第七章 明渠均勻流w

1、第七章 明渠均勻流 Steady Uniform Flow in Open Channels本章主要介紹本章主要介紹1 1、渠道的幾何特性、渠道的幾何特性2 2、明渠均勻流的特性及形成條件、明渠均勻流的特性及形成條件3 3、明渠均勻流的水力計(jì)算問題、明渠均勻流的水力計(jì)算問題( (一般和特殊一般和特殊) )。明渠概述1 1、明渠：是人工渠道（明渠：是人工渠道（The artificial channels）天然河道（）天然河道（natural streams）以及不滿流管道（）以及不滿流管道（non-full pipes）統(tǒng)稱為明渠）統(tǒng)稱為明渠 2、應(yīng)用：灌溉引水、通航、筑壩、建閘、修電站，上游

2、形成水、應(yīng)用：灌溉引水、通航、筑壩、建閘、修電站，上游形成水庫，壅水狀況庫，壅水狀況3、明渠水流特點(diǎn)：、明渠水流特點(diǎn)： 1)明渠水流是無壓流，有自由表面；明渠水流是無壓流，有自由表面； 2）重力是流體流動的動力，為重力流（管流則是壓力流）；）重力是流體流動的動力，為重力流（管流則是壓力流）； 3）渠道坡度影響水流流速、水深。坡度增大，則流速增大，）渠道坡度影響水流流速、水深。坡度增大，則流速增大，水深減小；水深減??； 4）邊界突然變化時，影響范圍大。）邊界突然變化時，影響范圍大。4、明渠流的分類、明渠流的分類明渠問題的提出 變化的河流的平面形態(tài) 變化的河流的斷面形狀 通過的水流隨時間改變 如何

3、簡化問題？ 考慮順直河道 考慮斷面形狀不變化 考慮恒定問題的簡化 恒定流均勻流 非均勻流 非恒定流明渠的邊界第一節(jié)、明渠的幾何特性第一節(jié)、明渠的幾何特性1 1、明渠的底坡、明渠的底坡sinodzids 01020sinzzdzisds 底坡的分類底坡的分類00dzds0=0dzds正坡正坡（positive slope） i0， ，渠底高程沿程降低渠底高程沿程降低平坡平坡（horizontal bed）i= 0， ，渠底高程沿程不變渠底高程沿程不變 負(fù)坡負(fù)坡（adverse slope） i0， ，渠底高程沿程升高渠底高程沿程升高00dzds 2 2、 明渠的橫斷面（明渠的橫斷面（Cross

4、SectionCross Section）：）： 垂直于渠道中心線的鉛直面與渠底及渠壁的交垂直于渠道中心線的鉛直面與渠底及渠壁的交線，構(gòu)成明渠的橫斷面線，構(gòu)成明渠的橫斷面 。 3、 過水?dāng)嗝妫ㄟ^水?dāng)嗝妫–ross Section）：）： 過水?dāng)嗝娴膸缀我剡^水?dāng)嗝娴膸缀我?以梯形為例以梯形為例) (1) b底寬底寬(2) 邊坡系數(shù)邊坡系數(shù) m , m=ctan 。 m根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及設(shè)計(jì)范圍來選定。設(shè)計(jì)范圍來選定。m越大，邊坡越緩；越大，邊坡越緩；m越小，邊坡越越小，邊坡越陡；陡； m=0時是矩形斷面。時是矩形斷面。 (3)(3)、水深：過水?dāng)嗝嫔锨鬃畹忘c(diǎn)到水面的距離、

5、水深：過水?dāng)嗝嫔锨鬃畹忘c(diǎn)到水面的距離6coshhh 梯形斷面梯形斷面 有水深有水深h、底寬、底寬b、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m 1(2)()2Ah bmhbbmh h221bhm2()21Abmh hRbhm 矩形斷面矩形斷面 有水深有水深h、底寬、底寬bAhb2bh2AbhRbh2AbhRhbhbh明渠過水?dāng)嗝娴膸缀翁匦悦髑^水?dāng)嗝娴膸缀翁匦?棱柱體明渠棱柱體明渠A=A(h) 非棱柱體明渠非棱柱體明渠A=A(s,h)明渠過水?dāng)嗝娴膸缀翁匦悦髑^水?dāng)嗝娴膸缀翁匦?第二節(jié)第二節(jié) 明渠均勻流的特性及形成條件明渠均勻流的特性及形成條件一、明渠均勻流的特性一、明渠均勻流的特性 v CR i1 1）斷面平均

6、流速沿程不變。）斷面平均流速沿程不變。2 2）水深沿程不變，過水?dāng)嗝妫┧钛爻滩蛔?，過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽缪爻滩蛔兊男螤詈统叽缪爻滩蛔?）4）Q C A R iK i 二、形成明渠均勻流的條件二、形成明渠均勻流的條件 1 1、恒定流、恒定流 2 2、正坡，底坡沿程不變、正坡，底坡沿程不變 3 3、棱柱體渠道，糙率沿程不變、棱柱體渠道，糙率沿程不變4 4、渠道充分長，其中沒有建筑物的局部、渠道充分長，其中沒有建筑物的局部干擾干擾 第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算 謝才公式謝才公式161CRn00vCRiK稱為流量模數(shù)稱為流量模數(shù) 曼寧公式曼寧公式00 00QC AR iKi

7、) , , (0bhmi nfQ 正常水深h0，與其相應(yīng)的水力要素可寫為A0、0、R0、C0和K0 第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算討論討論1）、糙率）、糙率n，a、糙率、糙率n取大，流量取大，流量Q偏小、土方量不足，需返工。偏小、土方量不足，需返工。 b、糙率、糙率n取小，流量取小，流量Q偏大、土方量過大，浪費(fèi)人力、偏大、土方量過大，浪費(fèi)人力、物力。物力。2）、）、 底坡底坡i 由地形、地質(zhì)條件決定由地形、地質(zhì)條件決定a、渠道底坡、渠道底坡i大，大， 陡、流速大，挾沙，要防沖刷陡、流速大，挾沙，要防沖刷b 、渠道

8、底坡、渠道底坡i小，小， 緩、流速小，防淤積緩、流速小，防淤積3) 、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m, 根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及設(shè)計(jì)范圍來選根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及設(shè)計(jì)范圍來選定。定。 m越大，邊坡越緩；越大，邊坡越緩；m越小，邊坡越陡；越小，邊坡越陡； m=0時時是矩形斷面。是矩形斷面。1Qn糙率糙率 明渠均勻流的水力計(jì)算的一般問題和計(jì)算方法明渠均勻流的水力計(jì)算的一般問題和計(jì)算方法以梯形為例以梯形為例1）校核已有渠道的過水能力）校核已有渠道的過水能力 （求流量（求流量Q ）2）設(shè)計(jì)新渠道確定渠道的斷面尺寸）設(shè)計(jì)新渠道確定渠道的斷面尺寸 : a、已知、已知Q、i、m 、 n 、 b，確定確定h。 b 、已知、已知Q

9、、i、m 、 n 、h。，。，確定確定b。第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算1、計(jì)算流量、計(jì)算流量第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算m1 . 1,0275. 0, 0 . 1m,5 . 1,0002. 0.170hnmbi道，有一梯形斷面棱柱形渠例。和流速求流量vQ200m86. 21 . 1) 1 . 10 . 15 . 1 ()(hmhbAm61. 4111 . 125 . 11220mhbm62. 061. 486. 2AR/sm58.3362. 00275. 0110.56161RnCs/m07. 10002. 062. 058.3386.

10、23RiACQm/s37. 086. 207. 1AQv014. 0m,7 . 1s,/m0 . 8m,120m,5 . 1.2703nhQLb土渡槽，一矩形斷面的鋼筋混凝例。程，求渡槽進(jìn)口處渠底高出口處渠底高程為12m5120m55. 27 . 15 . 1bhAm9 . 47 . 125 . 120hbm52. 09 . 455. 2ARs/m6452. 0014. 0110.56161RnC0042. 052. 055. 26465. 7222222RACQim5 .511200042. 05121iL試算圖解法試算圖解法2、計(jì)算正常水深、計(jì)算正常水深h0（或底寬（或底寬b）第三節(jié)、明渠

11、均勻流的水力計(jì)算第三節(jié)、明渠均勻流的水力計(jì)算0gbh202 21bmmh 第四節(jié)、第四節(jié)、明渠均勻流水力計(jì)算的其他問題明渠均勻流水力計(jì)算的其他問題00( )Abm hh最佳寬深比最佳寬深比 當(dāng)?shù)灼?，糙率選定后并規(guī)定過水?dāng)嗝娣e，使之通過的當(dāng)?shù)灼?，糙率選定后并規(guī)定過水?dāng)嗝娣e，使之通過的流量最大。流量最大。 當(dāng)?shù)灼?，糙率選定后并通過一定的流量，使通過的過當(dāng)?shù)灼拢诼蔬x定后并通過一定的流量，使通過的過水?dāng)嗝娣e最小。水?dāng)嗝娣e最小。1、明渠水力最佳斷面、明渠水力最佳斷面1 1、水力最佳斷面、水力最佳斷面00Abm hh2021bhm20002 1Am h hmh 22002 1dAmmdhh 20020()2 1b mh hmmh 22