水力学 明渠课件

水力学明渠课件第1页/共51页第2页/共51页长江三峡第3页/共51页长江三峡长江，我国的第一大河，全长6300余公里。它流经四川盆地东缘时冲开崇山峻岭，夺路奔流形成了壮丽雄奇、举世无双的大峡谷——长江三峡。长江三峡西起重庆奉节的白帝城，东到湖北宜昌的南津关，是瞿塘峡、巫峡和西陵峡三段峡谷的总称三峡工程特选址于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三斗坪。长江三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅

游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北

调、供水灌溉等

十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！

第4页/共51页研究内容：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第5页/共51页7.1概述

7.1.1.定义

明渠：是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。

常见明渠类型：输水渠道、无压隧洞、渡槽、涵洞、天然河道。第6页/共51页明渠水流：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，壅水状况第7页/共51页明渠水流特点：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。第8页/共51页明渠水流分类（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。第9页/共51页

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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

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正坡（positiveslope）：i>0，渠底高程沿程降低者称为正坡或顺坡.平坡（horizontalbed）：i=0，渠底高程沿程不变者称为平坡。负坡（adverseslope）：i<0，渠底高程沿程沿程升高者称为负坡或逆坡。第12页/共51页

2.明渠的横断面（CrossSection）：

垂直于渠底（渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线）的横截面，构成明渠的横断面

。

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（CrossSection）：渠道的轮廓与水面轮廓构成，并垂直于流向的断面

。

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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第15页/共51页

(2)、b——底宽

B——水面宽;(3)

边坡系数m

边坡倾角的余切m=ctanα

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第16页/共51页

(4)A——过水断面面积;

(5)

χ——过水断面湿周;

(6)R——水力半径.第17页/共51页第18页/共51页

棱柱形渠道与非棱柱形渠道反之，非棱柱形渠道non-prismaticchannel棱柱形渠道prismaticchannel

：横断面形状和尺寸沿水流方向不变，底坡为常数的长直明渠。第19页/共51页

第20页/共51页7.2明渠均匀流的特性及其产生条件

7.2.1、明渠恒定均匀流恒定流：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。

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7.2.2、明渠均匀流的水力特性

（均匀流对应点的速度大小方向相等，断面平均流速也相等，流线平行，水面渠底面都是流线）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总水头线、测压管水头线和底坡三线互相平行。

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7.2.3、明渠恒定均匀流形成的条件明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡。第23页/共51页

设想在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCD进行分析，则作用于流段上所有外力在流动方向的分量必须相互平衡，即：

因FPI=FP2

。上式表明明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向上的分力相平衡。第24页/共51页_______________________________Hydraulicradiusforwidechannels____________________第25页/共51页1、流量不变，保证无分支均匀流的基本条件必须改变。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第26页/共51页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。第27页/共51页

第28页/共51页7.3明渠均匀流的水力计算

7.3.1计算公式第29页/共51页明渠均匀流则引入正常水深或第30页/共51页7.3.2、明渠均匀流的基本水力计算讨论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。第31页/共51页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，防淤积第32页/共51页计算类型第33页/共51页第34页/共51页试算法：图解法：连同边坡系数m，查表得ho/b第35页/共51页第36页/共51页第37页/共51页边坡系数m=1.0，查表第38页/共51页第39页/共51页第40页/共51页第41页/共51页第42页/共51页1.水力最佳断面7.3.3、明渠均匀流的水力计算的其它问题第43页/共51页因为则第44页/共51页确定最小值存