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1、明渠均匀流,第一节 概 述,第二节 明渠均匀流特性及公式,第三节 水力最佳断面及允许流速,第四节 无压圆管均匀流,基本内容1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，并能应用它来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，学会正确选择明渠的糙率n值。4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。,教学内容、重点及难点,第一节 概 述,明渠是人工修建或自然形成的具
2、有自由表面的渠槽。,明渠水流分类：,明渠恒定流,明渠非恒定流,明渠均匀流,明渠非均匀流,明渠非均匀流,无,A,A,Q,Cross section A-A,人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流.,明渠流与有压流区别,有压管流： 具有封闭的湿周； 压力是流动的主要动力。明渠流： 具有自由水面（即水面压强为大气压）； 重力是流动的主要动力； 明渠水面线即测压管水头线,一、明渠横断面,1.天然河道的横断面,呈不规则形状，分主槽和滩地,枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地,断面确定：根据地质条件,2.人工明渠的横断面,据渠道的断面形状分:,梯形、矩形、圆形、抛物线形等,h,b,岩石
3、中开凿或条石砌筑或混凝土渠或木渠 矩形排水管道或无压隧道 圆形土质地基 梯形,渠道底宽 b渠中水深 h水面宽度 B过水断面面积 A水力半径 R断面宽深比 ,边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离,m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表,二、明渠底坡,底坡i 渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡, 渠底线与水平线之间的夹角 如果用水平距离代替实际距离， 用垂直水深代替实际水深,明渠底坡有三种类型,正（顺）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（逆）坡 i 0 渠底高程沿流程增加,i 0,i = 0,i 0,三、明渠的分类,按断面形状、尺寸是否
4、沿程变化分,棱柱体明渠、非棱柱体明渠,第二节 明渠均匀流特性 及基本公式,一、明渠均匀流的特性,（1） 过水断面形状、尺寸、水深沿程不变，流速分布、 平均流速均沿程不变,（2）总水头线、水面线、渠底线三线平行,J = Jp = i,（3）摩擦阻力与重力分量相平衡,Gsin = FT,i,h,h,J,Jp,二、明渠均匀流的形成条件,水流恒定，流量沿程不变,正坡，底坡沿程不变,棱柱体渠道，糙率沿程不变,明渠足够长直，不受干扰,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 天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期,三、明渠均匀流基本公式
5、,基本公式,1),2),量 纲,流 量,流量模数,谢才公式,谢才系数,恒定均匀流,谢才公式适用条件 :,阻力平方区 i 0 单位 m.s,?,糙率 n 值的确定,天然河道中影响糙率 n 值的因素 河床表面粗糙 断面的不规则、平弯情况、 滩地交叉、河道阻碍情况 河堤沙坡影响随水深变化,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。,第三节 水力最佳断面 及允许流速,一、明渠水力最优断面,水力最佳断面：过流断面的面积、糙率、底坡一定, 通过的流量最大的断面形状当 Q = 一定，要求：A Amin 当 A = 一定，要求：Q Qmax,面积、糙率、底坡一定, 流量最
6、大,要求R最大,半圆形断面为水力最佳断面。,梯形断面的最佳宽深比，Rm = hm / 2,矩形断面的最佳宽深比，bm = 2 hm,“水力最佳”不是 “技术经济最佳”,综合考虑水力最佳断面不太合理,例如,一般土渠边坡m 1， m 1，是深窄形断面，需深挖高填，造成施工不便、维护管理困难；水深变化大，给通航和灌溉带来不便，经济上反而不利。因此，限制了水力最佳断面在实际中应用.,保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值,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。,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，
7、可查阅有关水利设计手册。,二、允许流速,梯形断面最佳宽深比,根据已知的Q, i, n, m和 b = 0.61h, 得:,水力最佳断面,【例】一条路基排水沟，底坡i=0.005; n=0.025, m=1.5; 要求通过流量 ,试按水力最佳断面 的原理求出此排水沟的底宽和水深。,【解】,1.允许流速,上述两组数据无实际意义。,由：,又：,或,【例】试按允许流速和水力最优条件，分别设计一土质为细砂土的梯形断面渠道的断面尺寸，并考虑渠道是否需要加固。已知设计流量：,【解】,2.按水力最优,验算,需要加固,又水力最优时：,第四节 明渠均匀流的 水力计算,校核过流能力问题 Q 设计渠槽的 底坡 i 设
8、计渠槽断面尺寸 b h,校核渠道输水能力 已知 m b h n i,求Q,【例】,设计渠槽的底坡i 已知 m b h n Q,求i,设计渠槽断面尺寸 已知 Q m n i,求b h,例如，边坡为混凝土护面，底部为浆砌卵石的渠道,明渠断面周界上糙率不同的明渠均匀流,n1 ,1,n2 ,2,天然河道主槽与河滩糙率不同,主 槽,滩 地,引入综合糙率nr，其他计算同前,当渠道流量变化大时，断面形状采用复式断面,复式断面明渠均匀流的水力计算,例如，水位刚刚漫上浅滩（第二个台阶）时，湿周突然增大，过水面积变化小，计算流量会突然减小，小于实际流量。,糟率沿湿周可能不变，也可能变化，视具体情况而定，由于水深变
9、化引起湿周变化可能是不连续的，对于复式断面渠道，不能用综合糙率来计算流量。,实际流量,h,Q,计算流量,把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量,用垂线把断面划分成三部分，注意：计算各部分湿周时，不要把两垂直分界线计入。,水力计算：,无压圆管是指不满流的长管道，如污水管道、雨水管道、无压长涵管等,第五节 无压圆管均匀流,无压圆管均匀流过水断面的水力要素,一、充满度,满流,非满流,二、无压圆管的最佳充满度,水力最佳发生在非满流时 （满流之前）,相对流量、相对流速无量纲曲线,面积A和湿周随着水深的变化趋势不同,最大设计充满度管径 d/mm 或暗渠 H/mm 最大设计充满度 150-300 0.6
10、 350-450 0.7 500-900 0.75 1000 0.8,本章作业,习题 6.1，习题 6.2，习题 6.10，习题 6.8,第七章 明渠水流的流态 及其转换,第一节 缓流和急流,第二节 流态判别的方法,第三节 水跃和水跌,第一节 缓流和急流,缓流：,水流徐缓，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能逆流上传至较远地方。,常见于底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。,急流：,水流湍急，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，对上游来流无影响。,常见于山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。,第二节 流态判别方法：,1、波速（c）法、水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。,静止
11、水 V=0,运动水 V,2、弗劳德数法,弗劳德数：, 表征动能, 缓流, 急流,临界流,3、 断面比能法,z0,h cos,h,z,z0,0,0,v,Q,上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面， 过水断面单位液重的总能量为,当底坡（6）较小的渠道，cos1，则,式中，E s 为断面比能（断面单位能量）,比较,z0,h cos,h,z,z0,0,0,v,Q,E 和 Es 两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关 流量一定时，Es 是断面形状、尺寸的函数 当流量和断面形状一定时，Es 是水深函数 例如，均匀流,断面比能曲线,渐近线1： 横坐标为渐近线,渐近线2： 坐标轴成45直线,当 , 流态为临界
12、流,当 , 流态为临界流,临界流方程,或,Hk 为临界水深,缓流,急流,缓流,急流,h,Es min,hk,Es,临界流,断面比能的变化规律,h1,h2,Es2,Es1,h,hk,Es,h1,h2,Es2,Es1,4、临界水深及其计算,临界流方程,矩形断面明渠,任意断面的明渠,为含hk 的高次隐函数式，不能直接求解hk,试算法、试算图解法,Hk 与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n、i 无关,在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量一定时，均匀流正常水深 h0= hk 时，所对应的渠底底坡称为临界底坡ik。,临界底坡是一个假想底坡，与渠道实际底坡无关，仅与渠道流量Q、糙率n、断面形状尺寸有关.,
13、5、临界坡度法,由：,在上述三种底坡上，水可以作均匀流动，也可以作非均匀流动，如作非均匀流动，则：,【例】有一矩形长渠道，已知流量Q25m3/s，渠宽b5m，糙率n0.025，底坡i0.0005。试用三种方法判别该渠道在均匀流时的流态。,讨论：流态判定的几种方法,【解】,缓流,又,2 105 81 10.73 205 132 26.554.1 20.55 13.22 27.504.2 215 13.42 28.33,【解】,缓流,取,缓流,缓流,【解】,【解】,第三节 水跃和水跌, 为明渠水流的流态发生转化时 出现的局部水力现象,水跃：,急流到缓流时水面突然跃起的局部水力现象。,常发生于闸、坝
14、及陡槽等泄水建筑物下游。,水跃是明渠非均匀急变流的重要现象，增加了上、下游水流衔接的复杂性，还引起大量的能量损失，可以利用这一特点，进行下泄水流的消能，以减免对河床的冲刷。,水跃流动特征,水跃上部：水面剧烈回旋的表面旋滚区,表面旋滚区与下部主流区附近大量质量、动量交换，紊动掺混极为强烈,界面上形成横向流速梯度很大的剪切层.,将表面水滚的首端称为跃首（跃前水深h1），尾端称为跃尾（跃后水深h2），首尾间距离称为跃长L，高差为跃高a，跃首与跃尾的水深称为共轭水深。,1,2,h1,2,i = 0,K,K,hk,h2,a,Lj,1,流速分布不均匀,用 途,水跃区中流速分布急剧变化，水体剧烈旋转、掺混和
15、强烈紊动，使得水流内部摩擦加剧，因而水流的机械能大量损失.实验表明，水跃区中单位机械能损失可达 20%80%。,水利工程中常用水跃消能.保护河床免受急流冲刷、淘刷,水跌：,缓流到急流时水面急剧降落的局部水力现象。,常发生于下游渠底坡度变陡、或下游渠道断面形状突然改变时。,如图，缓坡渠道 后接一陡槽，水 流经过连接断面 时的水深可以认 为是临界水深， 水跌发生流态转 换时，在转换处 通过临界水深， 但水面是连接面，不同于水跃表面漩滚形成的不连续面。水流在跌坎上自由跌落的水力现象，水流是以水舌形式通过跌坎下跌，跌坎上游是缓流，而坎后水舌是急流，跌坎前后发生流态转变，跌坎处是临界水深。,56,Thank you!,
