水力学第7章明渠

明渠：是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。第七章明渠均匀流

SteadyUniformFlowinOpenChannels长江三峡

南水北调中线工程中的渠首工程

唐徕渠

白起渠

白起渠又名武镇百里长渠、三道河长渠、荩忱渠，是战国时期修建的军事水利工程，建设时间比著名的都江堰水利工程还要早23年。这条长渠西起湖北省南漳县谢家台，东至宜城市郑集镇赤湖村，蜿蜒49.25公里，号称“百里长渠”，至今仍灌溉着宜城平原30多万亩良田。

河南林州

本章主要内容：7.1概述7.2明渠均匀流的特性及其产生条件7.3明渠均匀流的水力计算(一般和特殊)。7.1概述

7.1.1.定义

明渠：人工渠道（Theartificialchannels）天然河道（naturalstreams）以及不满流管道（non-fullpipes）统称为明渠

常见明渠类型：输水渠道、无压隧洞、渡槽、涵洞、天然河道。明渠水流：明渠水流是无压流，有自由

表面。

应用：灌溉引水、通航、筑坝、建闸、

修电站，上游形成水库，壅水状况明渠水流特点：1)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）；

3）渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则流速增大，水深减小；

4）边界突然变化时，影响范围大。明渠水流分类（FlowClassification）恒定流：明渠中的水流运动要素不随时间而变。明渠恒定均匀流：明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速及流速分布沿程不变。

明渠水流一般是阻力平方区的紊流明渠水流还可分为：急流和缓流

7.2.2.明渠的几何特性

1.底坡

（bedslop）

底坡i—渠底高程沿水流方向单位距离的降落值

底坡的分类正坡（positiveslope）i>0，渠底高程沿程降低平坡（horizontalbed）i=0，渠底高程沿程不变

负坡（adverseslope）i<0，渠底高程沿程升高明渠的横断面断面分类

2.明渠的横断面（CrossSection）：

梯形

（Trapezium）：常用的断面形状

矩形（Rectangle）：用于小型灌溉渠道当中

圆形（Circle）：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中

复式（CompoundSection）：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中

过水断面的几何要素(以梯形为例)(1)

水深h：过水断面上渠底最低点到水面的距离

(2)、b——底宽

B——水面宽;(3)

边坡系数m

边坡倾角的余切m=cotα

m越大，边坡越缓；m越小，边坡越陡；

m=0时是矩形断面。m根据边坡岩土性质及设计范围来选定

1.5～2.01.25～1.51.25～1.50.5～1.00.25～0.50～0.25沙壤土粘壤土、黄土或粘土卵石和砌石半岩性的抗水的土壤风化的岩石未风化的岩石

3.0～3.52.0～2.51.5～2.0细砂细砂、中砂和粗砂

疏松的和中等密实的密实的土壤种类

边坡系数m(4)A——过水断面面积;(5)

χ——过水断面湿周;(6)R——水力半径.矩形断面有水深h、底宽b

棱柱形渠道与非棱柱形渠道非棱柱形渠道non-prismaticchannelA=A(s,h)棱柱形渠道prismaticchannel

：横断面形状和尺寸及底坡沿程不变的长直明渠，A=A(h)。反之，棱柱体渠道非棱柱体渠道

7.2明渠均匀流的特性及形成条件1、明渠均匀流的特性

1）断面平均流速沿程不变。2）水深沿程不变，过水断面的形状和尺寸沿程不变3）4）明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡（均匀流对应点的速度大小方向相等，流线平行，水面渠底面都是流线）2、形成明渠均匀流的条件

1）恒定流,流量不变，无支流;2）正坡，底坡沿程不变

3）棱柱体渠道，糙率沿程不变4）渠道充分长，其中没有建筑物的局部干扰1.恒定流量不变保证对应点流速大小方向沿程不变2、正坡，底坡不变

重力分力与阻力相平衡（正坡）；

底坡变化，出现折点，流线偏折，与均匀流流线平行矛盾。无法保证对应点流速大小方向沿程不变3、棱柱体渠道，各断面形状尺寸不变。流量不变，保证断面平均流速不变。保证对应点流速大小方向沿程不变4、长直，无水工建筑物。如弯曲流线将弯，非均匀流。有水工建筑物阻碍，非均匀流。

7.3明渠均匀流的水力计算1.谢才公式曼宁公式K称为流量模数

正常水深h0，与其相应的水力要素可写为A0、χ0、R0、C0和K0

7.3明渠均匀流的水力计算或讨论1）、粗糙率系数n:a、粗糙率系数n取大，流量Q偏小、土方量不足，

需返工。b、粗糙率系数n取小，流量Q偏大、土方量过大，

浪费人力、物力。2）

底坡i

由地形、地质条件定a、渠道底坡i大，陡、流速大，挟沙，要防冲刷b、渠道底坡i小，缓、流速小，防淤积（1）验证渠道的输水能力(2）确定渠道的底坡(3)设计渠道断面尺寸

a.根据需要选定正常水深，求底宽。

b.由工程要求选定渠道底宽，求正常水深。7.3.2明渠均匀流水力计算三类基本问题计算类型

试算法：流速面积

水力半径湿周

谢才系数流量面积

水力半径湿周

谢才系数底坡11.5318.0815.760.02230.02230.022351480770448.6950.4449.90.8451.060.98813.614.6514.2311.515.5414.161.01.31.2计算值设定值