明渠恒定均勻流概述1

1、第六章 明渠恒定均勻流本章要求掌握 梯形斷面水力要素、正常水深、流量、水力最正確斷面的計算及斷面設(shè)計；明渠均勻流的特性及產(chǎn)生條件、底坡、濕周、水力半徑、允許流速等概念。理解 糙率、底坡、邊坡系數(shù)、綜合糙率、復(fù)式斷面流量確實(shí)定方法。第一節(jié)概 述一、明渠水流天然河道、人工渠道中的水流通稱為明渠水流。其具有自由水面，外表壓強(qiáng)為一個大氣 壓，相對壓強(qiáng)為零，故又稱為無壓流。其流動主要是靠重力流動，不但天然河道、人工渠道 中的水流為明渠水流，只要管道、隧洞等建筑物中的水流未充滿整個斷面，水面是大氣壓的， 均為明渠水流。明渠水流根據(jù)水流運(yùn)動要素是否隨時間發(fā)生變化，分為明渠恒定流和明渠非恒定流。根 據(jù)水流運(yùn)動

2、要素是否沿程變化，分為明渠恒定均勻流和明渠恒定非均勻流。本章主要討論明 渠恒定均勻流問題，明渠恒定非均勻流將在第七章討論。明渠均勻流是指：渠道中的流速及流速分布沿流程不變的水流。二、渠道的形式渠道是約束明渠水流運(yùn)動的外部條件，渠道邊壁的幾何特征和水力特性對明渠中的水流 運(yùn)動有著重要的影響，因此必須對明渠槽身的形式有所了解。渠道橫向幾何特性是指橫向斷面的形狀和尺寸；縱向幾何特性是指渠道底坡及其變化情 況。.按橫斷面的形狀分類人工修建的渠槽一般為對稱斷面，其基本形狀有矩形、梯形、U型、圓形和復(fù)式斷面 等。當(dāng)明渠修在土基上時，為防止崩塌和便于施工，和從優(yōu)化的角度考慮，多做成梯形斷面； 矩形斷面多用于

3、巖石中開鑿或混凝土襯砌的渠道；圓形斷面那么常用于無壓輸水涵管或下水道; 而復(fù)式斷面那么多用于大型或地基比擬特殊的、水位變化較大的渠道。如圖6-1所示。天然河道的橫斷面形狀往往是不規(guī)那么的，常見的形式多是由主槽和邊灘組成的復(fù)式斷面, 如圖6-2所示。在實(shí)際工程中，人工渠道應(yīng)用較多的斷面形狀是梯形和矩形。其過水?dāng)嗝娴乃σ厝缦?水面寬度B過水?dāng)嗝婷娣e濕周%水力半徑RB = b+ 2mh A = (b + mli)h % = b + 2/zV 1 + m2A (b + mh)hR = - =/x h + 2hl + m2(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)b 渠底寬度。m邊坡系數(shù)，即為渠道側(cè)坡

4、的水平投影長度與垂直投影高度的比值。它表示梯形斷面兩側(cè)邊壁的傾斜程度。m = ctg09常取垂直方向?yàn)? m時水平方向的長度來表示。9為 邊坡與水平線的夾角。機(jī)的大小取決于土壤的種類和護(hù)面情況，其值由土力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究確 定，也可參考表6-1選取。(b)(d)(e)(f)圖6-1圖6-2對于矩形斷面的水力要素，可看作是邊坡系數(shù)m=0的梯形斷面，那么B = bA = bhx = b + 2h對于圓形斷面、U型斷面的水力要素，可根據(jù)它們的幾何尺寸來確定。表67梯形斷面邊坡系數(shù)值巖土種類邊坡系數(shù)加巖土種類邊坡系數(shù)機(jī)粉砂3.0 3.5黃土或粘土細(xì)砂、中沙和粗沙卵石和砂礫1.25 1.51.疏松的和中等密實(shí)

5、的2.0 2.5半巖性耐水土壤0.5 1.02.密實(shí)的1.5-2.0風(fēng)化的巖石0.25 0.5粘壤土或沙壤土1.25 2.0未風(fēng)化的巖石0-0.25.按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分類斷面形狀和尺寸沿程不變且渠道軸線為直線的渠道稱為棱柱體渠道。如軸線順直且斷面 形狀大小不變的人工渠道、渡槽等，都屬于棱柱體渠道。在棱柱體渠道中，水流的過水?dāng)嗝?面積僅隨水深而變，即A =斷面形狀和尺寸沿程變化的渠道稱為非棱柱體渠道。如梯形斷面和矩形斷面的渠道間的 過渡段，人工渠道的彎段、一般的天然河道等，都屬于非棱柱體渠道。在非棱柱體渠道中, 過水?dāng)嗝婷娣e即隨水深/z變化，又沿流程/變化，即A =三、渠道的底坡渠段

6、首末兩端底部高差與渠段長度的比值，稱為渠道的底坡，其也等于渠底線與水平線圖6-3的夾角。的正弦。用字母，表示。如圖6-3所 示，在渠道中取1-1和2-2斷面，兩斷面間的 渠底線長度為/, 1-1斷面的渠底高程為4 ,2-2斷面渠底高程為Z2,那么此段渠道的底坡為一般當(dāng)?shù)灼螺^小時（kvO.lO, 6tan6,即水平距離/與渠底線距離/相差很小，那么渠底坡度可用下式替代必須注意：明渠水流的過水?dāng)嗝媸谴怪庇谒鞣较虻臋M斷面，渠道的水深，應(yīng)為垂直于 流向的水深川，但為了測量的方便，當(dāng)坡度較小時常用鉛直水深/z替代（如圖 6-3所示），當(dāng)角較大時，那么另當(dāng)別論。根據(jù)底坡沿程的變化，明渠的底坡分為三類:渠底沿程下降的稱為順坡（或正坡）（i 0 ）； 渠底水平的稱為平坡（1 = 0 ）；坡