明渠恒定均匀流概述1

1、第六章 明渠恒定均匀流本章要求掌握 梯形断面水力要素、正常水深、流量、水力最正确断面的计算及断面设计；明渠均匀流的特性及产生条件、底坡、湿周、水力半径、允许流速等概念。理解 糙率、底坡、边坡系数、综合糙率、复式断面流量确实定方法。第一节概 述一、明渠水流天然河道、人工渠道中的水流通称为明渠水流。其具有自由水面，外表压强为一个大气 压，相对压强为零，故又称为无压流。其流动主要是靠重力流动，不但天然河道、人工渠道 中的水流为明渠水流，只要管道、隧洞等建筑物中的水流未充满整个断面，水面是大气压的， 均为明渠水流。明渠水流根据水流运动要素是否随时间发生变化，分为明渠恒定流和明渠非恒定流。根 据水流运动

2、要素是否沿程变化，分为明渠恒定均匀流和明渠恒定非均匀流。本章主要讨论明 渠恒定均匀流问题，明渠恒定非均匀流将在第七章讨论。明渠均匀流是指：渠道中的流速及流速分布沿流程不变的水流。二、渠道的形式渠道是约束明渠水流运动的外部条件，渠道边壁的几何特征和水力特性对明渠中的水流 运动有着重要的影响，因此必须对明渠槽身的形式有所了解。渠道横向几何特性是指横向断面的形状和尺寸；纵向几何特性是指渠道底坡及其变化情 况。.按横断面的形状分类人工修建的渠槽一般为对称断面，其基本形状有矩形、梯形、U型、圆形和复式断面 等。当明渠修在土基上时，为防止崩塌和便于施工，和从优化的角度考虑，多做成梯形断面； 矩形断面多用于

3、岩石中开凿或混凝土衬砌的渠道；圆形断面那么常用于无压输水涵管或下水道; 而复式断面那么多用于大型或地基比拟特殊的、水位变化较大的渠道。如图6-1所示。天然河道的横断面形状往往是不规那么的，常见的形式多是由主槽和边滩组成的复式断面, 如图6-2所示。在实际工程中，人工渠道应用较多的断面形状是梯形和矩形。其过水断面的水力要素如下:水面宽度B过水断面面积湿周%水力半径RB = b+ 2mh A = (b + mli)h % = b + 2/zV 1 + m2A (b + mh)hR = - =/x h + 2hl + m2(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)b 渠底宽度。m边坡系数，即为渠道侧坡

4、的水平投影长度与垂直投影高度的比值。它表示梯形断面两侧边壁的倾斜程度。m = ctg09常取垂直方向为1 m时水平方向的长度来表示。9为 边坡与水平线的夹角。机的大小取决于土壤的种类和护面情况，其值由土力学实验研究确 定，也可参考表6-1选取。(b)(d)(e)(f)图6-1图6-2对于矩形断面的水力要素，可看作是边坡系数m=0的梯形断面，那么B = bA = bhx = b + 2h对于圆形断面、U型断面的水力要素，可根据它们的几何尺寸来确定。表67梯形断面边坡系数值岩土种类边坡系数加岩土种类边坡系数机粉砂3.0 3.5黄土或粘土细砂、中沙和粗沙卵石和砂砾1.25 1.51.疏松的和中等密实

5、的2.0 2.5半岩性耐水土壤0.5 1.02.密实的1.5-2.0风化的岩石0.25 0.5粘壤土或沙壤土1.25 2.0未风化的岩石0-0.25.按断面形状、尺寸是否沿程变化分类断面形状和尺寸沿程不变且渠道轴线为直线的渠道称为棱柱体渠道。如轴线顺直且断面 形状大小不变的人工渠道、渡槽等，都属于棱柱体渠道。在棱柱体渠道中，水流的过水断面 面积仅随水深而变，即A =断面形状和尺寸沿程变化的渠道称为非棱柱体渠道。如梯形断面和矩形断面的渠道间的 过渡段，人工渠道的弯段、一般的天然河道等，都属于非棱柱体渠道。在非棱柱体渠道中, 过水断面面积即随水深/z变化，又沿流程/变化，即A =三、渠道的底坡渠段

6、首末两端底部高差与渠段长度的比值，称为渠道的底坡，其也等于渠底线与水平线图6-3的夹角。的正弦。用字母，表示。如图6-3所 示，在渠道中取1-1和2-2断面，两断面间的 渠底线长度为/, 1-1断面的渠底高程为4 ,2-2断面渠底高程为Z2,那么此段渠道的底坡为一般当底坡较小时（kvO.lO, 6tan6,即水平距离/与渠底线距离/相差很小，那么渠底坡度可用下式替代必须注意：明渠水流的过水断面是垂直于水流方向的横断面，渠道的水深，应为垂直于 流向的水深川，但为了测量的方便，当坡度较小时常用铅直水深/z替代（如图 6-3所示），当角较大时，那么另当别论。根据底坡沿程的变化，明渠的底坡分为三类:渠底沿程下降的称为顺坡（或正坡）（i 0 ）； 渠底水平的称为平坡（1 = 0 ）；坡