明渠均匀流的特征及其形成条件

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1、第九章第九章 明渠流动明渠流动 重点内容重点内容授课内容授课内容思考题思考题作业作业重点内容重点内容1. 明渠均匀流水力计算明渠均匀流水力计算2. 明渠水流三种流态的判别明渠水流三种流态的判别3. 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析分析4. 水跃的特性和共轭水深计算水跃的特性和共轭水深计算 思考题思考题1、简述明渠均匀流的特性和形成条件，、简述明渠均匀流的特性和形成条件，从能量观点分析明渠均匀流为什么从能量观点分析明渠均匀流为什么只能发生在正坡长渠道中？只能发生在正坡长渠道中？2、什么是正常水深？它的大小与哪些、什么是正常水深？它的大小与哪些因素有关？当其它条件相同时

2、，糙因素有关？当其它条件相同时，糙率率n、底宽、底宽b或底坡或底坡i分别发生变化时，分别发生变化时，试分析正常水深将如何变化？试分析正常水深将如何变化？思考题思考题3、什么是水力最佳断面？矩形、什么是水力最佳断面？矩形断面渠道水力最佳断面的底断面渠道水力最佳断面的底宽宽b和水深和水深h是什么关系？是什么关系？4、 什么是允许流速？为什么在什么是允许流速？为什么在明渠均匀流水力计算中要进明渠均匀流水力计算中要进行允许流速的校核？行允许流速的校核？ 作业作业 P244-8.12、8.13 P245-8.18 第一节第一节 概述概述在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。在河、渠等水道中流动，具有

3、自由表面的水流。明渠的分类明渠的分类棱柱形渠道棱柱形渠道非棱柱形渠道非棱柱形渠道sin21lzzi铅垂断面为过水断面，铅垂断面为过水断面，铅垂深度铅垂深度h h为过水断面的水深。为过水断面的水深。tan21xlzzi明渠的底坡明渠的底坡明渠渠底与纵剖面的交线称为渠底明渠渠底与纵剖面的交线称为渠底线，渠底线的坡度称为线，渠底线的坡度称为底坡（底坡（i）。底坡类型底坡类型第二节第二节 明渠均匀流的特征及其明渠均匀流的特征及其形成条件形成条件明渠过流断面的几何要素明渠过流断面的几何要素梯形明渠边坡系数梯形明渠边坡系数水力最优断面水力最优断面当当i、n和和 A 一定，使流量一定，使流量 Q 最大的断面

4、形状，定义为水力最优最大的断面形状，定义为水力最优断面。断面。当当i、n和和 Q一定，使一定，使A最小的最小的断面形状，定义为水力最优断面。断面形状，定义为水力最优断面。水力最优断面水力最优断面例题：例题：在密实砂壤土层中开挖灌溉渠在密实砂壤土层中开挖灌溉渠道，断面为梯形。边坡系数道，断面为梯形。边坡系数m= 1.5 ，粗糙系数粗糙系数n=0.025 ，根据地面地形，根据地面地形，底坡采用，底坡采用， i= 0 .0003 ，设计流量，设计流量 Q = 9 .68 m3 / s ，选定底宽，选定底宽 b =7m,试确定断面的开挖深度。试确定断面的开挖深度。断面开挖深度断面开挖深度无压圆管均匀流

5、无压圆管均匀流圆管过水断面的几何要素圆管过水断面的几何要素无压圆管均匀流的流量和流速随无压圆管均匀流的流量和流速随水深的变化水深的变化第四节第四节 明渠流动状态明渠流动状态断面单位能量和断面单位能量和 临界水深临界水深6.1.1 6.1.1 明渠的底坡明渠的底坡6.1 概述概述明渠流动：明渠流动：是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。自由表面相对压强为零，又称为无压流。自由表面相对压强为零，又称为无压流。明渠流动：明渠流动：（1 1）恒定流与非恒定流；（）恒定流与非恒定流；（2 2）均匀流与非均匀流）均匀流与非均匀流明渠渠底与纵剖面的交明渠

6、渠底与纵剖面的交线称为底线，底线的坡线称为底线，底线的坡度称为度称为底坡（底坡（i）。sin21lzzi铅垂断面为过水断面，铅垂断面为过水断面，铅垂深度铅垂深度h h为过水断面的水深。为过水断面的水深。tan21xlzzi底坡类型：底坡类型：明渠断面的形状可以有多种形式。以梯形最具有代表性。明渠断面的形状可以有多种形式。以梯形最具有代表性。其几何要素可分为基本量和导出量。其几何要素可分为基本量和导出量。基本量：底宽基本量：底宽b b、水深、水深h h、边坡系数、边坡系数m m边坡系数边坡系数m m表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性。表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性

7、。cotham导出量：水面宽导出量：水面宽B B、过水断面面积、过水断面面积A A、湿周、水力半径、湿周、水力半径6.1.2 6.1.2 棱柱形渠道与非棱柱形渠道棱柱形渠道与非棱柱形渠道 断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠棱柱形渠道道，否则为，否则为非棱柱形渠道非棱柱形渠道。棱柱形渠道过水断面面积棱柱形渠道过水断面面积A A仅随水深仅随水深h h而变化。而变化。6.2.1 6.2.1 明渠均匀流的水力特征明渠均匀流的水力特征（1 1）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变；）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变；（2 2）明渠均匀流总水头线、测压

8、管水头线（水）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水面线）与渠道底线互相平行；面线）与渠道底线互相平行；6.2 6.2 明渠均匀流明渠均匀流iJJp6.2.2 6.2.2 明渠均匀流的形成条件明渠均匀流的形成条件（1 1）明渠流量沿程不变；）明渠流量沿程不变；（2 2）顺坡（）顺坡（i i00）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；（3 3）壁面粗糙系数）壁面粗糙系数n n沿程不变沿程不变; ;（4 4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。iJJp6.2.3 6.2.3 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算（1 1）基本公式）基本

9、公式：谢才公式：谢才公式 K K的单位同流量，称为流量模数的单位同流量，称为流量模数 明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛夫公式计算谢才系数。夫公式计算谢才系数。（2 2）正常水深）正常水深h h0 0：明渠均匀流的水深为正常水深：明渠均匀流的水深为正常水深（3 3）粗糙系数）粗糙系数n n的选定的选定（4 4）明渠均匀流水力计算问题）明渠均匀流水力计算问题 a a、验算渠道的输水能力、验算渠道的输水能力 b b、决定渠道坡度、决定渠道坡度 c c、决定渠道断面尺寸、决定渠道断面尺寸),(0inhbmfRiACQRJCv Ri

10、Cv iKRiACQ 当当i i、n n及及A A大小一定时，大小一定时，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。 当当i i、n n及及A A给定时，水力半径给定时，水力半径R R最大、最大、即湿周最小的断面能通过最大的流量。即湿周最小的断面能通过最大的流量。 ),(0inhbmfRiACQ32352132AniiRnAQ（6 6）渠道的允许流速）渠道的允许流速（7 7）断面周界上粗糙度不同的渠道）断面周界上粗糙度不同的渠道（8 8）复式断面渠道）复式断面渠道 （5 5）水力最优断面与实用经济断面）水力最优断面与实用经济断面

11、面积给定时，边界最小的几何图形是圆形，面积给定时，边界最小的几何图形是圆形，因此管路断面形状通常为圆形。因此管路断面形状通常为圆形。6.6 棱柱形渠道中渐变流水面曲线分析渐变流水面线分析的主要任务：渐变流水面线分析的主要任务： 根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。6.6.1 6.6.1 棱柱形渠道渐变流基本微分方程棱柱形渠道渐变流基本微分方程取两过水断面，列能量方程：取两过水断面，列能量方程：wdhgdvvdhhdzzgvhz2

12、)()(2)(22FrJigABQJidsdh1132顺坡渠道（顺坡渠道（i0）平坡渠道（平坡渠道（i0）逆坡渠道（逆坡渠道（i0）2 2种水面线种水面线8 8种水面线种水面线2 2种水面线种水面线缓坡渠道（缓坡渠道（iik）临界坡渠道（临界坡渠道（i=ik） 2 2种水面线种水面线3 3种水面线种水面线3 3种水面线种水面线kii 在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流量的正常水深时，坝上游将出现量的正常水深时，坝上游将出现a1a1型壅水曲线。型壅水曲线。在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将在缓坡排水渠道末端河

13、水位低于渠尾的正常水深时，上游将出现出现b1b1型降水曲线。型降水曲线。在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成成c1c1型壅水曲线。型壅水曲线。kii 在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现a2a2型壅水曲线。型壅水曲线。水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成b1b1型降水曲型降水曲线，而急坡渠道上上将形成线，而急坡渠道上上将形成b2

14、b2型降水曲线，而在变坡处通过临界型降水曲线，而在变坡处通过临界水深，形成跌水。水深，形成跌水。在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c2c2型型壅水曲线。壅水曲线。kii 在在 渠道上闸门上游将形成渠道上闸门上游将形成a3a3型壅水曲线。型壅水曲线。kii 在在 渠道上闸门下游将形成渠道上闸门下游将形成c3c3型壅水曲线。型壅水曲线。kii 0i平坡渠道末端跌坎上游将形成平坡渠道末端跌坎上游将形成b0b0型降水曲线。型降水曲线。在平坡渠道上闸门部分开启时，闸门下游将形成在平坡渠道上闸门部分开启时，闸门下游将形成c0c0型壅水曲线。型壅水曲线。0i逆坡长渠道末端为跌坎，若闸门后收缩断面水深小于临界水深，逆坡长渠道末端为跌坎，若闸门后收缩断面水深小于临界水深，则闸门下游为则闸门下游为bb型降水曲线。型降水曲线。跌坎上游将形成跌坎上游将形成cc型壅水曲线。型壅水曲线。