第七章 明渠均匀流w

1、第七章 明渠均匀流 Steady Uniform Flow in Open Channels本章主要介绍本章主要介绍1 1、渠道的几何特性、渠道的几何特性2 2、明渠均匀流的特性及形成条件、明渠均匀流的特性及形成条件3 3、明渠均匀流的水力计算问题、明渠均匀流的水力计算问题( (一般和特殊一般和特殊) )。明渠概述1 1、明渠：是人工渠道（明渠：是人工渠道（The artificial channels）天然河道（）天然河道（natural streams）以及不满流管道（）以及不满流管道（non-full pipes）统称为明渠）统称为明渠 2、应用：灌溉引水、通航、筑坝、建闸、修电站，上游

2、形成水、应用：灌溉引水、通航、筑坝、建闸、修电站，上游形成水库，壅水状况库，壅水状况3、明渠水流特点：、明渠水流特点： 1)明渠水流是无压流，有自由表面；明渠水流是无压流，有自由表面； 2）重力是流体流动的动力，为重力流（管流则是压力流）；）重力是流体流动的动力，为重力流（管流则是压力流）； 3）渠道坡度影响水流流速、水深。坡度增大，则流速增大，）渠道坡度影响水流流速、水深。坡度增大，则流速增大，水深减小；水深减小； 4）边界突然变化时，影响范围大。）边界突然变化时，影响范围大。4、明渠流的分类、明渠流的分类明渠问题的提出 变化的河流的平面形态 变化的河流的断面形状 通过的水流随时间改变 如何

3、简化问题？ 考虑顺直河道 考虑断面形状不变化 考虑恒定问题的简化 恒定流均匀流 非均匀流 非恒定流明渠的边界第一节、明渠的几何特性第一节、明渠的几何特性1 1、明渠的底坡、明渠的底坡sinodzids 01020sinzzdzisds 底坡的分类底坡的分类00dzds0=0dzds正坡正坡（positive slope） i0， ，渠底高程沿程降低渠底高程沿程降低平坡平坡（horizontal bed）i= 0， ，渠底高程沿程不变渠底高程沿程不变 负坡负坡（adverse slope） i0， ，渠底高程沿程升高渠底高程沿程升高00dzds 2 2、 明渠的横断面（明渠的横断面（Cross

4、SectionCross Section）：）： 垂直于渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交垂直于渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线，构成明渠的横断面线，构成明渠的横断面 。 3、 过水断面（过水断面（Cross Section）：）： 过水断面的几何要素过水断面的几何要素(以梯形为例以梯形为例) (1) b底宽底宽(2) 边坡系数边坡系数 m , m=ctan 。 m根据边坡岩土性质及根据边坡岩土性质及设计范围来选定。设计范围来选定。m越大，边坡越缓；越大，边坡越缓；m越小，边坡越越小，边坡越陡；陡； m=0时是矩形断面。时是矩形断面。 (3)(3)、水深：过水断面上渠底最低点到水面的距离、

5、水深：过水断面上渠底最低点到水面的距离6coshhh 梯形断面梯形断面 有水深有水深h、底宽、底宽b、边坡系数、边坡系数m 1(2)()2Ah bmhbbmh h221bhm2()21Abmh hRbhm 矩形断面矩形断面 有水深有水深h、底宽、底宽bAhb2bh2AbhRbh2AbhRhbhbh明渠过水断面的几何特性明渠过水断面的几何特性 棱柱体明渠棱柱体明渠A=A(h) 非棱柱体明渠非棱柱体明渠A=A(s,h)明渠过水断面的几何特性明渠过水断面的几何特性 第二节第二节 明渠均匀流的特性及形成条件明渠均匀流的特性及形成条件一、明渠均匀流的特性一、明渠均匀流的特性 v CR i1 1）断面平均

6、流速沿程不变。）断面平均流速沿程不变。2 2）水深沿程不变，过水断面）水深沿程不变，过水断面的形状和尺寸沿程不变的形状和尺寸沿程不变3）4）Q C A R iK i 二、形成明渠均匀流的条件二、形成明渠均匀流的条件 1 1、恒定流、恒定流 2 2、正坡，底坡沿程不变、正坡，底坡沿程不变 3 3、棱柱体渠道，糙率沿程不变、棱柱体渠道，糙率沿程不变4 4、渠道充分长，其中没有建筑物的局部、渠道充分长，其中没有建筑物的局部干扰干扰 第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算 谢才公式谢才公式161CRn00vCRiK称为流量模数称为流量模数 曼宁公式曼宁公式00 00QC AR iKi

7、) , , (0bhmi nfQ 正常水深h0，与其相应的水力要素可写为A0、0、R0、C0和K0 第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算讨论讨论1）、糙率）、糙率n，a、糙率、糙率n取大，流量取大，流量Q偏小、土方量不足，需返工。偏小、土方量不足，需返工。 b、糙率、糙率n取小，流量取小，流量Q偏大、土方量过大，浪费人力、偏大、土方量过大，浪费人力、物力。物力。2）、）、 底坡底坡i 由地形、地质条件决定由地形、地质条件决定a、渠道底坡、渠道底坡i大，大， 陡、流速大，挟沙，要防冲刷陡、流速大，挟沙，要防冲刷b 、渠道

8、底坡、渠道底坡i小，小， 缓、流速小，防淤积缓、流速小，防淤积3) 、边坡系数、边坡系数m, 根据边坡岩土性质及设计范围来选根据边坡岩土性质及设计范围来选定。定。 m越大，边坡越缓；越大，边坡越缓；m越小，边坡越陡；越小，边坡越陡； m=0时时是矩形断面。是矩形断面。1Qn糙率糙率 明渠均匀流的水力计算的一般问题和计算方法明渠均匀流的水力计算的一般问题和计算方法以梯形为例以梯形为例1）校核已有渠道的过水能力）校核已有渠道的过水能力 （求流量（求流量Q ）2）设计新渠道确定渠道的断面尺寸）设计新渠道确定渠道的断面尺寸 : a、已知、已知Q、i、m 、 n 、 b，确定确定h。 b 、已知、已知Q

9、、i、m 、 n 、h。，。，确定确定b。第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算1、计算流量、计算流量第三节、明渠均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算m1 . 1,0275. 0, 0 . 1m,5 . 1,0002. 0.170hnmbi道，有一梯形断面棱柱形渠例。和流速求流量vQ200m86. 21 . 1) 1 . 10 . 15 . 1 ()(hmhbAm61. 4111 . 125 . 11220mhbm62. 061. 486. 2AR/sm58.3362. 00275. 0110.56161RnCs/m07. 10002. 062. 058.3386.

10、23RiACQm/s37. 086. 207. 1AQv014. 0m,7 . 1s,/m0 . 8m,120m,5 . 1.2703nhQLb土渡槽，一矩形断面的钢筋混凝例。程，求渡槽进口处渠底高出口处渠底高程为12m5120m55. 27 . 15 . 1bhAm9 . 47 . 125 . 120hbm52. 09 . 455. 2ARs/m6452. 0014. 0110.56161RnC0042. 052. 055. 26465. 7222222RACQim5 .511200042. 05121iL试算图解法试算图解法2、计算正常水深、计算正常水深h0（或底宽（或底宽b）第三节、明渠

11、均匀流的水力计算第三节、明渠均匀流的水力计算0gbh202 21bmmh 第四节、第四节、明渠均匀流水力计算的其他问题明渠均匀流水力计算的其他问题00( )Abm hh最佳宽深比最佳宽深比 当底坡，糙率选定后并规定过水断面积，使之通过的当底坡，糙率选定后并规定过水断面积，使之通过的流量最大。流量最大。 当底坡，糙率选定后并通过一定的流量，使通过的过当底坡，糙率选定后并通过一定的流量，使通过的过水断面积最小。水断面积最小。1、明渠水力最佳断面、明渠水力最佳断面1 1、水力最佳断面、水力最佳断面00Abm hh2021bhm20002 1Am h hmh 22002 1dAmmdhh 20020()2 1b mh hmmh 22