水力學(xué)明渠恒定均勻流教學(xué)課件PPT

1、水力學(xué)水力學(xué) 合肥工業(yè)大學(xué)合肥工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 主講：曹廣學(xué)主講：曹廣學(xué) 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 本章內(nèi)容介紹本章內(nèi)容介紹: : 5.1 5.1 明渠的類(lèi)型明渠的類(lèi)型 5.2 5.2 明渠均勻流的特征及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特征及其產(chǎn)生條件 5.3 5.3 明渠均勻流計(jì)算公式明渠均勻流計(jì)算公式( (基本公式基本公式) ) 5.4 5.4 水力最佳斷面及允許流速明渠均勻流水力計(jì)算水力最佳斷面及允許流速明渠均勻流水力計(jì)算( (計(jì)算類(lèi)型計(jì)算類(lèi)型) ) 5.5 5.5 粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠水力計(jì)算粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠水力計(jì)算 重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌

2、握: : 1 1、明渠均勻流特征及其產(chǎn)生條件、明渠均勻流特征及其產(chǎn)生條件 2 2、水力最佳斷面、水力最佳斷面 3 3、明渠均勻流計(jì)算類(lèi)型、明渠均勻流計(jì)算類(lèi)型 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠是一種具有自由表面的水流渠道明渠是一種具有自由表面的水流渠道, ,根據(jù)它形成方根據(jù)它形成方 式不同可分為天然明渠和人工明渠。式不同可分為天然明渠和人工明渠。 輸水渠道，無(wú)壓隧洞，渡槽，涵洞為人工明渠；天然河輸水渠道，無(wú)壓隧洞，渡槽，涵洞為人工明渠；天然河 道屬于天然明渠。道屬于天然明渠。 明渠水流由于有自由表面，表面上各點(diǎn)受到大氣壓強(qiáng)的明渠水流由于有自由表面，表面上各點(diǎn)受到大氣壓強(qiáng)的 作用，相對(duì)

3、壓強(qiáng)為零，明渠水流為無(wú)壓流。作用，相對(duì)壓強(qiáng)為零，明渠水流為無(wú)壓流。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠水流的分類(lèi)：根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素的變化情況和流線情況，明渠水流的分類(lèi)：根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素的變化情況和流線情況， 明渠水流可分為恒定流和非恒定流；均勻流和非均勻流。明渠水流可分為恒定流和非恒定流；均勻流和非均勻流。 明渠中水流運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變化時(shí)，稱(chēng)為明渠恒定流，明渠中水流運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變化時(shí)，稱(chēng)為明渠恒定流， 否則稱(chēng)為非恒定流。否則稱(chēng)為非恒定流。 明渠恒定流中，如果流線是一簇平行直線，則水深、斷面明渠恒定流中，如果流線是一簇平行直線，則水深、斷面 平均流速及流速分布均沿程不變，稱(chēng)為明渠恒定

4、均勻流，平均流速及流速分布均沿程不變，稱(chēng)為明渠恒定均勻流， 如果流線不是平行直線，則稱(chēng)為明渠恒定非均勻流。如果流線不是平行直線，則稱(chēng)為明渠恒定非均勻流。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠恒定均勻流的受力情況明渠恒定均勻流的受力情況 在產(chǎn)生均勻流的明渠中取一 單位長(zhǎng)度的流段abcd分析 a b c d g 1、流段水體重為g 2、周界的摩阻力為ff 3、流段兩端的動(dòng)水壓力為fp1,fp2, 作用于流段上的外力在流動(dòng)方向上的分力的合力等于零 ff fp1 fp2 gsin 12 sin0 ppf fgff 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠恒定均

5、勻流明渠恒定均勻流 a b c d g ff fp1 fp2 gsin sin f fg 上式表明：明渠均勻流 中摩阻力ff與水流重力 在流動(dòng)方向上的分力平 衡。 當(dāng)： 明渠產(chǎn)生非均勻流。 sin f fg 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 前面分析了明渠產(chǎn)生均勻流所要求的力的條件是摩阻力前面分析了明渠產(chǎn)生均勻流所要求的力的條件是摩阻力 與重力在水流方向上的分力相等，下面分析明渠斷面幾何與重力在水流方向上的分力相等，下面分析明渠斷面幾何 條件對(duì)水流流動(dòng)狀態(tài)的影響。條件對(duì)水流流動(dòng)狀態(tài)的影響。 橫斷面橫斷面: :由過(guò)渠道中心線垂直

6、的鉛垂面與渠底及渠壁的交由過(guò)渠道中心線垂直的鉛垂面與渠底及渠壁的交 線構(gòu)成。線構(gòu)成。 過(guò)水?dāng)嗝孢^(guò)水?dāng)嗝? : 指與流向相垂直的斷面，指與流向相垂直的斷面， 除了包括渠道輪廓外還包括水面輪廓。除了包括渠道輪廓外還包括水面輪廓。 一般來(lái)講，過(guò)水?dāng)嗝媾c渠底平面相垂直，一般來(lái)講，過(guò)水?dāng)嗝媾c渠底平面相垂直， 與鉛垂面之間形成夾角與鉛垂面之間形成夾角。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 人工明渠的橫斷面，通常作成對(duì)稱(chēng)的幾何形狀。例如常人工明渠的橫斷面，通常作成對(duì)稱(chēng)的幾何形狀。例如常 見(jiàn)的梯形、矩形或圓形等。至于河道的橫斷面，則常呈不見(jiàn)的梯

7、形、矩形或圓形等。至于河道的橫斷面，則常呈不 規(guī)則的形狀。規(guī)則的形狀。 而根據(jù)渠道的斷面形狀、尺寸，就可以計(jì)算渠道過(guò)水而根據(jù)渠道的斷面形狀、尺寸，就可以計(jì)算渠道過(guò)水 斷面的水力要素。斷面的水力要素。 邊坡系數(shù)：梯形斷面兩側(cè)邊坡系數(shù)：梯形斷面兩側(cè) 傾斜程度用邊坡系數(shù)來(lái)表示：傾斜程度用邊坡系數(shù)來(lái)表示： cotm 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其過(guò)水?dāng)嗝娴闹T水力要素工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其過(guò)水?dāng)嗝娴闹T水力要素 關(guān)系如下：關(guān)系如下： 水面寬度：水面寬度： b=b+2mh 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：過(guò)水?dāng)嗝婷娣e

8、：a=(b+mh)h 濕周：濕周： 水力半徑：水力半徑： 2 12mhb 2 () 21 abmh h r bhm (2 ) , b bm h h 2 ()am h 2 (2 1)mh 2 () 2 1 m h r m 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 棱柱體渠道和非棱柱體渠道棱柱體渠道和非棱柱體渠道 按渠道橫斷面形狀和尺寸沿流程是否變化來(lái)劃分。凡是按渠道橫斷面形狀和尺寸沿流程是否變化來(lái)劃分。凡是 斷面形狀及尺寸及底坡沿程不變的長(zhǎng)直渠道稱(chēng)為棱柱體渠斷面形狀及尺寸及底坡沿程不變的長(zhǎng)直渠道稱(chēng)為棱柱體渠 道，反之稱(chēng)為非棱柱體渠道。道

9、，反之稱(chēng)為非棱柱體渠道。 非棱柱體渠道由于斷面形狀非棱柱體渠道由于斷面形狀 底坡發(fā)生變化，流線不是平行底坡發(fā)生變化，流線不是平行 直線，所以不可能產(chǎn)生均勻流。直線，所以不可能產(chǎn)生均勻流。 1-11-1斷面斷面 2-22-2斷面斷面 3-33-3斷面斷面 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 底坡：明渠渠底縱向傾斜的程度稱(chēng)為底坡：明渠渠底縱向傾斜的程度稱(chēng)為 底坡。以符號(hào)底坡。以符號(hào)i 表示，表示，i 等于渠底線與水等于渠底線與水 平線夾角平線夾角 正弦即正弦即isin。 順坡：順坡： i0i0，明槽槽底沿程降低者稱(chēng)為正坡或順坡。，明

10、槽槽底沿程降低者稱(chēng)為正坡或順坡。 平坡：平坡： i=0i=0，明槽槽底高程沿程不變者稱(chēng)為平坡。，明槽槽底高程沿程不變者稱(chēng)為平坡。 逆坡：逆坡： i0i0，明槽槽底沿程增高者稱(chēng)為反坡或逆坡。，明槽槽底沿程增高者稱(chēng)為反坡或逆坡。 12 sin o dzzz i lds 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類(lèi)型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 平坡和逆坡時(shí)都不能產(chǎn)生均勻流，只平坡和逆坡時(shí)都不能產(chǎn)生均勻流，只 有順坡時(shí)才有可能。因?yàn)橛许樒聲r(shí)才有可能。因?yàn)?sin0g 平坡時(shí)：平坡時(shí)： 逆坡時(shí)：逆坡時(shí)： 的方向與摩阻的方向與摩阻 力方向相同，不可能有等式：力方向相同，不可能有

11、等式： sing sin f gf 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 習(xí)題：習(xí)題：5.1, 5.3, 5.5, 5.10, 5.14, 5.16 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件 1 1、 均勻流過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變均勻流過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不?2 2、過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植己蛿嗝嫫骄魉傺亓鞒滩蛔冞^(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植己蛿嗝嫫骄魉傺亓鞒滩蛔? ;因因 而而, ,水流的動(dòng)能修正系數(shù)及流速水頭也沿程不變。水流的動(dòng)能修正系數(shù)及流速水頭也沿程不變。 3 3、即水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。即水流

12、的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。 j = = jz= = i。 v i jz j l h h h h 2 2 v g 2 2 v g l 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件 1 1、水流應(yīng)為恒定流水流應(yīng)為恒定流 2 2、長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變 3 3、流量沿程不變，無(wú)支流的匯入和流出流量沿程不變，無(wú)支流的匯入和流出 4 4、渠道中無(wú)局部干擾渠道中無(wú)局部干擾 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流的計(jì)算公式 明渠均勻流計(jì)算的基本公式是明渠均勻流

13、計(jì)算的基本公式是連續(xù)性方程連續(xù)性方程和和謝齊公式謝齊公式， 即即 謝齊系數(shù)謝齊系數(shù)c 用用曼寧公式曼寧公式計(jì)算計(jì)算 vc rjc ri qac rik i qav 也可表示為也可表示為 式中式中k是是流量模數(shù)流量模數(shù)，它表示當(dāng)?shù)灼?，它表示?dāng)?shù)灼耰 1時(shí)渠道中通過(guò)均勻時(shí)渠道中通過(guò)均勻 流的流量。流的流量。 kac r 6 1 1 r n c 式中的式中的n 簡(jiǎn)稱(chēng)糙率簡(jiǎn)稱(chēng)糙率，它綜合反映了明渠邊壁狀況對(duì)水流，它綜合反映了明渠邊壁狀況對(duì)水流 阻力的主要影響，取值查表阻力的主要影響，取值查表5.35.3得到。得到。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 在設(shè)計(jì)渠道時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，一般希望選擇一種斷

14、面在設(shè)計(jì)渠道時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，一般希望選擇一種斷面 形式，使過(guò)水能力不變的情況下，斷面積最小，或者斷面形式，使過(guò)水能力不變的情況下，斷面積最小，或者斷面 積一定的情況下，某種斷面形狀通過(guò)的流量最大。符合上積一定的情況下，某種斷面形狀通過(guò)的流量最大。符合上 述兩種條件的斷面形式，其土方開(kāi)挖量小，襯砌量最小，述兩種條件的斷面形式，其土方開(kāi)挖量小，襯砌量最小， 節(jié)約投資，稱(chēng)這種斷面形式為水力最佳斷面。面積小流量節(jié)約投資，稱(chēng)這種斷面形式為水力最佳斷面。面積小流量 大是水力最佳斷面條件。大是水力最佳斷面條件。 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 所謂水力

15、最佳斷面是指當(dāng)渠道的過(guò)流斷面面積一定所謂水力最佳斷面是指當(dāng)渠道的過(guò)流斷面面積一定a,a,粗粗 糙系數(shù)糙系數(shù)n n和渠道底坡和渠道底坡i i一定時(shí)一定時(shí), ,過(guò)流能力最大的斷面形狀。過(guò)流能力最大的斷面形狀。 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 2 3 1 qacriari n 從均勻流的公式可看出從均勻流的公式可看出, ,當(dāng)當(dāng)a,n,ia,n,i一定時(shí)，要使流量最大，一定時(shí)，要使流量最大， 則水力半徑最大，也就是濕周最小。則水力半徑最大，也就是濕周最小。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 在均勻流公式中在均勻流公式中 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 明渠的輸水能力決

16、定于底坡明渠的輸水能力決定于底坡i i，糙率，糙率n n，還有斷面形狀，還有斷面形狀r r， 和斷面尺寸和斷面尺寸a a。設(shè)計(jì)渠道時(shí)，度坡由地形決定，糙率由。設(shè)計(jì)渠道時(shí)，度坡由地形決定，糙率由 建筑材料決定，當(dāng)前面兩項(xiàng)決定以后，流量?jī)H與斷面有建筑材料決定，當(dāng)前面兩項(xiàng)決定以后，流量?jī)H與斷面有 關(guān)。下面推導(dǎo)水力最佳斷面形式。關(guān)。下面推導(dǎo)水力最佳斷面形式。 3 2 3 5 2 1 3 2 6 1 ) 1 ( a n i ir n a rir n ariacq 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 在均勻流公式中在均勻流公式中 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 3 2 3 5 2 1 3

17、 2 6 1 ) 1 ( a n i ir n a rir n ariacq 當(dāng)：當(dāng)：n,in,i一定，一定，q q一定時(shí)，一定時(shí)， 越小，越小，a a越小越小 當(dāng)：當(dāng)：n,in,i一定，一定，a a一定時(shí)，一定時(shí)， 越小，越小，q q越大越大 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 由上面分析可知符合最佳斷面的應(yīng)是相同面積中，周長(zhǎng)由上面分析可知符合最佳斷面的應(yīng)是相同面積中，周長(zhǎng) 最小的斷面形狀。由幾何學(xué)可知，圓是符合條件的水力最最小的斷面形狀。由幾何學(xué)可知，圓是符合條件的水力最 佳斷面，其水力半徑為佳斷面，其水力半徑為 , ,明渠中半圓形水力半徑

18、同圓的水明渠中半圓形水力半徑同圓的水 力半徑力半徑 , ,由于施工難度較大由于施工難度較大, ,實(shí)際工程中只有渡槽整體澆實(shí)際工程中只有渡槽整體澆 筑時(shí)才用。筑時(shí)才用。 4 d 4 d 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 工程中常采用梯形斷面做明渠，其邊坡由土質(zhì)決定?？晒こ讨谐２捎锰菪螖嗝孀雒髑?，其邊坡由土質(zhì)決定?？?查相關(guān)的表。水力最佳斷面的條件就是查相關(guān)的表。水力最佳斷面的條件就是m m已知，面積不變，已知，面積不變， 濕周最小。用公式表示：濕周最小。用公式表示： 2 2 0 0,0 da dh dd dhdh 面積不變 濕周最小 5. 5.

19、明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 2 2 0 0,0 da dh dd dhdh 2 () 21 abmh h bhm 2 ()0 2 10 dadb bmhm h dhdh ddb m dhdh 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 2 2210bmhhm 2 212bhmmh 2 2( 1)( ) b mmf m h 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 22 ()() 212 1 abmh hm h r bhmm 2 2( 1) b mm h 2 22

20、2 ()2( 1) 2 12( 1)2 1 2 m hmmm rh mmmm h 梯形水力最佳斷面時(shí)水力半徑 等于水深的一半。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 計(jì)算矩形水力最佳斷面條件計(jì)算矩形水力最佳斷面條件 2 2 0 0,0 da dh dd dhdh 2 abh bh 0 20 dadb bh dhdh ddb dhdh 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 計(jì)算矩形水力最佳斷面條件計(jì)算矩形水力最佳斷面條件 0 20 dadb bh dhdh ddb dhdh 2 b h 22 12 m

21、m m hhbh r h bh b 矩形水力最佳斷面矩形水力最佳斷面 底寬是水深的底寬是水深的2 2倍倍 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 對(duì)于流量大的渠道，應(yīng)用水力最佳斷面計(jì)算的寬深比對(duì)于流量大的渠道，應(yīng)用水力最佳斷面計(jì)算的寬深比 較小，變成了窄深式渠道，雖然土方量小，但是深挖高較小，變成了窄深式渠道，雖然土方量小，但是深挖高 填，施工效率低，反而不經(jīng)濟(jì)。因此水力最佳斷面應(yīng)用填，施工效率低，反而不經(jīng)濟(jì)。因此水力最佳斷面應(yīng)用 受到一定的局限性，這時(shí)引入實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面。一般來(lái)講，受到一定的局限性，這時(shí)引入實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面。一般來(lái)講， 中小型渠道、山區(qū)

22、石渠、渡槽、涵洞可考慮按水力最佳中小型渠道、山區(qū)石渠、渡槽、涵洞可考慮按水力最佳 斷面設(shè)計(jì)，對(duì)于大型渠道常做成寬淺斷面形式。斷面設(shè)計(jì)，對(duì)于大型渠道常做成寬淺斷面形式。 2 2( 1)( ) b mmf m h 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 對(duì)于流量值已知的渠道設(shè)計(jì)，由于渠道過(guò)水?dāng)嗝娌煌?，?duì)于流量值已知的渠道設(shè)計(jì)，由于渠道過(guò)水?dāng)嗝娌煌?會(huì)有不同的流速。工程中設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面平均流速的會(huì)有不同的流速。工程中設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面平均流速的 選擇應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)、渠道建筑類(lèi)型、水選擇應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)、渠道建筑類(lèi)型、水 流中含沙的

23、多少及其他運(yùn)行管理要求而定：流中含沙的多少及其他運(yùn)行管理要求而定： 1 1、渠道中的流速、渠道中的流速v v小于不沖允許流速小于不沖允許流速 以保證渠道免以保證渠道免 遭沖刷。遭沖刷。 2 2、渠道中的流速、渠道中的流速v v應(yīng)大于不淤流速應(yīng)大于不淤流速 ，以保證水流中，以保證水流中 懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。 v v v 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 對(duì)于流量值已知的渠道設(shè)計(jì)，由于渠道過(guò)水?dāng)嗝娌煌?，?duì)于流量值已知的渠道設(shè)計(jì)，由于渠道過(guò)水?dāng)嗝娌煌?會(huì)有不同的流速。工程中設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面平均流速的會(huì)有不同的流速。

24、工程中設(shè)計(jì)渠道時(shí)，斷面平均流速的 選擇應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)、渠道建筑類(lèi)型、水選擇應(yīng)結(jié)合渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)、渠道建筑類(lèi)型、水 流中含沙的多少及其他運(yùn)行管理要求而定：流中含沙的多少及其他運(yùn)行管理要求而定： 1 1、渠道中的流速、渠道中的流速v v小于不沖允許流速小于不沖允許流速 以保證渠道免以保證渠道免 遭沖刷。遭沖刷。 2 2、渠道中的流速、渠道中的流速v v應(yīng)大于不淤流速應(yīng)大于不淤流速 ，以保證水流中，以保證水流中 懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。 v v v 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 22 2( 1)2(

25、 1 1.251.25) 0.702 m m m b mm h 0.4/vm s 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 2 1 3 2 1 qac riar i n 2 ()am h 2 () 2 1 m h r m 581 332 2 2 3 () (2 1) imh q n m 3 2 8 2 3 51 32 (2 1) 1.49 () m m m mqn hm mi 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 1.49 ,0.702 mm hm 1.490.7021.05 m bmm 0.46/ (

26、) mm q vm s bmhh 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速 (0.7 1.0)/ r vm s 1.49 0.745 22 m hm rm 11 44 (0.7 1.0)/(0.745 ) (0.65 1.00)/ r vv rm sm m s 0.4/0.46/0.65/vm svm svm s 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 如果您有任何問(wèn)題，如果您有任何問(wèn)題， 請(qǐng)毫不猶豫地提出請(qǐng)毫不猶豫地提出 ! ! in case of you have any in case of you have any question, do

27、 not question, do not hesitate to ask me !hesitate to ask me ! 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 水利工程中，梯形斷面的渠道應(yīng)用最廣，現(xiàn)以梯形渠道為例，來(lái)說(shuō)水利工程中，梯形斷面的渠道應(yīng)用最廣，現(xiàn)以梯形渠道為例，來(lái)說(shuō) 明經(jīng)常遇到的幾種問(wèn)題的計(jì)算方法。明經(jīng)常遇到的幾種問(wèn)題的計(jì)算方法。 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 1 6 1 ,qac ri qk i cr n 明渠均勻流的基本公式：明渠均勻流的基本公式： 對(duì)于梯形斷面：對(duì)于梯形斷面： ()abmh h 2 21bhm 2 () 21 bmh h r bhm 15 23

28、 2 32 () 21 bmh hi q n bhm 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 由上面的推導(dǎo)可以看出：由上面的推導(dǎo)可以看出： 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 ( , , , , )qac rif m b h i n 上式包括六個(gè)量即上式包括六個(gè)量即q q，m m，b b，h h，i i，n n。在計(jì)算時(shí)，邊坡系。在計(jì)算時(shí)，邊坡系 數(shù)數(shù)m m及糙率及糙率n n是根據(jù)明渠的土壤和護(hù)面材料的種類(lèi)以及施工是根據(jù)明渠的土壤和護(hù)面材料的種類(lèi)以及施工 條件，由實(shí)測(cè)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先確定的。因此梯形明渠均勻條件，由實(shí)測(cè)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先確定的。因此梯形明渠均勻 流的水力計(jì)算，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)明渠所

29、擔(dān)負(fù)的任務(wù)和所經(jīng)地流的水力計(jì)算，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)明渠所擔(dān)負(fù)的任務(wù)和所經(jīng)地 段的地形及地質(zhì)情況等，先確定己段的地形及地質(zhì)情況等，先確定己q q，b b，h h，i i四個(gè)量中的四個(gè)量中的 三個(gè)，然后應(yīng)用公式求另一個(gè)量。三個(gè)，然后應(yīng)用公式求另一個(gè)量。 15 23 2 32 () 21 bmh hi q n bhm 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 1.1.驗(yàn)算渠道的輸水能力驗(yàn)算渠道的輸水能力 對(duì)已成渠道進(jìn)行校核性的水力計(jì)算，特別是驗(yàn)算渠道的輸對(duì)已成渠道進(jìn)行校核性的水力計(jì)算，特別是驗(yàn)算渠道的輸 水能力。水能力。 即已知：即已知：m,n,i,b,hm,n,i,b,h 確定確定q ; q ; 計(jì)算方法

30、直接用公式計(jì)算方法直接用公式: : 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 qac rik i 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 1.1.驗(yàn)算渠道的輸水能力驗(yàn)算渠道的輸水能力 例題：已知：斷面為梯形。例題：已知：斷面為梯形。m=1.5,b=34m,i=1/6500,h=3.2mm=1.5,b=34m,i=1/6500,h=3.2m (1)(1)電站引用流量為電站引用流量為q=67mq=67m3 3/s/s，計(jì)算渠道在超高，計(jì)算渠道在超高0.5m0.5m的條件的條件 下，還能供給工業(yè)用水多少？下，還能供給工業(yè)用水多少？ (2)(2)當(dāng)最小水深為當(dāng)最小水深為1.5m1.5m時(shí)，是否發(fā)生沖刷

31、。時(shí)，是否發(fā)生沖刷。 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 m=1.5 m=1.5 b b 3.2m 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 1.1.驗(yàn)算渠道的輸水能力驗(yàn)算渠道的輸水能力 解：當(dāng)水深為解：當(dāng)水深為h=3.2m-0.5m=2.7mh=3.2m-0.5m=2.7m時(shí)求渠道輸水能力。時(shí)求渠道輸水能力。 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 m=1.5 m=1.5 b b 3.2m 2 1 3 2 1 qac riar i n ()abmh h 2 (21)bhm2 () (21) bmh h r bhm 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的

32、水力計(jì)算 2 2、 已知渠道的設(shè)計(jì)流量已知渠道的設(shè)計(jì)流量q q、底坡、底坡i i、底寬、底寬b b、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m和和 粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n n，求水深，求水深h h。 計(jì)算方法：計(jì)算方法：試算法試算法_ _圖解法；圖解法；迭代法。迭代法。 15 23 2 32 () 21 bmh hi q n bhm 上面的方程式，是一元多次方，不能用數(shù)學(xué)方法直接求解，上面的方程式，是一元多次方，不能用數(shù)學(xué)方法直接求解， 所以用試算法所以用試算法- -圖解法圖解法, ,或迭代法?；虻?。 2 52 3/5 1 21 ()(1,2,3,) i i i bhm qn hin bmhi 5. 5.明渠恒

33、定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 試算法試算法_ _圖解法步驟：圖解法步驟： 1 1、根據(jù)上面的公式，假設(shè)一系列的、根據(jù)上面的公式，假設(shè)一系列的h h值，求出對(duì)應(yīng)的流量值，求出對(duì)應(yīng)的流量q q值。值。 2 2、據(jù)不同的、據(jù)不同的h h值對(duì)應(yīng)有流量值值對(duì)應(yīng)有流量值q q繪出繪出h hq q曲線圖。曲線圖。 3 3、然后根據(jù)已知流量，在曲線上可查出要求的、然后根據(jù)已知流量，在曲線上可查出要求的h h值。值。 查圖法步驟：查圖法步驟： 1 1、計(jì)算、計(jì)算 值。值。 2 2、計(jì)算值。、計(jì)算值。 3 3、然后據(jù)、然后據(jù)m m的值，在附圖的值，在附圖曲線上可查出要求的值。曲

34、線上可查出要求的值。 、再求、再求h h值。值。 q k i 8 3 b nkh b 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 迭代法：迭代法： 15 23 2 32 () 21 bmh hi q n bhm 3 5 12 252 () () 21 bmhhqn i bhm 2 52 3 5 11 2 21 () () i i i bhm qn h bmh i 3 5 11 2 () qn h bi 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 查圖法原理：查圖法原理： 15 23 2 32 () 21 bmh hi

35、q n bhm qk i 55 58 33 533 55 3 33 1222 2 23332 22 3 ()() () 21 2 12 1 bb mhmh bmhq hh nknhh bb i bhm mhm hh 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 查圖法原理：查圖法原理： 5 8 3 3 2 3 2 () 2 1 b mh h kn b m h 2 3 2 8 3 5 3 1 2 1 1 () m h h b nk m h b 由上式可知由上式可知 僅為僅為 的函數(shù)?？梢岳L出的函數(shù)。可以繪出m m為參數(shù)的為參數(shù)的 8 3 h nk h b m

36、8 3 h nk h b 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 2 3 2 8 3 5 3 1 2 1 1 () m h h b nk m h b 由上式可知由上式可知 僅為僅為 的函數(shù)?？梢岳L出的函數(shù)。可以繪出m m為參數(shù)的為參數(shù)的 8 3 b nk h b m 8 3 b nk h b 兩邊同除兩邊同除 8 3 ( ) h b 2 3 2 8 3 5 3 8 3 1 2 1 1 ()( ) m h b b nk h m h b b 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 例題：已知例題：已知m=1,i=1

37、/800,b=6m,q=70mm=1,i=1/800,b=6m,q=70m3 3/s/s 求渠堤高度（要求超高求渠堤高度（要求超高0.5m0.5m）。）。 水深加上超高就是渠堤高度。所以關(guān)鍵就是計(jì)算水深。水深加上超高就是渠堤高度。所以關(guān)鍵就是計(jì)算水深。 15 23 2 32 () 21 bmh hi q n bhm （1 1）試算圖解法。）試算圖解法。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 例題：已知例題：已知m=1,i=1/800,b=6m,q=70mm=1,i=1/800,b=6m,q=70m3 3/s/s 求渠堤高度（要求超高求渠堤高度（要求超

38、高0.5m0.5m）。）。 水深加上超高就是渠堤高度。所以關(guān)鍵就是計(jì)算水深。水深加上超高就是渠堤高度。所以關(guān)鍵就是計(jì)算水深。 3 3 70/ 1980/ 1 800 qms kms i （2 2）查圖法。）查圖法。 88 33 3 (6 ) 2.40 0.025 (1980/ ) bm nkms m=1m=1查圖查圖,h/b,h/b=0.55=0.55。0.55 63.3hmm 渠堤高度為渠堤高度為3.8m3.8m。 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 3.3. 已知渠道的設(shè)計(jì)流量已知渠道的設(shè)計(jì)流量q q、底坡、底坡i i、水深、水深h h、邊坡系

39、數(shù)、邊坡系數(shù)m m及及 粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n n，求渠道底寬，求渠道底寬b b。 計(jì)算方法：計(jì)算方法：試算法試算法- -圖解法圖解法 例題例題: : 已知已知:h=3.5m,q=31m3/s,i=1/1000,:h=3.5m,q=31m3/s,i=1/1000,求求b=?b=? n=0.013n=0.013 5/3 1/2 2/3 1() (2 ) bh qac iri n bh 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 試算法試算法_ _圖解法步驟：圖解法步驟： 1 1、根據(jù)上面的公式，假設(shè)一系列的、根據(jù)上面的公式，假設(shè)一系列的b b值，求出對(duì)應(yīng)的流量值

40、，求出對(duì)應(yīng)的流量q q值。值。 2 2、據(jù)不同的、據(jù)不同的h h值對(duì)應(yīng)有流量值值對(duì)應(yīng)有流量值q q繪出繪出b bq q曲線圖。曲線圖。 3 3、然后根據(jù)已知流量，在曲線上可查出要求的、然后根據(jù)已知流量，在曲線上可查出要求的b b值。值。 查圖法步驟：查圖法步驟： 1 1、計(jì)算、計(jì)算 值。值。 2 2、計(jì)算值。、計(jì)算值。 3 3、然后據(jù)、然后據(jù)m m的值，在附圖的值，在附圖曲線上可查出要求的值。曲線上可查出要求的值。 、再求、再求b b值。值。 q k i 8 3 h nkh b 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 4 4、確定渠道的底坡確定渠道的底坡 已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)計(jì)流量以及

41、斷面的幾何已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)計(jì)流量以及斷面的幾何 尺寸，即已知尺寸，即已知 n n，q q 和和b b，m m，h h 各量，確定渠道的底坡各量，確定渠道的底坡 i : : 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 22 222 qq i ka c r 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 5 5、確定渠道的斷面尺寸確定渠道的斷面尺寸 已知流量已知流量q q、流速、流速v v、渠道底坡、渠道底坡i i、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m 及粗糙系數(shù)及粗糙系數(shù)n n， 要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即確定渠道的底寬要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即確定渠道的底寬b

42、b 和水深和水深h h。 2 12mhb ()abmh h 2 21bhm 2 (21)ahmmh h 22 (2 1)0mm hha 22 2 4 (2 1) 2(2 1) a mm h mm 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 例題：已知流量例題：已知流量q q、流速、流速v v、渠道底坡、渠道底坡i i、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m m 及及 粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n n，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即確定渠道的，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即確定渠道的 底寬底寬b b 和水深和水深h h。 11.7 a m r 2 13.5 q am v 2 7.43 21 0

43、 m bhm 22 2 1.514 (2 1) 4.89 2(2 1) ma mm h m mm 2/3 1/2 1 vc riri n 3/2 1/2 ()1.15 nv rm i 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 如果您有任何問(wèn)題，如果您有任何問(wèn)題， 請(qǐng)毫不猶豫地提出請(qǐng)毫不猶豫地提出 ! ! in case of you have any in case of you have any question, do not question, do not hesitate to ask me !hesitate to ask me ! 5. 5.明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠及復(fù)式斷面的水力計(jì)算明渠及復(fù)式斷面的水力計(jì)算 n2,2 n3,3 n1,1 水利工程中，常需在山坡上修建引水渠道，水利工程中，常需在山坡上修建引水渠道，