第6章明渠流动课件

水力学第6章明渠均匀流第6章明渠流动

明渠

一种人工修建、或自然形成的渠

明渠流

水流通过明渠时，有自由面（液面为大气压强）。这种水流称明渠水流，或无压流。

§6.1概述第6章明渠流动明渠恒定流

明渠流中的水力要素（时均值）均不随时间变化，称明渠恒定流，否则称明渠非恒定流。第6章明渠流动明渠均匀流

明渠流中，流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不变。

第6章明渠流动

明渠流与有压流区别

自由液面明渠流：有自由面,随时空变化,呈现各种水面形态管流：无自由液面

非恒定均匀流明渠流：非恒定流必是非均匀流管流：非恒定管流可以是均匀流

第6章明渠流动

明渠断面形状、尺寸、底坡对水流运动有重要影响。因此，要了解明渠水流运动的规律，首先必须了解明渠类型及其水力要素等。

第6章明渠流动6.1.1明渠底坡

沿水流方向单位渠道长度，对应的渠底高程降落值，其表示渠底纵向倾斜程度，以符号i表示。式中：θ：渠底与水平面夹角

ds：两断面的间距

dz：两断面的渠底高程差

dzds第6章明渠流动

明渠底坡有三种类型

正坡i

>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不变负坡i<0渠底高程沿流程增加

i>0

i=0

i<0

第6章明渠流动6.1.2棱柱形渠道与非棱柱形渠道明渠的横断面垂直于渠道壁面的平面与水流的接触面人工明渠横断面天然河道第6章明渠流动6.1.2.1明渠的横断面

人工明渠横断面

通常有矩形、梯形、圆形、马蹄形断面等形式

第6章明渠流动1.矩形断面

水面宽度

过水面积

湿周

水力半径

常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠混凝土渠木渠

hb第6章明渠流动2.

梯形断面：

水面宽度

B=b+2mh

过水面积湿周水力半径Bhb1m

土基上的渠第6章明渠流动3.

圆形断面

水面宽度

过水面积

湿周

水力半径用于无压隧洞dhθ第6章明渠流动

河道横断面

河道横断面形状不规则，分主槽和滩地两部分枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地

滩地主槽第6章明渠流动河道横断面

天然河道的横断面形状不规则，由主槽与滩地组成。其一般是非棱柱体；若断面变化不大，又较平顺，可近似作为棱柱体渠道。

滩地主槽第6章明渠流动渠道分类

棱柱体渠道

非棱柱体渠道

6.1.2.3渠道的分类第6章明渠流动

棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道不弯曲糙率例如，人工开凿的大部分渠道

沿程不变非棱柱体（纽面）棱柱体

非棱柱体

112233棱柱体

第6章明渠流动非棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道弯曲糙率例如，天然河道人工渠道连接段（扭面）沿程改变非棱柱体（纽面）棱柱体

非棱柱体

112233棱柱体

第6章明渠流动非棱柱体（纽面）棱柱体

非棱柱体

112233棱柱体

332211第6章明渠流动6.2.1明渠均匀流的水力特征

过水断面形状、尺寸、水深沿程不变

断面流速分布断面平均流速流量动能修正系数等沿程不变§6.2明渠均匀流第6章明渠流动

过水断面形状、尺寸、水深沿程不变

断面流速分布断面平均流速流量动能修正系数等沿程不变

底坡、水面坡度、总水头线互相平行

6.2.1明渠均匀流特性

第6章明渠流动θihhJJzvv

底坡、水面坡度、总水头线互相平行第6章明渠流动6.2.2明渠均匀流的形成条件

充分必要条件力学条件渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）能量条件水面下降值始终等于水头损失第6章明渠流动

必要条件

恒定流流量沿程不变（无分叉和汇流情况）渠道为长、直的棱柱体顺坡渠渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰底坡、糙率沿程不变

第6章明渠流动

实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。第6章明渠流动

近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期第6章明渠流动图明渠中的流动均匀流段非均匀流段非均匀流段

离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流第6章明渠流动6.2.3明渠均匀流的水力计算

6.2.3.1基本公式由谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式

第6章明渠流动

1769年

在总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式－谢才公式，以后又有确定谢才系数的满宁公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。谢才（A.Chezy）第6章明渠流动对于明渠均匀流，A

为过水面积，则

式中，为流量模数第6章明渠流动

综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度为1时的流量（当i=1时，Q=K）。单位：（m3/s）

第6章明渠流动谢才系数C

反映断面形状、尺寸和边壁粗糙程度的一个综合系数。常用曼宁公式计算R：水力半径，以米（m）计n：糙率第6章明渠流动

注意选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏小，对实际输水能力影响较大。第6章明渠流动

某渠设计时选n=0.015，竣工后实测0.016。设计水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大，可能造成水漫渠顶事故。第6章明渠流动

各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.04~0.05野草丛生的砂壤土或砾石渠面0.033~0.04散布粗石块的土渠面0.025~0.030砾石（直径20~60mm）渠面0.017~0.020夯实光滑的土面土渠：

n

渠道衬砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流动

各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.05~0.065粗劣的极不规则的凿岩渠0.04~0.05细致开爆的凿岩渠0.033~0.040中等粗糙的凿岩渠0.025~0.035光滑而均匀石渠：

n

渠道衬砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流动

各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.025~0.035干砌块石渠0.020~0.025粗糙的浆砌碎石渠0.017~0.023浆砌块石0.013~0.017整齐勾缝的浆砌方石圬工渠：

n

渠道衬砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流动

各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.020~0.025喷浆表面不整齐的混凝土0.018~0.023喷浆粗劣的混凝土衬砌0.0155~0.0165表面较光的刮平混凝土0.01~0.011水泥浆抹光，钢模混凝土混凝土渠：

n

渠道衬砌材料表人工渠道的糙率

第6章明渠流动

由均匀流公式

式中，有6个变量（含Q）

6.2.3.2计算方法

第6章明渠流动式中，共有六个变量（含Q）

边坡系数m和糙率n一般根据土质、或衬砌材料用经验法确定

水力计算任务给定Q、b、h、i中三个，求解另一个第6章明渠流动计算类型

校核渠道的过流能力

求水深

求底宽

求底坡

设计断面尺寸第6章明渠流动

校核渠道的过流能力

已知断面形状、b、h、m、底坡i、糙率n校核流量Q第6章明渠流动

一电站已建引水渠为梯形断面，m=1.5，底宽b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤顶高程差为3.2m，电站引水流量Q=67m3/s。因工业发展需要，要求渠道供给工业用水。试计算超高0.5m条件下，除电站引用流量外,还能供给工业用水若干？b3.2超高m=1.5第6章明渠流动渠中水深

过水断面

湿周水力半径谢才系数流量保证电站引用流量下，渠道还可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/sb3.2超高m=1.5第6章明渠流动

求底坡已知Q、n，m，n，h、b、求i

方法：直接计算

第6章明渠流动

求底坡例一矩形断面渡槽，b=2.0m，槽长l=120.m进口处槽底高程z1=50.0m，槽身为预制混凝土n=0.013，设计流量Q=10.0m3/s，槽中水深为h=1.8m。试求：（1）求渡槽出口底部高程z？（2）当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深随底坡的变化规律。第6章明渠流动解

求渡槽底坡i:

出口槽底高程第6章明渠流动

设计断面尺寸已知Q、v、i、n，m，设计渠道断面尺寸问题分析

为已知

h，b为待求的未知数。

两个方程可解出两个未知数h，b

第6章明渠流动例一梯形渠道，流量Q=19.6m3/s，流速v=1.45m/s，m=1.0，糙率n=0.02，i=0.0007，试求渠道断面b及h。

m/s第6章明渠流动因此，在i、n已定条件下，6.2.4.1水力最佳断面底坡i：

根据地形条件、技术条件考虑选定糙率n：取决于渠壁材料断面形状和尺寸断面形状和尺寸第6章明渠流动6.2.4.1水力最佳断面水力最佳断面：仅从水力条件出发，渠道最经济断面

当Q=一定，要求：A→Amin

当A=一定，要求：Q→Qmax第6章明渠流动水力最佳断面的一般条件均匀流算公式

当i、n、A=给定

→

minR→RmaxQ→Qmax

第6章明渠流动最佳断面形状：半圆形原因：由几何学，面积相同图形中，周界最小的断面为圆形。因此，明渠最佳断面形状是半圆形。例如，预制钢筋混凝土、钢丝网水泥渡槽等，但土渠难挖成半圆形，且两岸边坡不稳定。从地质和施工条件考虑，工程中接近圆形断面形状的为梯形断面

第6章明渠流动6.2.4.2允许流速保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值

第6章明渠流动6.2.4.2允许流速不冲流速v’

渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深