第五章明渠恒定均勻流ppsjsp

明渠流與有壓流區(qū)別

自由液面明渠流：有自由面,隨時(shí)空變化,呈現(xiàn)各種水面形態(tài)管流：無(wú)自由液面

非恒定均勻流明渠流：非恒定流必定是非均勻流管流：非恒定管流可以是均勻流

一、河渠的縱斷面和底坡底坡是指沿水流方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的渠底高程降落值，以i表示。

5.1明渠的幾何特性

沿水流方向單位渠道長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的渠底高程降落值，其表示渠底縱向傾斜程度，以符號(hào)i表示。當(dāng)?shù)灼螺^?。é?lt;10°時(shí)），可用平距代替斜長(zhǎng)θ：渠底與水平面夾角ds：兩斷面的間距dz：兩斷面的渠底高程差

dzdsdL根據(jù)底坡的正負(fù)，可將明渠底坡分為如下三種類(lèi)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(fù)坡i<0渠底高程沿流程增加dzdsdL二、河渠的橫斷面與渠底中心線(xiàn)垂直的鉛垂平面與渠底及側(cè)壁的交線(xiàn)構(gòu)成明渠的橫斷面。天然河道的橫斷面多為不規(guī)則形狀人工渠道的橫斷面形狀比較規(guī)則，常見(jiàn)的有梯形、矩形、U型，圓形、馬蹄形等。對(duì)梯形斷面過(guò)水?dāng)嗝鏉裰芩鎸挾葘捝畋惹婪诸?lèi)

棱柱體渠道

非棱柱體渠道

渠道按橫斷面形狀尺寸是否沿程變化可分為三、棱柱體明渠和非棱柱體明渠

棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不變的長(zhǎng)直明渠。軸線(xiàn)順直斷面規(guī)則的人工渠道、涵洞、渡槽等均屬此類(lèi)。非棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不斷變化的明渠。常見(jiàn)的非棱柱體明渠是漸變段。

棱柱體渠道斷面形狀尺寸底坡渠道順直糙率例如，人工開(kāi)鑿的大部分渠道沿程不變非棱柱體（紐面）棱柱體

非棱柱體

112233棱柱體

一、明渠均勻流的產(chǎn)生條件①過(guò)水?dāng)嗝嫘螤詈统叽?、流速、流量、水深沿程不變。②流線(xiàn)是相互平行的直線(xiàn)，流動(dòng)過(guò)程中只有沿程水頭損失，而沒(méi)有局部水頭損失。③由于水深沿程不變，故水面線(xiàn)與渠底線(xiàn)相互平行。④斷面平均流速及流速水頭沿程不變，測(cè)壓管水頭線(xiàn)與總水頭線(xiàn)相互平行。⑤明渠均勻流的底坡線(xiàn)、水面線(xiàn)、總水頭線(xiàn)三者相互平行，即渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相等。產(chǎn)生條件可歸納為水流為恒定流，流量、粗糙系數(shù)沿程不變，沒(méi)有渠系建筑物干擾的長(zhǎng)直棱柱體正坡明渠5.2明渠均勻流的特點(diǎn)和產(chǎn)生條件

實(shí)際渠中總有各種建筑物。因此，多數(shù)明渠流是非均勻流。嚴(yán)格說(shuō)，不存在明渠均勻流，均勻流是對(duì)明渠流動(dòng)的一種概化。

5.3明渠均勻流的計(jì)算公式一、基本計(jì)算公式：①謝才公式基于明渠水流資料獲得的經(jīng)驗(yàn)公式②連續(xù)方程

1769年謝才（A.Chezy）

總結(jié)了一系列渠道水流實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗(yàn)公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的滿(mǎn)寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。對(duì)于明渠均勻流，A

為過(guò)水面積，則

式中，為流量模數(shù)

綜合反映斷面形狀、尺寸、水深、糙率對(duì)過(guò)水能力的影響。物理意義：水力坡度為1時(shí)的流量（當(dāng)i=1時(shí)，Q=K）。單位：（m3/s）

謝才系數(shù)C

反映斷面形狀、尺寸和邊壁粗糙程度的一個(gè)綜合系數(shù)。常用曼寧公式計(jì)算R：水力半徑，以米（m）計(jì)n：糙率因此，在i、n已定條件下，一、水力最佳斷面底坡i：

根據(jù)地形條件、技術(shù)條件考慮選定糙率n：取決于渠壁材料斷面形狀和尺寸斷面形狀和尺寸5.4水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面的一般條件均勻流計(jì)算公式

當(dāng)i、n、A=給定

→

minR→RmaxQ→Qmax

消去，則

式中，βm

為梯形最佳斷面的寬深比

二、允許流速保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值

渠道的允許流速是根據(jù)渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)(如通航、水電站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性質(zhì)，水流含沙量的多少及運(yùn)行管理上的要求而確定的技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的流速。1、不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質(zhì)和水深，可查閱有關(guān)水力設(shè)計(jì)手冊(cè)。

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，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。

由均勻流公式

式中，有6個(gè)變量（含Q）

一、計(jì)算方法

5.5明渠均勻的水力計(jì)算式中，共有六個(gè)變量（含Q）

邊坡系數(shù)m和糙率n

一般根據(jù)土質(zhì)、或襯砌材料用經(jīng)驗(yàn)法確定

水力計(jì)算任務(wù)給定Q、b、h、i中三個(gè)，求解另一個(gè)二、計(jì)算類(lèi)型

一類(lèi)是對(duì)已建成的渠道。根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行要求，進(jìn)行某些必要的水力計(jì)算。如校核已成渠槽的輸水能力，即已知渠道的斷面形狀尺寸、水深、底坡、粗糙系數(shù)，求渠道能通過(guò)的流量；或者對(duì)某段渠道測(cè)定流量，計(jì)算粗糙系數(shù)。一般都可直接計(jì)算。另一類(lèi)是設(shè)計(jì)新渠槽。主要有下列情況：①已知流量、斷面形狀尺寸、水深以及粗糙系數(shù)，要求確定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系數(shù)，要求確定渠道的斷面尺寸。一般要進(jìn)行試算求解。試算求解方法：1、試算——圖解法以求正常水深為例來(lái)介紹試算法。試算法的主要內(nèi)容是：假設(shè)若干個(gè)水深值，代入基本公式計(jì)算相應(yīng)的流量值。若所得的值與已知流量相等，則這個(gè)相應(yīng)的值即為所求，否則，繼續(xù)試算，直到算到與已知流量相等為止。在實(shí)際試算過(guò)程中，為了減少試算工作量，常常假設(shè)3～5個(gè)水深值，求出3～5個(gè)相應(yīng)的流量值，這些求出的流量值必須把已知流量值包含在中間。然后，繪出曲線(xiàn)，利用該曲線(xiàn)可確定出與已知流量相對(duì)應(yīng)的水深值，即在曲線(xiàn)上根據(jù)已知流量值對(duì)應(yīng)地查出值，該值即為所求。

由于試算法工作量大，比較繁瑣。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程中已制成了許多圖，已備查用，見(jiàn)附圖Ⅰ、Ⅱ。查圖法的優(yōu)點(diǎn)是不用內(nèi)插；缺點(diǎn)是查曲線(xiàn)圖費(fèi)視力，同時(shí)，因圖幅小，圖中曲線(xiàn)的某些部分精度差甚至查不出。因此，為保證查圖結(jié)果的可靠，一般可將查圖結(jié)果再回代檢驗(yàn)。電算解法具有速度快，精度高，應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工作中正在逐步普及。電算解法根據(jù)其計(jì)算方法常用的有二分法、牛頓法、迭代法2、查圖法3、電算解法例一電站已建引水渠為梯形斷面，m=1.5，底寬b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤頂高程差為3.2m，電站引水流量Q=67m3/s。因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給工業(yè)用水。試計(jì)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？b3.2超高m=1.5渠中水深

過(guò)水?dāng)嗝?/p>

濕周水力半徑謝才系數(shù)流量保證電站引用流量下，渠道還可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/sb3.2超高m=1.5

設(shè)計(jì)新斷面：已知Q、i、n，b、m，即已知底寬求水深h

，需試算求解將代入并整理得

式中，Q、b、m、n及i已知，h為待求量。

上式含h的高次隱函數(shù)，不可直接求解渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

將b、i、m代入

化簡(jiǎn)

計(jì)算過(guò)程

例一梯形斷面，m=1.0，漿砌石砌護(hù)n=0.025，i=1/800，b=6.0m，設(shè)計(jì)流量70m3/s，確定堤頂高度（超高0.5m）例一梯形渠道，流量Q=19.6m3/s，流速v=1.45m/s，m=1.0，糙率n=0.02，i=0.0007，試求渠道斷面b及h。

m/s正常水深的迭代計(jì)算法

化簡(jiǎn)成迭代公式:

迭代計(jì)算:假定一個(gè)初始hi值,

得到hi+1,當(dāng)hi+1-hi滿(mǎn)足精度時(shí),

h=hi+1迭代初值為：渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

將m=1.0，n=0.025，i=1/800，b