第五章明渠恒定均匀流ppsjsp

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：非恒定流必定是非均匀流管流：非恒定管流可以是均匀流

一、河渠的纵断面和底坡底坡是指沿水流方向单位长度内的渠底高程降落值，以i表示。

5.1明渠的几何特性

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。当底坡较小（θ<10°时），可用平距代替斜长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

dzdsdL根据底坡的正负，可将明渠底坡分为如下三种类型：

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dzdsdL二、河渠的横断面与渠底中心线垂直的铅垂平面与渠底及侧壁的交线构成明渠的横断面。天然河道的横断面多为不规则形状人工渠道的横断面形状比较规则，常见的有梯形、矩形、U型，圆形、马蹄形等。对梯形断面过水断面湿周水面宽度宽深比渠道分类

棱柱体渠道

非棱柱体渠道

渠道按横断面形状尺寸是否沿程变化可分为三、棱柱体明渠和非棱柱体明渠

棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。轴线顺直断面规则的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。常见的非棱柱体明渠是渐变段。

棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道顺直糙率例如，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

一、明渠均匀流的产生条件①过水断面形状和尺寸、流速、流量、水深沿程不变。②流线是相互平行的直线，流动过程中只有沿程水头损失，而没有局部水头损失。③由于水深沿程不变，故水面线与渠底线相互平行。④断面平均流速及流速水头沿程不变，测压管水头线与总水头线相互平行。⑤明渠均匀流的底坡线、水面线、总水头线三者相互平行，即渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相等。产生条件可归纳为水流为恒定流，流量、粗糙系数沿程不变，没有渠系建筑物干扰的长直棱柱体正坡明渠5.2明渠均匀流的特点和产生条件

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。

5.3明渠均匀流的计算公式一、基本计算公式：①谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式②连续方程

1769年谢才（A.Chezy）

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。对于明渠均匀流，A

为过水面积，则

式中，为流量模数

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）

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：糙率因此，在i、n已定条件下，一、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5.4水力最佳断面及允许流速水力最佳断面的一般条件均匀流计算公式

当i、n、A=给定

→

minR→RmaxQ→Qmax

消去，则

式中，βm

为梯形最佳断面的宽深比

二、允许流速保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值

渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务(如通航、水电站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性质，水流含沙量的多少及运行管理上的要求而确定的技术上可靠，经济上合理的流速。1、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，可查阅有关水力设计手册。

不淤流速v’’

渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。

由均匀流公式

式中，有6个变量（含Q）

一、计算方法

5.5明渠均匀的水力计算式中，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，求解另一个二、计算类型

一类是对已建成的渠道。根据生产运行要求，进行某些必要的水力计算。如校核已成渠槽的输水能力，即已知渠道的断面形状尺寸、水深、底坡、粗糙系数，求渠道能通过的流量；或者对某段渠道测定流量，计算粗糙系数。一般都可直接计算。另一类是设计新渠槽。主要有下列情况：①已知流量、断面形状尺寸、水深以及粗糙系数，要求确定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系数，要求确定渠道的断面尺寸。一般要进行试算求解。试算求解方法：1、试算——图解法以求正常水深为例来介绍试算法。试算法的主要内容是：假设若干个水深值，代入基本公式计算相应的流量值。若所得的值与已知流量相等，则这个相应的值即为所求，否则，继续试算，直到算到与已知流量相等为止。在实际试算过程中，为了减少试算工作量，常常假设3～5个水深值，求出3～5个相应的流量值，这些求出的流量值必须把已知流量值包含在中间。然后，绘出曲线，利用该曲线可确定出与已知流量相对应的水深值，即在曲线上根据已知流量值对应地查出值，该值即为所求。

由于试算法工作量大，比较繁琐。为了简化计算，工程中已制成了许多图，已备查用，见附图Ⅰ、Ⅱ。查图法的优点是不用内插；缺点是查曲线图费视力，同时，因图幅小，图中曲线的某些部分精度差甚至查不出。因此，为保证查图结果的可靠，一般可将查图结果再回代检验。电算解法具有速度快，精度高，应用方便的优点，在实际工作中正在逐步普及。电算解法根据其计算方法常用的有二分法、牛顿法、迭代法2、查图法3、电算解法例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

设计新断面：已知Q、i、n，b、m，即已知底宽求水深h

，需试算求解将代入并整理得

式中，Q、b、m、n及i已知，h为待求量。

上式含h的高次隐函数，不可直接求解渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

将b、i、m代入

化简

计算过程

例一梯形断面，m=1.0，浆砌石砌护n=0.025，i=1/800，b=6.0m，设计流量70m3/s，确定堤顶高度（超高0.5m）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正常水深的迭代计算法

化简成迭代公式:

迭代计算:假定一个初始hi值,

得到hi+1,当hi+1-hi满足精度时,

h=hi+1迭代初值为：渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

将m=1.0，n=0.025，i=1/800，b