【水利課件】第五章 明渠恒定流

1、第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常見的，明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常見的，例如：水電站引水渠、灌溉渠、排水渠、運河、無壓隧例如：水電站引水渠、灌溉渠、排水渠、運河、無壓隧洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流均為明渠水流。當(dāng)明渠水流過水?dāng)嗝娴钠骄魉偌八罹鶠槊髑鳌．?dāng)明渠水流過水?dāng)嗝娴钠骄魉偌八罹爻滩蛔?，或更?yán)格地講，當(dāng)渠中水流的流線為一簇均沿程不變，或更嚴(yán)格地講，當(dāng)渠中水流的流線為一簇相互平行的直線時，稱為相互平行的直線時，稱為明渠均勻流明渠均勻流。否則，稱為。否則，

2、稱為明渠明渠非均勻流非均勻流。從力學(xué)的觀點看，明渠均勻流動是一種直線。從力學(xué)的觀點看，明渠均勻流動是一種直線等速運動。等速運動。水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.1 5.1 明渠的類型及其對水流運動的影響明渠的類型及其對水流運動的影響 明渠的渠身及其沿流動方向的傾斜程度明渠的渠身及其沿流動方向的傾斜程度( ( 稱作底稱作底坡坡 ) )，是水流邊界的幾何條件。一定形式的邊界幾何條，是水流邊界的幾何條件。一定形式的邊界幾何條件，給予水流運動一定的影響。所以為了了解水流運動件，給予水流運動一定的影響。所以為了了解水流運動的特征，必須先對影響明渠水流運動的邊界幾何條件進(jìn)

3、的特征，必須先對影響明渠水流運動的邊界幾何條件進(jìn)行分析。行分析。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流一、明渠的橫斷面一、明渠的橫斷面 人工明渠的橫斷面，通常作成對稱的幾何形狀。例人工明渠的橫斷面，通常作成對稱的幾何形狀。例如常見的梯形、矩形或圓形等。至于河道的橫斷面，則如常見的梯形、矩形或圓形等。至于河道的橫斷面，則常呈不規(guī)則的形狀。常呈不規(guī)則的形狀。 而根據(jù)渠道的斷面形狀、尺寸，就可以計算渠道過而根據(jù)渠道的斷面形狀、尺寸，就可以計算渠道過水?dāng)嗝娴乃?。水?dāng)嗝娴乃?。水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其

4、過水?dāng)嗝娴闹T水利工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其過水?dāng)嗝娴闹T水利要素關(guān)系如下：要素關(guān)系如下： 水面寬度：水面寬度： b b= =b b+2+2mhmh 過水?dāng)嗝婷娣e：過水?dāng)嗝婷娣e： a a=(=(b b+ +mhmh) )h h 濕周：濕周： 水力半徑：水力半徑： 水水力力學(xué)學(xué)講講義義212mhbx212)(mhbhmhbxar第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流二、明渠的底坡二、明渠的底坡 底坡：明渠渠底傾斜的程度稱為底坡。以符號底坡：明渠渠底傾斜的程度稱為底坡。以符號i i表表示，示，i i等于渠底線與水平線夾角口的正弦即等于渠底線與水平線夾角口的正弦即i isinsin。 明渠有三種

5、底坡：明渠有三種底坡：順坡、平坡和逆坡順坡、平坡和逆坡水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流順坡：順坡： i i00，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。 平坡：平坡： i i=0=0，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。 逆坡：逆坡： i i00)0)； 3 3、渠道中沒有建筑物的局、渠道中沒有建筑物的局部干擾；部干擾； 4 4、明渠中的水流必須是恒、明渠中的水流必須是恒定的，沿程無水流的匯入、匯定的，沿程無水流的匯入、匯出，即流量不變。出，即流量不變。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義水水力力學(xué)學(xué)講講義義如果您有任

6、何問題，如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出請毫不猶豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !歡歡 迎迎 提提 問問第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.3 5.3 明渠均勻流的計算公式明渠均勻流的計算公式明渠均勻流計算的基本公式是謝才公式和曼寧公式，即明渠均勻流計算的基本公式是謝才公式和曼寧公式，即 也可表示為：也可表示為： 式中式中k k是流量模數(shù)，它表示當(dāng)?shù)灼率橇髁磕?shù)，它表示當(dāng)?shù)灼耰 i1 1時渠道中通過均時渠道中通過均勻流的流量。勻流的流量。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義ircv nrc6/

7、1ikiracqiqnarrack3/2水水力力學(xué)學(xué)講講義義如果您有任何問題，如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出請毫不猶豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !歡歡 迎迎 提提 問問第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 5.4 水利最佳斷面及允許流速水利最佳斷面及允許流速一、水力最佳斷面一、水力最佳斷面 水力最佳斷面（水力最佳斷面（the best hydraulic sectionthe best hydraulic section）：是指當(dāng)渠道底坡、糙率及面積大小一定時，通過最大流

8、是指當(dāng)渠道底坡、糙率及面積大小一定時，通過最大流量時的斷面形式。量時的斷面形式。對于明渠均勻流，有：對于明渠均勻流，有： 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 說明：說明： 1 1）具有水力最佳斷面的明渠均勻流，當(dāng)）具有水力最佳斷面的明渠均勻流，當(dāng)i i，n n，a a給定時，水力半徑給定時，水力半徑r r 最大，即濕周最大，即濕周p p 最小最小的斷面能通過最大的流量。的斷面能通過最大的流量。 2 2）i i，n n，a a給定時，濕周給定時，濕周p p最小的斷面是最小的斷面是圓形斷面，圓形斷面， 即圓管為水力最佳斷面。即圓管為水力最佳斷面。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第

9、五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流1 1、梯形過水?dāng)嗝媲赖乃ψ罴褦嗝?、梯形過水?dāng)嗝媲赖乃ψ罴褦嗝?梯形水力最佳斷面的寬深比值為梯形水力最佳斷面的寬深比值為： 此時：此時： 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流2 2、矩形斷面的水力最佳斷面、矩形斷面的水力最佳斷面 矩形斷面，矩形斷面，m m =0=0，則：，則： 即矩形渠道水力最優(yōu)斷面的底寬是水深的兩即矩形渠道水力最優(yōu)斷面的底寬是水深的兩倍倍。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流結(jié)論：結(jié)論： 1 1）梯形水力最佳斷面的寬深比僅是邊坡系）梯形水力最佳斷面的寬深比僅是邊坡系數(shù)數(shù) m

10、 m 的函數(shù)。的函數(shù)。 2 2）在任何邊坡系數(shù)的情況下，水力最佳梯）在任何邊坡系數(shù)的情況下，水力最佳梯形斷面的水力半徑形斷面的水力半徑 r r 為水深為水深 h h 的一半。的一半。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流二、允許流速二、允許流速 允許流速是為了保持渠道安全穩(wěn)定運行在流速上的允許流速是為了保持渠道安全穩(wěn)定運行在流速上的限制，包括不沖流速、不淤流速和其它運行管理要求的限制，包括不沖流速、不淤流速和其它運行管理要求的流速限制。在實際明渠均勻流計算中必須結(jié)合工程要求流速限制。在實際明渠均勻流計算中必須結(jié)合工程要求進(jìn)行校核。進(jìn)行校核。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章

11、第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流在設(shè)計中，要求渠道流速在設(shè)計中，要求渠道流速v v在不沖、不淤的允許在不沖、不淤的允許流速范圍內(nèi)，即：流速范圍內(nèi)，即： 式中：式中： 不沖允許流速（不沖允許流速（m/sm/s），根據(jù)壁面材料定。），根據(jù)壁面材料定。 不淤允許流速（不淤允許流速（m/sm/s）。（同時考慮避免渠）。（同時考慮避免渠 中滋生雜草，一般流速應(yīng)大于中滋生雜草，一般流速應(yīng)大于0.5m/s0.5m/s。）。） 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流例題例題1 1： 有一梯形斷面中壤土渠道，已知：渠中通有一梯形斷面中壤土渠道，已知：渠中通過的流量過的流量q q=5m

12、=5m3 3/s/s，邊坡系數(shù)，邊坡系數(shù)m m =1.0=1.0，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n n=0.020 =0.020 ，底坡，底坡i i=0.0002=0.0002。試求：（。試求：（1 1）按水力）按水力最佳條件設(shè)計斷面；（最佳條件設(shè)計斷面；（2 2）若寬深比）若寬深比b b =2=2來設(shè)計來設(shè)計斷面，檢查渠中流速是否滿足不沖條件。斷面，檢查渠中流速是否滿足不沖條件。 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 5.5 明渠均勻流的水力計算明渠均勻流的水力計算一、驗算渠道的輸水能力一、驗算渠道的輸水能力 對已成渠道進(jìn)行校核性的水力計算，特別是驗算渠對已成渠道進(jìn)行校核

13、性的水力計算，特別是驗算渠道的輸水能力。即已知：道的輸水能力。即已知：n,i,b,hn,i,b,h 確定確定q q ; ; 直接用公式直接用公式: : 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流二、已知渠道的設(shè)計流量二、已知渠道的設(shè)計流量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和粗糙系數(shù)和粗糙系數(shù)n n，求水深，求水深h h。三、已知渠道的設(shè)計流量三、已知渠道的設(shè)計流量q q、底坡、底坡i i、水深、水深h h、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，求渠道底寬，求渠道底寬b b。水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒

14、定均勻流四、確定渠道的底坡四、確定渠道的底坡 已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)計流量以及斷面的已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)計流量以及斷面的幾何尺寸，即已知幾何尺寸，即已知 n n，q q 和和b b，m m，h h 各量，確定渠道的各量，確定渠道的底坡底坡i i : : 水水力力學(xué)學(xué)講講義義第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流五、確定渠道的斷面尺寸五、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 及粗糙及粗糙系數(shù)系數(shù)n n，要求設(shè)計渠道的斷面尺寸，即確定渠道的底寬，要求設(shè)計渠道的斷面尺寸，即確定渠道的底寬b b 和水深和水深

15、h h。水水力力學(xué)學(xué)講講義義水水力力學(xué)學(xué)講講義義如果您有任何問題，如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出請毫不猶豫地提出 ! !in case of you have any question, do not hesitate to ask me !歡歡 迎迎 提提 問問第五章第五章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 謝 謝！水水力力學(xué)學(xué)講講義義肚松衯宸&愮鐝d)? $?d悡!餯怉 扈鋹a 嘬貑 d?啃?d怉?4 癮?0?2l豀/d 既 脝?窗? 兡薊癟鑳 d?兗? t 穃$0嬅7d胒 d恆 溓?様?鸙捐 賰 u:hd j o?3葏蓇 3繼傘銨? 3覌耺 缻d?b凓du鞁 ?v悏鰒鸖 卯嬺嬝擛

16、吚憢 塒鼢 媀 ?塧x b ?6?鏃p?塓 =?輧棵廤uq嬹?$嬭媇- $?痁墢?頢 s ;聈 %讖蚩魅婥? f ? ;u ?i7,嬤;雞嶂嬇槣郬杽 gz_摞?跌u孄?餽p嬑 jk萘秣?k賢wb#u 媜 7w兀?)鱱h秒?y? 麐z 蟏?=?傉噲?w+鶋| 渹?饓s 詐?瘙= 氙 ;鹵?y%惢_?&嬟嬸侢 ?s? v鄟?佹饟 j oh?v 孁?3黷#嬘胳幥 i鳻聾茓 p$ ?荱嬞稠- j 纉 焗豒m?u馫vi)h纞潈; 矸?撳塋!魄舩?屗塗$9鑺 鋰?艍)?婋q浣=鼖s顆f嬈 ?2w聟f(xié)+w?:脄汄y賰亥i?p礪?wa 飛;z厬 圪?呂z?拶?騚咡譪 4#漲?鞗籽?菮=pm櫶k?卌蠑?

17、q駜6項縠餗q鷹|u鬨潷歒?淬盭睟覙6u姮?m+/l!ol 諉:?5?磐嵸?錺潗 t?鈪醞3h袳 牒 唣?罐cb? 捓鐒k 挭鑈p衈聮嗌 蜞敏?l 孰pb潉?潕肚松衯?雎?lián)]=?牓2d?h糖 =m 痞 ?(瘣滸?( h?棧哐鋃$*?z 3蓚w 傯= %u旄 冏?塧 ?腦?u zyy h?w鵓?鎂+x脲燴哠k?q 梽桃 羀徬 ? w? 錭x?c?e ?gei鎃+, nit噈鲃 c ?u锳 9 硄 輕儍l8踇縎; w岐?u rh ?wx鵛 8 吷y 兞 戀w 六 堲?-猴w兂.+嬼? 墎 娮 ?嗠鸊gij倭r j ?侜!?u?唻蕛? 凓 | ? 縖鴰嬔r 責(zé) | a伾 鼐*?% 磣嬓冴 苻 高 hv霼?m | 兪 t?4撠 ? 聝 ?飌z0?t蕞筍訌?3 髀続c?p? t 壉鄪mr +?p ; 8齚 p 蕞驅(qū)_嬝3? ?%?佝較#?u 嬻芺婩 *?莀x _ ? 萄阯k詴qm? x拱曃 ?鳡?+腰 +?艃? ?u? 葭?橗?岶 %媗祆 ?呿祴?峙 % ms?叫篂?x ?$ ?f笂 斚汶弸邏s?苾铏p蔭淥? 呉坡y詢生蓯籀 塡塠= ?鬋 昆?sz ?|_)5隠瑾.觠0峗e ?王?謷呻 u?蓌 x0 ?艣專 ?u?v=zt望 ?v