【水利课件】第五章 明渠恒定流

1、第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的，明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的，例如：水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压隧例如：水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压隧洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流均为明渠水流。当明渠水流过水断面的平均流速及水深均为明渠水流。当明渠水流过水断面的平均流速及水深均沿程不变，或更严格地讲，当渠中水流的流线为一簇均沿程不变，或更严格地讲，当渠中水流的流线为一簇相互平行的直线时，称为相互平行的直线时，称为明渠均匀流明渠均匀流。否则，称为。否则，

2、称为明渠明渠非均匀流非均匀流。从力学的观点看，明渠均匀流动是一种直线。从力学的观点看，明渠均匀流动是一种直线等速运动。等速运动。水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流5.1 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( ( 称作底称作底坡坡 ) )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进

3、的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。行分析。 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流一、明渠的横断面一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。水断面的水利要素。水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流工程中应用最广的是梯形渠道，其

4、过水断面的诸水利工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下：要素关系如下： 水面宽度：水面宽度： b b= =b b+2+2mhmh 过水断面面积：过水断面面积： a a=(=(b b+ +mhmh) )h h 湿周：湿周： 水力半径：水力半径： 水水力力学学讲讲义义212mhbx212)(mhbhmhbxar第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流二、明渠的底坡二、明渠的底坡 底坡：明渠渠底倾斜的程度称为底坡。以符号底坡：明渠渠底倾斜的程度称为底坡。以符号i i表表示，示，i i等于渠底线与水平线夹角口的正弦即等于渠底线与水平线夹角口的正弦即i isinsin。 明渠有三种

5、底坡：明渠有三种底坡：顺坡、平坡和逆坡顺坡、平坡和逆坡水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流顺坡：顺坡： i i00，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。 平坡：平坡： i i=0=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。 逆坡：逆坡： i i00)0)； 3 3、渠道中没有建筑物的局、渠道中没有建筑物的局部干扰；部干扰； 4 4、明渠中的水流必须是恒、明渠中的水流必须是恒定的，沿程无水流的汇入、汇定的，沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变。出，即流量不变。 水水力力学学讲讲义义水水力力学学讲讲义义如果您有任

6、何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流5.3 5.3 明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式明渠均匀流计算的基本公式是谢才公式和曼宁公式，即明渠均匀流计算的基本公式是谢才公式和曼宁公式，即 也可表示为：也可表示为： 式中式中k k是流量模数，它表示当底坡是流量模数，它表示当底坡i i1 1时渠道中通过均时渠道中通过均匀流的流量。匀流的流量。 水水力力学学讲讲义义ircv nrc6/

7、1ikiracqiqnarrack3/2水水力力学学讲讲义义如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流5.4 5.4 水利最佳断面及允许流速水利最佳断面及允许流速一、水力最佳断面一、水力最佳断面 水力最佳断面（水力最佳断面（the best hydraulic sectionthe best hydraulic section）：是指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流

8、是指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。量时的断面形式。对于明渠均匀流，有：对于明渠均匀流，有： 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 说明：说明： 1 1）具有水力最佳断面的明渠均匀流，当）具有水力最佳断面的明渠均匀流，当i i，n n，a a给定时，水力半径给定时，水力半径r r 最大，即湿周最大，即湿周p p 最小最小的断面能通过最大的流量。的断面能通过最大的流量。 2 2）i i，n n，a a给定时，湿周给定时，湿周p p最小的断面是最小的断面是圆形断面，圆形断面， 即圆管为水力最佳断面。即圆管为水力最佳断面。 水水力力学学讲讲义义第

9、五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流1 1、梯形过水断面渠道的水力最佳断面、梯形过水断面渠道的水力最佳断面 梯形水力最佳断面的宽深比值为梯形水力最佳断面的宽深比值为： 此时：此时： 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流2 2、矩形断面的水力最佳断面、矩形断面的水力最佳断面 矩形断面，矩形断面，m m =0=0，则：，则： 即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两倍倍。 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流结论：结论： 1 1）梯形水力最佳断面的宽深比仅是边坡系）梯形水力最佳断面的宽深比仅是边坡系数数 m

10、 m 的函数。的函数。 2 2）在任何边坡系数的情况下，水力最佳梯）在任何边坡系数的情况下，水力最佳梯形断面的水力半径形断面的水力半径 r r 为水深为水深 h h 的一半。的一半。 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流二、允许流速二、允许流速 允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。进行校核。 水水力力学学讲讲义义第五章

11、第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流在设计中，要求渠道流速在设计中，要求渠道流速v v在不冲、不淤的允许在不冲、不淤的允许流速范围内，即：流速范围内，即： 式中：式中： 不冲允许流速（不冲允许流速（m/sm/s），根据壁面材料定。），根据壁面材料定。 不淤允许流速（不淤允许流速（m/sm/s）。（同时考虑避免渠）。（同时考虑避免渠 中滋生杂草，一般流速应大于中滋生杂草，一般流速应大于0.5m/s0.5m/s。）。） 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流例题例题1 1： 有一梯形断面中壤土渠道，已知：渠中通有一梯形断面中壤土渠道，已知：渠中通过的流量过的流量q q=5m

12、=5m3 3/s/s，边坡系数，边坡系数m m =1.0=1.0，粗糙系数，粗糙系数n n=0.020 =0.020 ，底坡，底坡i i=0.0002=0.0002。试求：（。试求：（1 1）按水力）按水力最佳条件设计断面；（最佳条件设计断面；（2 2）若宽深比）若宽深比b b =2=2来设计来设计断面，检查渠中流速是否满足不冲条件。断面，检查渠中流速是否满足不冲条件。 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流5.5 5.5 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算一、验算渠道的输水能力一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠对已成渠道进行校核

13、性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：道的输水能力。即已知：n,i,b,hn,i,b,h 确定确定q q ; ; 直接用公式直接用公式: : 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流二、已知渠道的设计流量二、已知渠道的设计流量q q、底坡、底坡i i、底宽、底宽b b、边坡系数、边坡系数m m和粗糙系数和粗糙系数n n，求水深，求水深h h。三、已知渠道的设计流量三、已知渠道的设计流量q q、底坡、底坡i i、水深、水深h h、边坡系数、边坡系数m m及粗糙系数及粗糙系数n n，求渠道底宽，求渠道底宽b b。水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒

14、定均匀流四、确定渠道的底坡四、确定渠道的底坡 已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知几何尺寸，即已知 n n，q q 和和b b，m m，h h 各量，确定渠道的各量，确定渠道的底坡底坡i i : : 水水力力学学讲讲义义第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流五、确定渠道的断面尺寸五、确定渠道的断面尺寸 已知流量已知流量q q、流速、流速v v、渠道底坡、渠道底坡i i、边坡系数、边坡系数m m 及粗糙及粗糙系数系数n n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽b b 和水深和水深

15、h h。水水力力学学讲讲义义水水力力学学讲讲义义如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 谢 谢！水水力力学学讲讲义义肚松衯宸&愮鐝d)? $?d悡!餯怉 扈鋹a 嘬貑 d?啃?d怉?4 癮?0?2l豀/d 既 脝?窗? 兡蓟癟鑳 d?兗? t 穃$0嬅7d胒 d恆 溓?様?鸙捐 賰 u:hd j o?3葏蓇 3繼伞銨? 3覌耺 缻d?b凓du鞁 ?v悏鳆鸖 卯嬺嬝擛

16、吚憢 塒鼢 媀 ?塧x b ?6?镞p?塓 =?輧棵廤uq嬹?$嬭媇- $?痁墢?頢 s ;聈 %谶蚩魅婥? f ? ;u ?i7,嬤;雞嶂嬇槣郬杽 gz_摞?跌u孄?餽p嬑 jk萘秣?k贤wb#u 媜 7w兀?)鱱h秒?y? 麐z 蟏?=?傉哙?w+鶋| 渹?饓s 詐?瘙= 氙 ;鹵?y%惢_?&嬟嬸侢 ?s? v鄟?佹饟 j oh?v 孁?3黷#嬘胳幥 i鳻聋茓 p$ ?荱嬞稠- j 纉 焗豒m?u馫vi)h纞潈; 矸?揿塋!魄舩?屗塗$9鑺 锂?艍)?婋q浣=鼖s顆f嬈 ?2w聟f+w?:脄汄y賰亥i?p礪?wa 飞;z厬 圪?呂z?拶?騚咡譪 4#涨?鞗籽?菮=pm櫶k?卌蠑?

17、q駜6项縠餗q鹰|u鬨滗歒?淬盭睟覙6u姮?m+/l!ol 諉:?5?磐嵸?錺潗 t?鈪醞3h袳 牒 唣?罐cb? 捓铹k 挭鑈p衈聮嗌 蜞敏?l 孰pb潉?潕肚松衯?雎挥=?牓2d?h糖 =m 痞 ?(瘣滸?( h?棧哐锒$*?z 3蓚w 傯= %u旄 冏?塧 ?腦?u zyy h?w鹁?镁+x脲燴哠k?q 梽桃 羀徬 ? w? 錭x?c?e ?gei鎃+, nit噈鲃 c ?u锳 9 硄 轻儍l8踇縎; w岐?u rh ?wx鵛 8 吷y 兞 恋w 六 堲?-猴w兂.+嬼? 墎 娮 ?嗠鸊gij倭r j ?侜!?u?唻蕛? 凓 | ? 縖鸹嬔r 責 | a伾 鼐*?% 磣嬓冴 苻 高 hv霼?m | 兪 t?4撠 ? 聝 ?飌z0?t蕞筍讧?3 髀続c?p? t 壉鄪mr +?p ; 8齚 p 蕞驱_嬝3? ?%?佝較#?u 嬻芺婩 *?莀x _ ? 萄阯k詴qm? x拱曃 ?鳡?+腰 +?艃? ?u? 葭?橗?岶 %媗祆 ?呿祴?峙 % ms?叫篂?x ?$ ?f笂 斚汶弸邏s?苾铏p荫渌? 呉坡y询生蓯籀 塡塠= ?鬋 昆?sz ?|_)5隠瑾.觠0峗e ?王?謷呻 u?蓌 x0 ?艣专 ?u?v=zt望 ?v