水力學第6章明渠均勻流第6章明渠流動

明渠

一種人工修建、或自然形成的渠

明渠流

水流通過明渠時，有自由面（液面為大氣壓強）。這種水流稱明渠水流，或無壓流。

§6.1概述第6章明渠流動明渠恒定流

明渠流中的水力要素（時均值）均不隨時間變化，稱明渠恒定流，否則稱明渠非恒定流。第6章明渠流動明渠均勻流

明渠流中，流線是一簇平行直線，水深、斷面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不變。

第6章明渠流動

明渠流與有壓流區(qū)別

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

非恒定均勻流明渠流：非恒定流必是非均勻流管流：非恒定管流可以是均勻流

第6章明渠流動

明渠斷面形狀、尺寸、底坡對水流運動有重要影響。因此，要了解明渠水流運動的規(guī)律，首先必須了解明渠類型及其水力要素等。

第6章明渠流動6.1.1明渠底坡

沿水流方向單位渠道長度，對應的渠底高程降落值，其表示渠底縱向傾斜程度，以符號i表示。式中：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

dzds第6章明渠流動

明渠底坡有三種類型

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

i>0

i=0

i<0

第6章明渠流動6.1.2棱柱形渠道與非棱柱形渠道明渠的橫斷面垂直于渠道壁面的平面與水流的接觸面人工明渠橫斷面天然河道第6章明渠流動6.1.2.1明渠的橫斷面

人工明渠橫斷面

通常有矩形、梯形、圓形、馬蹄形斷面等形式

第6章明渠流動1.矩形斷面

水面寬度

過水面積

濕周

水力半徑

常用于巖石中開鑿、兩側(cè)用條石砌成的渠混凝土渠木渠

hb第6章明渠流動2.

梯形斷面：

水面寬度

B=b+2mh

過水面積濕周水力半徑Bhb1m

土基上的渠第6章明渠流動3.

圓形斷面

水面寬度

過水面積

濕周

水力半徑用于無壓隧洞dhθ第6章明渠流動

河道橫斷面

河道橫斷面形狀不規(guī)則，分主槽和灘地兩部分枯水期：水流過主槽豐水期：水流過主槽和灘地

灘地主槽第6章明渠流動河道橫斷面

天然河道的橫斷面形狀不規(guī)則，由主槽與灘地組成。其一般是非棱柱體；若斷面變化不大，又較平順，可近似作為棱柱體渠道。

灘地主槽第6章明渠流動渠道分類

棱柱體渠道

非棱柱體渠道

6.1.2.3渠道的分類第6章明渠流動

棱柱體渠道斷面形狀尺寸底坡渠道不彎曲糙率例如，人工開鑿的大部分渠道

沿程不變非棱柱體（紐面）棱柱體

非棱柱體

112233棱柱體

第6章明渠流動非棱柱體渠道斷面形狀尺寸底坡渠道彎曲糙率例如，天然河道人工渠道連接段（扭面）沿程改變非棱柱體（紐面）棱柱體

非棱柱體

112233棱柱體

第6章明渠流動非棱柱體（紐面）棱柱體

非棱柱體

112233棱柱體

332211第6章明渠流動6.2.1明渠均勻流的水力特征

過水斷面形狀、尺寸、水深沿程不變

斷面流速分布斷面平均流速流量動能修正系數(shù)等沿程不變§6.2明渠均勻流第6章明渠流動

過水斷面形狀、尺寸、水深沿程不變

斷面流速分布斷面平均流速流量動能修正系數(shù)等沿程不變

底坡、水面坡度、總水頭線互相平行

6.2.1明渠均勻流特性

第6章明渠流動θihhJJzvv

底坡、水面坡度、總水頭線互相平行第6章明渠流動6.2.2明渠均勻流的形成條件

充分必要條件力學條件渠壁摩擦阻力與水重力在流動方向的分力始終平衡（大小相等，方向相反）能量條件水面下降值始終等于水頭損失第6章明渠流動

必要條件

恒定流流量沿程不變（無分叉和匯流情況）渠道為長、直的棱柱體順坡渠渠中無閘、壩、跌水等建筑物的局部干擾底坡、糙率沿程不變

第6章明渠流動

實際渠中總有各種建筑物。因此，多數(shù)明渠流是非均勻流。嚴格說，不存在明渠均勻流，均勻流是對明渠流動的一種概化。第6章明渠流動

近似符合這些條件的人工渠、河道中一些流段可認為是均勻流。離開渠進口、或水工建筑物一定距離遠的順直棱柱體明渠恒定流天然河道某些順直、整齊河段在枯、平水期第6章明渠流動圖明渠中的流動均勻流段非均勻流段非均勻流段

離開渠進口、或水工建筑物一定距離遠的順直棱柱體明渠恒定流第6章明渠流動6.2.3明渠均勻流的水力計算

6.2.3.1基本公式由謝才公式基于明渠水流資料獲得的經(jīng)驗公式

第6章明渠流動

1769年

在總結(jié)了一系列渠道水流實測資料的基礎上,提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的滿寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。謝才（A.Chezy）第6章明渠流動對于明渠均勻流，A

為過水面積，則

式中，為流量模數(shù)第6章明渠流動

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

第6章明渠流動謝才系數(shù)C

反映斷面形狀、尺寸和邊壁粗糙程度的一個綜合系數(shù)。常用曼寧公式計算R：水力半徑，以米（m）計n：糙率第6章明渠流動

注意選擇時應謹慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏小，對實際輸水能力影響較大。第6章明渠流動

某渠設計時選n=0.015，竣工后實測0.016。設計水深時，渠道過不了設計流量（比設計流量?。?。通過一定流量時，實際水深比設計計算的水深大，可能造成水漫渠頂事故。第6章明渠流動

各種土質(zhì)、襯砌材料渠道的糙率表0.04~0.05野草叢生的砂壤土或礫石渠面0.033~0.04散布粗石塊的土渠面0.025~0.030礫石（直徑20~60mm）渠面0.017~0.020夯實光滑的土面土渠：

n

渠道襯砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流動

各種土質(zhì)、襯砌材料渠道的糙率表0.05~0.065粗劣的極不規(guī)則的鑿巖渠0.04~0.05細致開爆的鑿巖渠0.033~0.040中等粗糙的鑿巖渠0.025~0.035光滑而均勻石渠：

n

渠道襯砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流動

各種土質(zhì)、襯砌材料渠道的糙率表0.025~0.035干砌塊石渠0.020~0.025粗糙的漿砌碎石渠0.017~0.023漿砌塊石0.013~0.017整齊勾縫的漿砌方石圬工渠：

n

渠道襯砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流動

各種土質(zhì)、襯砌材料渠道的糙率表0.020~0.025噴漿表面不整齊的混凝土0.018~0.023噴漿粗劣的混凝土襯砌0.0155~0.0165表面較光的刮平混凝土0.01~0.011水泥漿抹光，鋼?；炷粱炷燎?/p>

n

渠道襯砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流動

由均勻流公式

式中，有6個變量（含Q）

6.2.3.2計算方法

第6章明渠流動式中，共有六個變量（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)驗法確定

水力計算任務給定Q、b、h、i中三個，求解另一個第6章明渠流動計算類型

校核渠道的過流能力

求水深

求底寬

求底坡

設計斷面尺寸第6章明渠流動

校核渠道的過流能力

已知斷面形狀、b、h、m、底坡i、糙率n校核流量Q第6章明渠流動

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第6章明渠流動渠中水深

過水斷面

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第6章明渠流動

求底坡已知Q、n，m，n，h、b、求i

方法：直接計算

第6章明渠流動

求底坡例一矩形斷面渡槽，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，設計流量Q=10.0m3/s，槽中水深為h=1.8m。試求：（1）求渡槽出口底部高程z？（2）當渡槽通過設計流量時，槽內(nèi)均勻流水深隨底坡的變化規(guī)律。第6章明渠流動解

求渡槽底坡i:

出口槽底高程第6章明渠流動

設計斷面尺寸已知Q、v、i、n，m，設計渠道斷面尺寸問題分析

為已知

h，b為待求的未知數(shù)。

兩個方程可解出兩個未知數(shù)h，b

第6章明渠流動例一梯形渠道，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第6章明渠流動因此，在i、n已定條件下，6.2.4.1水力最佳斷面底坡i：

根據(jù)地形條件、技術條件考慮選定糙率n：取決于渠壁材料斷面形狀和尺寸斷面形狀和尺寸第6章明渠流動6.2.4.1水力最佳斷面水力最佳斷面：僅從水力條件出發(fā)，渠道最經(jīng)濟斷面

當Q=一定，要求：A→Amin

當A=一定，要求：Q→Qmax第6章明渠流動水力最佳斷面的一般條件均勻流算公式

當i、n、A=給定

→

minR→RmaxQ→Qmax

第6章明渠流動最佳斷面形狀：半圓形原因：由幾何學，面積相同圖形中，周界最小的斷面為圓形。因此，明渠最佳斷面形狀是半圓形。例如，預制鋼筋混凝土、鋼絲網(wǎng)水泥渡槽等，但土渠難挖成半圓形，且兩岸邊坡不穩(wěn)定。從地質(zhì)和施工條件考慮，工程中接近圓形斷面形狀的為梯形斷面

第6章明渠流動6.2.4.2允許流速保證渠道正常運行的允許流速上限和下限值

第6章明渠流動6.2.4.2允許流速不沖流速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