡；（2）鉗當(dāng)i=澆icr，從而失h0=hcr時，此渠第道的坡度飼稱為臨界軍坡度；（3）當(dāng)茅i>icr，從而錫h0<hcr時，此渠派道的坡度愧稱為陡坡涌。注意：渠道底嬸坡的緩陡管之稱并不米是固定不透變的。當(dāng)流量變治化時相應(yīng)掉的臨界水被深要變化批，因而臨均界坡度也攏有變化，駁該渠道底襲坡的緩陡疾之稱也將拖隨之變化校。例7.諷2.1扶有用一漿砌僚塊石護架面的梯礎(chǔ)形斷面鎮(zhèn)渠道，窗邊坡系誼數(shù)m=毒1.5議，粗糙蚊系數(shù)n柴=0.這025澤，底坡誓i=殼0.0后004此，底寬昨b=5扛m，當(dāng)軟渠中通曲過流量啊Q=墳8m3/s時栗渠道中圣的正常肥水深h0=1.捏40m倆，試用賀所學(xué)的辭方法判村別該渠