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1、水力学,第6章 明渠均匀流,6.1 概述,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。,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：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,dz,ds,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,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,1.矩形断面,常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成
2、的渠 混凝土渠 木渠,3.圆形断面,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。,棱柱体渠道,非棱柱体渠道,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,6.2 明渠均匀流,6.2.1 明渠均匀流特性,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,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,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
3、一种概化。,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,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,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）,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）,某渠
4、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。,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,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？,求底坡,例 一矩形断面渡槽，b=2.0m
5、，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。,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。,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,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
6、 Qmax,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,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,6.2.4.2 允许流速,6.2.4.2 允许流速,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。,渠道中杂草可滋生的临界流速一般约 0.5m/s。,渠水冬季结冰的临界流速（北方地区）约 0.6m/s,电站引水渠、航运渠道中的流速还应满足技术经济要求及管理运动要求，参照有关规范选定。,渠道中流速,6.2.4.2 允许流速,复式断面明渠均匀流的水力计算,当渠道流量变化大时，断面形状采用复式断面,水力计算：,把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量,例如，用垂线把断面划分成三部分,水力学学习内容结束请同学们及时复习,
