《第7章 明渠均匀流ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章 明渠均匀流ppt课件.ppt（67页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,第7章 明渠均匀流,2,教学基本要求,1、了解明渠水流的分类和特征、棱柱体渠道的概念； 掌握明渠底坡概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。,2、了解明渠均匀流的特点和形成条件， 掌握明渠均匀流公式，并能应用进行明渠均匀流水力计算。,3、理解水力最佳断面和允许流速的概念， 掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法。,4、掌握明渠均匀流水力设计的类型和计算方法，进行过水能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。,1、明渠均匀流水力计算；,学习重点,3,主要内容,明渠均匀流概述,明渠均匀流的特性和形成条件,明渠均匀流的水力计算,水力最佳断面及允许流速,明渠均匀流的计算公式,无压圆管均匀流的
2、水力计算,复式断面渠道的水力计算,4,（一）明渠均匀流概述,5,明渠：天然的河道、人工渠道。,明渠水流特点：液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。（管流则是压力流）,明渠水流：明渠中流动的液体，是一种具有自由液面的流动，水 流表面压强为大气压，即相对压强为零。,1. 明渠水流概述,6,2. 明渠的底坡,底坡：明渠渠底纵向（沿水流方向） 倾斜的程度，以i表示。,明渠底坡的类型：,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,7,3. 明渠的横断面,明渠的横断面
3、：垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线。,8,9,表 梯形渠道边坡系数m,10,2. 矩形断面,常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠 混凝土渠 木渠,11,3. 圆形断面,12,棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程不变且渠道轴线为直线的渠道,非棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程变化的顺直渠道或渠线弯曲的渠道。,13,（二）明渠均匀流的特性和形成条件,14,1. 明渠均匀流的特性,均速运动,明渠均匀流：流速沿程不变，流线为一系列互相平行的直线，明渠 的水深和断面的流速分布等均沿程不变的流动。,1）过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变；2）过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；3）总水
4、头线、水面线及底坡线三者相互平行，即 ；4）水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=F。,15,2. 明渠均匀流的产生条件,水流应为恒定流。流量沿程不变，即沿程无水流的汇入、汇出 。,必须是底坡不变的正坡明渠（i0 ）。,必须是棱柱体渠道，且糙率沿程不变 。,必须是充分长直且渠道中没有建筑物的局部干扰 。,16,3. 思考题,思考题1：明渠均匀流可能发生在：,A、平坡棱柱形渠道； B 、顺坡棱柱形渠道；,C、逆坡棱柱形渠道； D、都有可能；,A、平坡棱柱形渠道； B 、顺坡棱柱形渠道；,思考题2：非棱柱体渠道中，流线也会是平行直线，故水流也可能 形成均匀流。,A、正确； B 、错误；
5、,A、正确； B 、错误；,思考题3：各种渠道中：平底坡渠道；正底坡、长直渠道；正底坡、棱柱形，长直渠道；正底坡、非棱柱形渠道；逆坡底渠道；能否产生均匀流？为什么？,17,（三）明渠均匀流的计算公式,18,明渠均匀流的计算公式,流量模数K：底坡等于1时的流量,连续方程,谢才公式,曼宁公式,粗糙系数n：反映了河、渠壁面对水流阻力的大小,19,各种人工管渠的n值,对人工管渠糙率选取过大：设计阻力偏大，设计流速则偏小断面尺寸偏大，增加土方开挖量，造成浪费；且由于由于实际流速大于设计流速，可能引起渠道冲刷。糙率选取过小：则达不到设计过水能力，且因实际流速小于设计流速，造成渠道淤积,20,天然河道粗糙系
6、数n河床泥沙、砾石等颗粒细小而光滑则n小河道 断面的不规则、河身的弯曲、滩地上植物种类及数量、河床被水流冲刷程度等因素均影响粗糙系数；粗糙系数沿流程改变，随水位改变；n值的求取:工程实际中根据河道实测水温资料，由流量或流速、断面积求取谢才系数，然后按曼宁公式求取查表：情况良好，n=0.025-0.035； 情况不好，n=0.045-0.060; 杂草丛生，0.075-0.150）,21,（四）水力最佳断面及允许流速,22,1. 水力最佳断面,水力最优断面：指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。,2）水力最优断面的明渠均匀流，通过已知流量时面积最小。工程量最小，过水能力最
7、强。,当i、n、A = 给定 ： Q Qmax R Rmax 或 min,1）水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R 最大，即湿周最小的断面能通过最大的流量。,23,思考题,1、哪个断面的过水能力大？,2、坡度、边壁材料均相同的渠道，当过水断面的面积相等时，明渠均匀流过水断面的平均流速在哪种渠道中最大：A、梯形渠道； B、 半圆形渠道； C、矩形渠道； D、三角形渠道。,B,面积相同的图形中周界最小的断面为圆形。因此明渠水力最优断面形状是半圆形。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，工程中采用接近圆形的梯形断面。,24,i、n、A及m Const,1. 水
8、力最佳断面,梯形断面的水力最优断面,梯形水力最佳断面条件,25,对于矩形断面，,26,水力最佳断面不一定是渠道的实用经济断面。,设计渠道断面时，要从经济和技术方面来考虑，既要考虑水力的最佳断面，但又不能完全受此条件约束。,水力最佳断面与实用经济断面,最优宽深比最优断面面积最优湿周最优水力半径,27,梯形断面的边坡系数 m,梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌，边坡的稳定性及边坡系数m选择由土壤力学性质决定。,28,水力最优断面存在的问题,当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比b/h是唯一的。 水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的。,29,实用经济断面存在可能性,给定A=co
9、nst，绘出 ，由图可见 存在极小值。而在的极小值附近变化十分缓慢，即当有微小变化： ，水深h却有较大的变化范围，因而可从中选择一个合适的宽深比。定义实用经济断面：,30, 不淤允许最小流速, 不冲允许最大流速,2.允许流速,允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。,不冲流速:由土壤的种类、粒径、密实度等决定不淤流速：由水流挟沙量决定。,31,明渠最大设计流速,最小流速要求：v0.3-0.4m/s（避免水草滋生）,32,（五）明渠均匀流的水力计算,33,已知b、h、m、i、n，求Q。由
10、均匀流计算基本公式：,对于梯形断面,代入流量公式可求出Q。,明渠均匀流的水力计算有3种类型：,（1）验算已设计好渠道的输水能力：,34,例题：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 = 67m/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？,过水断面：,湿 周：,水力半径：,谢才系数：,流 量：,渠中水深：,保证电站引用流量下，渠道还可提供用水量：77.467.0 =10.4 m/s,35,（2）设计渠道底坡i,已知Q、n，m，
11、n，h、b、求i,主要用于：下水道（为避免沉积淤塞，要求有一定的自清速度） 、人工运河（控制流速以保障航运） 、渡槽等的计算。,36,渡槽又称高架渠,是一组由桥梁,隧道或沟渠构成的输水系统。用来把远处的水引到水量不足的城镇、农村以供饮用和灌溉。 世界上最早的渡槽诞生于中东和西亚地区。公元前700余年,亚美尼亚已有渡槽。,37,例题： 一矩形渡槽，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 =10.0m/s，槽中水深h =1.8m。 （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
12、 变化规律。,渡槽底坡i:,出口槽底高程：,38,h i 的关系曲线 （流量一定）：,1）i 0 ，h ，平坡不可能出现均匀流 。,2）i 越大，底坡越陡，重力分力越大，流速愈大。,3）正常水深h与底坡i 的关系是：i 增大，h减小。,判断：两条棱柱形渠道的断面形状和尺寸、流量均相同，在糙率n相同，底坡i1i2条件下，肯定有两渠道的正常水深h01h02。,39,（3）设计渠道断面尺寸（ b，h）,已知渠道的设计流量Q、底坡i、边坡系数m和粗糙系数n 求底宽b、h。,补充水力最优条件：,补充允许流速条件：,40,（3）设计渠道断面尺寸（ b，h）,1）底宽b已定，求相应的水深h 。,41,例：
13、其电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采用梯形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道耐冲能力，取边坡系数m为l，根据天然地形，为使挖、填方量最少，选用底坡i为1/800，底宽b为6m，设计流量Q为70m3/s。试计算渠堤高度(要求超高0.5m)。,42,43,例题：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70m/s，确定堤顶高度（超高0.5m）,渠堤高度：h+超高 = 3.3+0.5 = 3.8m,44,（3）设计渠道断面尺寸（ b，h）,2）水深h 已定，求相应的底宽 b 。,设b计算Q，点绘曲线，内插求b 。,45,解：查表，
14、对于刮泥刀做平的混凝土预制构件，n0.013。,例：某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土(用刮泥刀做平)预制构件拼接成矩形断面，根据渡槽两端渠道尺寸及渠底高，初步拟定渡槽的底坡i为1/1000，水深h为3.5m，设计流量Q为31m3s。试计算渠道底宽b。,46,47,3)按水力最优断面的条件，设计断面尺寸b和h,已知n、m、i、Q、h（或b），求b（或h），需计算求解。,4)已知： m、n、i、Q、vmax ,求b、h,（3）设计渠道断面尺寸（ b，h）,48,已知：一梯形断面中壤土渠道，渠中通过的流Q=5m/s，边坡系数m=1.0，粗糙系数n=0.020 ，底坡i=0.0002。试求：1）按水
15、力最优条件设计断面； 2）若宽深比b/h=2来设计断面，渠中流速是否满足不冲条件。,解：1）水力最优,b=1.980.83m=1.64m,49,中壤土渠道不冲流速为0.64-0.84m/s ，所以渠道满足不冲条件。,2）渠中流速是否满足不冲条件,50,（六）无压圆管均匀流的水力计算,51,一、无压圆管均匀流的水力特性,无压圆管过水断面,非满流的圆形管道，常用作城市排水管道中的污水管道、雨水管道以及无压涵管。1、无压圆管均匀流的水流特征：属明渠均匀流：J=Jp=i； Q=Qmax 发生在满流之前。 即水力最优断面的充满度,52,一、无压圆管均匀流的水力特性 2、无压圆管均匀流的水力要素,无压圆管
16、过水断面,充满度充满角水深过水断面湿周水力半径,53,表 不同充满度时无压圆管形管道的水力要素,54,3.无压圆管流的无因次流量与流速,称为无压圆管均匀流的无因次流速， 为无因次流量。式中不代下标和代有下标“0”的各量分别表示圆管内不满流 （1）和恰好满流（=1）时所对应的各流动参量。,55,当=0.95时，,此时通过的流量最大，为恰好满流时流量的1.087倍,当=0.81时，,此时管中的流速达到最大，为恰好满流时的1.16倍。,最大流量：,最大流速：,原因： 随着充满度的增大，圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同。水力半径R在=0.81时达到最大值，根据谢才公式可以知道其流速也达到最大值；
17、其后，虽然水力半径R有所减小，但是过水断面面积A继续增大，所以流量继续增大；当达到0.95之后，湿周（阻力）增加的速率超过了A的增加速率，从而使流量有所降低。,当 Q=QMax ，VVmax,56, 校核过流能力：已知d, n, 和i, 求Q 设计底坡：已知Q, d, n, ，求 i 设计d：已知Q, n, i和 ，求d 这类问题必须试算。,二.无压圆管均匀流的水力计算,1、计算类型,57,2.无压圆管设计规范,污水管道按不满流计算（污水管的最大设计充满度）,污水管道应按不满流计算。,雨水管道和合流管应按满流计算排水管的最大设计流速：金属管为10m/s,非金属管为5m/s.排水管的最小设计流速
18、：对污水管道（在设计充满度下），当管径500mm时，为0.7m/s;当管径500mm, 为0.8m/s。在实际工作中可参阅有关手册与规范。,58,已知：某圆形污水管道，管径为600mm，管壁粗糙系数为0.014，管道底坡为0.0024.求最大设计充满度时的流速和流量,解：,查表7-8管径d=600mm的污水管最大设计充满度为,查表7-7充满度a=0.75时，过水断面上的水力要素,59,已知：圆形管道的直径为1m，管壁粗糙系数为0.013，管道底坡为0.0036，求水深为0.7m时的流速和流量,解法1：查图法,先计算满管流时的流量Q0和流速v0,查图7-8，当=0.7时，查得A=0.8，B=1.
19、12，因次,60,解法2：查表,查表7-7充满度a=0.7时，过水断面上的水力要素,61,当通过渠道的流量变化范围比较大时，渠道的断面形状常采用复式断面。 复式断面明渠均匀流流量的计算，一般先将复式断面划分成几个部分，分别计算其流量：,（七）复式断面明渠均匀流的水力计算,62,注意：计算各部分湿周时，不要把两垂直分界线计入,63,64,65,典型习题分析,2、水力最优断面是：A、 造价最低的渠道断面；B、壁面粗糙系数最小的端面；C、对一定的流量具有最大断面积的断面；D、对一定的面积具有最小湿周的断面。,1、明渠均匀流可能发生在：A、平坡棱柱形渠道； B、 顺坡棱柱形渠道； C、逆坡棱柱形渠道；
20、 D、都有可能。,3水力最优矩形断面，宽深比是：A、 0.5； B、 1.0； C、 2； D、 4。,B,D,C,66,4.在流量一定，渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙一定时，随底坡的增大，正常水深将：,A、增大 B、减小 C、不变,A、增大 B、减小 C、不变,5.水力最优断面有何特点？它是否一定是渠道设计中的最佳断面？为什么？,水力最优断面的水力半径是水深的一半 ,是一种窄深式断面，施工开挖、维修管理都不经济，所以它只是水力最优，不一定是设计中的最佳断面。,6.水力最优的明渠均匀流的水深增大一倍，渠宽减小一倍，其他条件不变，渠道中的流量将：,A、增大 B、减小 C、不变,A、增大 B、减小 C、不变 D、不定,67,7.在无压圆管均匀流中，如其他条件不变，正确的结论是：,A、流量随充满度增大而增大 B、流速随充满度增大而增大,C、流量随水力坡度增大而增大 D、三种说法均不对,C,
