水力學(xué)系統(tǒng)講義課件第六章-明渠恒定非均勻流

第六章明明渠恒定定非均勻流流人工渠道或或天然河道道中的水流絕大大多數(shù)是非非均勻流。明渠非均勻勻流的特點(diǎn)點(diǎn)是明渠的底底坡線、水水面線、總水頭線彼彼此互不平平行。明渠非均勻勻流分為明渠非均勻勻漸變流和明渠非均勻勻急變流。本章著重重研究明渠渠中恒定非非均勻漸變變流的基本本特性及其其水力要素素（主要是是水深）沿沿程變化的的規(guī)律。具具體地說(shuō)，，就是要分析水面線線的變化及及其計(jì)算，以便確定定明渠邊墻墻高度，以以及回水淹淹沒(méi)的范圍圍等。通常常把明渠均勻流流的水深稱(chēng)稱(chēng)為正常水水深h0。16-1明渠水流的的三種流態(tài)態(tài)擾動(dòng)：在流場(chǎng)的某某一點(diǎn)或者者某一個(gè)區(qū)區(qū)域，由于于某種原因因，使流動(dòng)動(dòng)參數(shù)發(fā)生生變化，這這種變化叫叫做擾動(dòng)。。波：擾動(dòng)區(qū)域與與未擾動(dòng)區(qū)區(qū)域的分界界面2微弱擾動(dòng)的的一維傳播播非定常過(guò)程程36-1明渠水流的的三種流態(tài)態(tài)注意：波速與流體體質(zhì)點(diǎn)速度度的區(qū)別。。46-1明渠水流的的三種流態(tài)態(tài)當(dāng)v=0時(shí)，水流靜靜止，干擾擾波能向四四周以一定定的速度傳傳播。在t=0、1、2、3、4s，分別有水水滴滴入o點(diǎn)，研究t=4s的流動(dòng)圖象象靜水中傳播播的微波速速度vw(c)稱(chēng)為相對(duì)波波速。5當(dāng)v＜vw時(shí)，水流為為緩流，干擾波能向上游和和下游傳播播。在t=0、1、2、3、4s，分別有水水滴滴入o點(diǎn)，研究t=4s的流動(dòng)圖象象6當(dāng)v＞vw時(shí)，水流為為急流，干干擾波不能能向上游傳傳播，只能能向下游傳傳播（馬赫赫椎內(nèi)）。。在t=0、1、2、3、4s，分別有有水滴滴滴入o點(diǎn)，研究究t=4s的流動(dòng)圖圖象馬赫角α：馬赫錐的的半頂角角，即圓圓錐的母母線與來(lái)來(lái)流速度度方向之之間的夾夾角。7當(dāng)v＝vw時(shí)，水流流為臨界界流，在t=0、1、2、3、4s，分別有有水滴滴滴入o點(diǎn)，研究究t=4s的流動(dòng)圖圖象86-1明渠水流流的三種種流態(tài)明渠水流流有和大大氣接觸觸的自由由表面，，與有壓壓流不同同，具有有獨(dú)特的的水流流流態(tài)，即即緩流、臨臨界流和和急流三種。靜水中傳傳播的微微波速度度vw稱(chēng)為相對(duì)對(duì)波速。。當(dāng)v=0時(shí)，水流流靜止，，干擾波波能向四四周以一一定的速速度傳播播。當(dāng)v＜vw時(shí)，水流流為緩流流，干擾波能向上游游和下游游傳播。。當(dāng)v＝vw時(shí)，水流流為臨界界流，當(dāng)v＞vw時(shí)，水流流為急流流，干擾擾波不能能向上游游傳播，，只能向向下游傳傳播（馬馬赫椎內(nèi)內(nèi)）。9微波波速速的計(jì)算算：以一豎直直平板在在平底矩矩形棱柱柱體明渠渠中激起起一個(gè)干干擾微波波。觀察察者隨波波前行。。對(duì)上述的的運(yùn)動(dòng)坐坐標(biāo)系水水流作恒恒定非均均勻流動(dòng)動(dòng)。不計(jì)計(jì)摩擦力力對(duì)1-1和2-2斷面建立立連續(xù)性性和能量量方程。。10聯(lián)解上兩兩式，并并令得得令，，則微波波波速：：明渠斷面面為任意意形狀時(shí)時(shí)，式中：為斷面平平均水深深，A為斷面面面積，B為水面寬寬度。11實(shí)際工程程中微波波傳播的的絕對(duì)速速度對(duì)臨界流流斷面平平均流速速恰好等等于微波波相對(duì)波波速對(duì)臨界流流有佛佛汝德德數(shù)佛汝德數(shù)數(shù)的①物物理意義義是：流速速與相對(duì)對(duì)波速之之比12顯然：當(dāng)當(dāng)Fr＜1，水流為為緩流；當(dāng)Fr＝1，水流為為臨界流；當(dāng)Fr＞1，水流為為急流。佛汝德數(shù)數(shù)的②物理意義義是：過(guò)水?dāng)嗝婷鎲挝恢刂亓恳后w體平均動(dòng)動(dòng)能與平平均勢(shì)能能之比的二二倍開(kāi)平平方。13佛汝德數(shù)數(shù)的③物理意義義，即佛汝德數(shù)數(shù)的力學(xué)學(xué)意義是：代表水流流的慣性性力和重重力兩種種作用的的對(duì)比關(guān)關(guān)系。146-2斷面比能能與臨界界水深明渠中水水流的流流態(tài)也可可從能量量的角度度來(lái)分析析。一、斷面面比能、、比能曲曲線如圖所示示漸變流流，若以0-0為基準(zhǔn)面面，則過(guò)水?dāng)鄶嗝嫔蠁螁挝恢亓恳后w體所具有有的總能量為為：15如果我們們把參考考基準(zhǔn)面面選在渠渠底這一一特殊位位置，把把對(duì)通過(guò)過(guò)渠底的的水平面面0′-0′所計(jì)算得得到的單單位能量量稱(chēng)為斷面比能能，并以來(lái)來(lái)表示，，則在實(shí)用上上，因一一般明渠渠底坡較較小，可可認(rèn)為故常采用用16當(dāng)流量Q和過(guò)水?dāng)鄶嗝娴男涡螤罴俺叱叽缫欢ǘ〞r(shí)，斷斷面比能能僅僅是是水深的的函數(shù)，，即Es＝f(h)，以圖表表示則稱(chēng)稱(chēng)為:比能曲線線。17為什么?18因在過(guò)水水?dāng)嗝嫔仙?，，代入上式式有若取，則有因因而而對(duì)斷面面比能曲線線有19二、臨界界水深相應(yīng)于斷斷面單位位能量最最小值的的水深稱(chēng)稱(chēng)為臨界界水深，，以hk表示。由臨界流流方程當(dāng)流量和和過(guò)水?dāng)鄶嗝嫘螤顮罴俺叽绱缃o定時(shí)時(shí)，利用用上式即可求解解臨界水水深。。注以腳標(biāo)標(biāo)表示臨臨界水深深時(shí)的水水力要素素201.矩形斷面面明渠臨臨界水深深的計(jì)算算上式中為為單寬寬流量。。21222．?dāng)嗝鏋闉槿我庑涡螤顣r(shí)，，臨界水水深的計(jì)計(jì)算23（1）試算法法當(dāng)給定流流量Q及明渠斷斷面形狀狀、尺寸寸后，(6.15)式的左端端為為一一定值，，該式的的右端乃乃僅僅僅是水深深的函數(shù)數(shù)。于是是可以假假定若干干個(gè)水深深h，從而可算出出若干個(gè)與之之對(duì)應(yīng)的值值，當(dāng)某一一值值剛好與與相相等等時(shí)，其相應(yīng)應(yīng)的水深即為為所求的臨界界水深hK。24（2）圖解法圖解法的實(shí)質(zhì)質(zhì)和試算法相相同。當(dāng)假定定不同的水深深h時(shí)，可得出若若干相應(yīng)的值值，然后后將這些值點(diǎn)點(diǎn)繪成h~關(guān)系曲線圖（（見(jiàn)圖），在在該圖的軸軸上，量取取其值為的的長(zhǎng)度，，由此引鉛垂垂線與曲線相相交于C點(diǎn)，C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的h值即為所求hK。253.等腰梯形斷面面臨界水深計(jì)計(jì)算若明渠過(guò)水?dāng)鄶嗝鏋樘菪?，，且兩?cè)邊坡坡相同，在這這種情況下，，可應(yīng)用一種種簡(jiǎn)便圖解法法，現(xiàn)將其原原理簡(jiǎn)述如下下：對(duì)于等腰梯形形斷面有：代入（6-15）式可得（令令α=1）將上式兩端同同除以后后開(kāi)立立方則得26（6-20）上式中，，b為梯形斷面的的底寬。上式左端實(shí)際際上表示一個(gè)個(gè)與梯形斷面面底寬相等的的矩形斷面的的臨界水深。。為了與欲求求的梯形斷面面的臨界水深深相相區(qū)別將其其以來(lái)來(lái)表示示，即令（6-21）27若將（6-20）式兩端同乘乘以可可得得（6-22）上式移項(xiàng)后可可得（6-23）282930求解梯形斷面面臨界水深的的方法：1.求出與梯形斷斷面底寬相等等的矩形斷面面的臨界水深深；；2然后根據(jù)梯形形斷面已知m,b值算出；；3再由關(guān)關(guān)系系曲線上查出出相應(yīng)的值值，，從而可算出出梯形斷面的的值值。31當(dāng)h>時(shí)，F(xiàn)r<1，為緩流，h=時(shí)，F(xiàn)r=1，為臨界流，，h<時(shí)，Ｆr>1，為急流。根據(jù)所給流量量及斷面尺寸寸，應(yīng)用上述述方法求出臨臨界水深以以后后，也可用來(lái)來(lái)判判斷：32例6.1一矩形斷面明明渠，流量Q=30m3/s，底寬b=8m。要求：(1)用計(jì)算及圖解解法求渠中臨臨界水深；(2)計(jì)算渠中實(shí)際際水深h=3m時(shí)，水流的弗弗勞德數(shù)、微微波波速，并并據(jù)此以不同同的角度來(lái)判判別水流的流流態(tài)。解：（1）求臨界水深深由附圖Ш右下角hK~q關(guān)系圖上可查查出當(dāng)q=3.75m3/s·m時(shí)，hK=1.13m。33（2）當(dāng)渠中水深深h=3m時(shí)渠中流速弗勞德數(shù)微波波速臨界流速34從水深看，因因h＞hK，故渠中水流流為緩流。以Fr為標(biāo)準(zhǔn)，因Fr＜1，水流為緩流流。以微波波速與與實(shí)際水流流流速作比較，，因，，微波波可以向上游游傳播，故水水流為緩流。。以臨界流速與與實(shí)際水流流流速作比較較，因，，故水流為為緩流。35例6.2一梯形斷面渠渠道，底寬b為5m，邊坡系數(shù)m為1。要求：計(jì)算通通過(guò)流量分別別為Q1為10m3/s，Q2為15m3/s，Q3為20m3/s時(shí)的臨界水深深。解:(1)繪制h~關(guān)系曲線因?qū)?duì)梯形形斷面先假定若干h，計(jì)算相應(yīng)的的值值，，計(jì)算成果見(jiàn)見(jiàn)表6.136表6.1根據(jù)表中數(shù)值值，繪制h~關(guān)系曲線，如如圖6.8所示。（2）計(jì)算各級(jí)流流量下的值值，并由圖中查讀讀臨界水深。。37當(dāng)時(shí)時(shí)，由圖查查得當(dāng)時(shí)時(shí)，由圖查查得當(dāng)時(shí)時(shí)，由圖查查得38例6.3已知梯形斷面面渠道，b為45m，m為2.0,Q為500m3/s，要求：用圖圖解法求臨界界水深解：因查附圖III右下角曲線：：得計(jì)算；；根據(jù)，，查同一圖圖左上角曲線線得為為0.97則臨界水深396-3臨界底坡、緩緩坡與陡坡到目前我們知知道了三種水水深：均勻流正常水水深非均勻流水深深臨界水深若已知明渠斷斷面形狀及尺尺寸，當(dāng)流量量一定時(shí)，均均勻流情況下下可將底坡與與渠中正常水水深的關(guān)系（（p213）為：明渠均勻流的的正常水深h0恰好與臨界水水深hk相等時(shí)，此坡坡度定義為臨界底坡。當(dāng)?shù)灼耰增大時(shí)，正常常水深h0將減小，反之之當(dāng)i減小時(shí)正常水水深h0將增大。40在臨界底坡上上作均勻流時(shí)時(shí)，滿足臨界界流的條件式式另一方面又要要同時(shí)滿足均均勻流的基本本方程式聯(lián)立可得臨界界底坡的計(jì)算算式為41一個(gè)坡度為i的明渠，與其其相應(yīng)（即同同流量、同斷斷面尺寸、同同糙率）的臨臨界底坡相比比較可能有三三種情況：：，為緩坡，為陡坡，為臨界坡42在明渠均勻流流的情況下，，若則則若則則若則則用底坡的類(lèi)型型就可以判別別水流的流態(tài)態(tài)，即在緩坡坡上水流為緩緩流，在陡坡坡上水流為急急流，在臨界界坡上水流為為臨界流。這這種判別只能能適用于均勻勻流的情況，，在非均勻流流時(shí)就不一定定了。4344454647486-4臨界水深的一一些實(shí)例臨界水深對(duì)分分析明渠流具具有重要的意意義。(1)河道或渠道中中如知道臨界界水深并量取取該斷面的尺尺寸，其流量量就能簡(jiǎn)便地地估算出來(lái)；；(2)可將發(fā)生臨界界水深斷面作作為控制斷面面據(jù)此來(lái)推求求上下游水面面曲線。496-4臨界水深的一一些實(shí)例一、當(dāng)渠道底底坡自陡坡變變?yōu)榫徠聲r(shí)此時(shí)水流會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生一種水面突然然躍起的特殊水力現(xiàn)現(xiàn)象叫水躍。水躍自水深小于臨界水深深躍入大于臨界水深深，其間必經(jīng)經(jīng)過(guò)臨界水深深。K-K線與底坡i無(wú)關(guān)50二、當(dāng)渠道底底坡自緩坡變變?yōu)槎钙聲r(shí)渠道中均勻流流由緩流變?yōu)闉榧绷鲿r(shí)，水水流會(huì)產(chǎn)生水水面降落現(xiàn)象象，叫做水跌。51三、當(dāng)緩坡渠渠道末端自由由跌落時(shí)52三、當(dāng)緩坡渠渠道末端自由由跌落時(shí)53四、當(dāng)水流自自水庫(kù)進(jìn)入陡陡坡渠道時(shí)水庫(kù)中水流為為緩流，而陡陡坡渠道中均均勻流為急流流，水流由緩緩流過(guò)渡到急急流時(shí)，必經(jīng)經(jīng)過(guò)臨界水深深。546-5明渠渠恒恒定定非非均均勻勻漸漸變變流流的的微微分分方方程程式式在底底坡坡為為i的明明渠渠漸漸變變流流中中，，沿沿水水流流方方向向任任取取一一微微分分流流段段ds，對(duì)對(duì)微微分分流流段段上上、、下下游游斷斷面面建建立立能能量量方方程程如如下下：：55又因因化簡(jiǎn)簡(jiǎn)可可得得非均均勻勻流流沿沿程程水水頭頭損損失失尚尚無(wú)無(wú)精精確確的的計(jì)計(jì)算算方方法法，，仍仍然然近近似似地地采采用用均均勻勻流流公公式式計(jì)計(jì)算算；；局局部部水水頭頭損損失失用用代代入入可可得得56若明明渠渠底底坡坡i值小小于于1/10，實(shí)實(shí)用用上上一一般般都都采采用用，，并并用用鉛鉛垂垂水水深深代代替替垂垂直直于于槽槽底底水水深深上式式即即為為明明渠渠恒恒定定非非均均勻勻漸漸變變流流的的基基本本微微分分方方程程式式576-5明渠渠恒恒定定非非均均勻勻漸漸變變流流的的微微分分方方程程式式下面面研研究究明明渠渠水水深深沿沿流流程程的的變變化化規(guī)規(guī)律律。。一、、水水深深沿沿程程變變化化的的微微分分方方程程式式式中中一般般情情況況下下，，A=f(h,s)對(duì)非棱棱柱柱體體明明渠渠非非均均勻勻漸漸變變流流水水深深沿沿流流程程變變化化的的微微分分方方程程式式為為：：58棱柱柱體體明明渠渠59二、、水水位位沿沿流流程程變變化化的的微微分分方方程程式式在天天然然河河道道中中，，常常用用水水位位的變變化化來(lái)來(lái)反反映映非非均均勻勻漸漸變變流流變變化化規(guī)規(guī)律律。。因又有有所以以即60二、、水水位位沿沿流流程程變變化化的的微微分分方方程程式式將(35)代入入(27)得非非均均勻勻漸漸變變流流的的水水位位沿沿流流程程變變化化微微分分方方程程為為上式式對(duì)對(duì)棱棱柱柱體體及及非非棱棱柱柱體體均均適適用用，，主主要要用用于于探探討討天天然然河河道道水水流流的的水水位位變變化化規(guī)規(guī)律律。。616-6棱柱柱體體明明渠渠中中恒恒定定非非均均勻勻漸變變流流水水面面曲曲線線分分析析棱柱柱體體明明渠渠非非均均勻勻漸漸變變流流微微分分方方程程式式為為：：上式式表表明明水水深深h沿流流程程s的變變化化是是和和渠渠道道底底坡坡i及實(shí)實(shí)際際水水流流的的流流態(tài)態(tài)有有關(guān)關(guān)。。按底底坡坡性性質(zhì)質(zhì)分分為為正正坡坡、、平平坡坡和和逆逆坡坡。。對(duì)正正坡坡明明渠渠可可分分為為緩緩坡坡、、陡陡坡坡和和臨臨界界坡坡三三種種情情況況。。62正坡坡明明渠渠中中，，水水流流有有可可能能做做均均勻勻流流動(dòng)動(dòng)，，因因而而存存在在正正常常水水深深h0，另另一一方方面面它它也也存存在在臨臨界界水水深深。。63在平平底底及及逆逆坡坡棱棱柱柱體體明明渠渠中中，，因因不不可可能能有有均均勻勻流流，，不不存存在在正正常常水水深深h0，僅僅存存在在臨臨界界水水深深，，所所以以只只能能畫(huà)畫(huà)出出與與渠渠底底相相平平行行的的臨臨界界水水深深線線K－K。下下圖圖乃乃是是平平底底和和逆逆坡坡棱棱柱柱體體明明渠渠中中K－K線情情況況。。641．a(chǎn)區(qū)凡實(shí)實(shí)際際水水深深h既大大于于，，又又大大于于即即凡凡是是在在K－K線和和N－N線二二者者之之上上的的范范圍圍稱(chēng)稱(chēng)為為a區(qū)。。652．b區(qū)凡是是實(shí)實(shí)際際水水深深h介于于和和之之間間的的范范圍圍稱(chēng)稱(chēng)為為b區(qū)。b區(qū)可能能有兩兩種情情況：：K－K線在N－N線之下下（緩緩坡明明渠），，或K－K線在N－N線之上上（陡陡坡明明渠）），無(wú)無(wú)論那種情情況都都屬于于b區(qū)。對(duì)于平平底和和逆坡坡棱柱柱體明明渠，，因不不存在在N-N線，或或者可可以設(shè)設(shè)想N-N線在無(wú)無(wú)限遠(yuǎn)遠(yuǎn)處，，所以以只存存在b區(qū)與c區(qū)663．c區(qū)凡是實(shí)實(shí)際水水深h既小于于又又小于于的的區(qū)域域，即即在N－N線及K－K線二者者之下下的區(qū)區(qū)域。。對(duì)于平平底和和逆坡坡棱柱柱體明明渠，，因不不存在在N－N線，所所以只只存在在b區(qū)與c區(qū)。K-K線之上上為b區(qū)，K-K線之下下為c區(qū)67對(duì)于正正底坡坡，存存在均均勻流流由式（（5.8）得，，68對(duì)于緩緩坡i<ik：a1型壅水水曲線線如右右圖所所示。。69對(duì)于緩緩坡i<ik：a1型壅水水曲線線如右右圖所所示。。70b1型降水水曲線線如左左上圖圖所示示。71b1型降水水曲線線如左左上圖圖所示示。72c1型壅水水曲線線如左左下圖圖所示示。73緩坡水水面線線的型型式及及實(shí)例例見(jiàn)下下圖74陡坡水水面線線a2:h>hk>h0,K>K0;Fr<1;故dh/ds>0b2:hk>h>h0,K>K0;Fr>1;故dh/ds<0c2:hk>h0>h,K<K0;Fr>1;故dh/ds>075臨界坡坡水面面線a3:h>hk＝h0,K>K0;Fr<1;故dh/ds>0c3:hk＝h0>h,K<K0;Fr>1;故dh/ds>076平坡和和逆坡坡水面面線b0和b′:Fr<1;故dh/ds<0c0和c′:Fr>1;故dh/ds>07778例6.5試討論論分析析下圖圖所示示兩段段斷面面尺寸寸及糙糙率相相同的的長(zhǎng)直直棱柱柱體明明渠，，由于于底坡坡變化化所引引起渠渠中非非均勻勻流水水面變變化形形式。。已知知上游游及下下游渠渠道底底坡均均為緩緩坡，，但i2>i1。79解：為分析析渠中中水面面變化化，首首先分分別畫(huà)畫(huà)出上上、下下游渠渠道的的K－K線及N－N線。由由于上上、下下游渠渠道斷斷面尺尺寸相相同，，故兩兩段渠渠道的的臨界界水深深均相相等。。而上上、下下游渠渠道底底坡不不等，，故正正常水水深則則不等等，因因i1<i2，故h01>h02，下游游渠道道的N－N線低于于上游游渠道道的N－N線。因渠道道很長(zhǎng)長(zhǎng)，在在上游游無(wú)限限遠(yuǎn)處處應(yīng)為為均勻勻流，，其水水深為為正常常水深深h01；下游游無(wú)限限遠(yuǎn)處處亦為為均勻勻流，，其水水深為為正常常水深深h02。80由上游游較大大的水水深h01要轉(zhuǎn)變變到下下游較較小的的水深深h02，中間間必經(jīng)經(jīng)歷一一段降降落的的過(guò)程程。水水面降降落有有三種種可能能：(1)上游渠渠中不不降，，全在在下游游渠中中降落落；(2)完全在在上游游渠中中降落落，下下游渠渠中不不降落落；(3)在上、、下游游渠中中分別別都降降落一一部分分。81在上述述三種種可能能情況況中，，若按按照第第一種種或第第三種種方式式降落落，那那么必必然會(huì)會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)下游游渠道道中a區(qū)發(fā)生生降水水曲線線的情情況。。前面面已經(jīng)經(jīng)論證證，緩緩坡a區(qū)只能能存在在的是是壅水水曲線線，所所以第第一、、第三三兩種種降落落方式式不能能成立立，惟惟一合合理的的方式式是第第二種種，即即降水水曲線線全部部發(fā)生生在上上游渠渠道中中，由由上游游很遠(yuǎn)遠(yuǎn)處趨趨近于于h01的地方方，逐逐漸下下降至至分界界斷面面處水水深達(dá)達(dá)到h02，而下下游渠渠道保保持為為h02的均勻勻流，，所以以上游游渠道道水面面曲線線為b1型降水水曲線線。(1)上游渠渠中不不降，，全在在下游游渠中中降落落；(2)完全在在上游游渠中中降落落，下下游渠渠中不不降落落；(3)在上上、、下下游游渠渠中中分分別別都都降降落落一一部部分分。。828384i1<iki2=0i3>ik85i4<iki3=iki2>iki1=08687從急流過(guò)過(guò)渡到緩緩流要發(fā)發(fā)生水躍躍，水躍躍的位置置有三種種。h01的共軛水水深用h01””來(lái)表示。。若h02=h01”，水躍在在變坡處處發(fā)生，，稱(chēng)為臨臨界水躍躍。88若h02<h01”，水躍在在下游渠渠道發(fā)生生，稱(chēng)為為遠(yuǎn)驅(qū)式式水躍。。89若h02>h01”，水躍在在上游渠渠道中發(fā)發(fā)生，稱(chēng)稱(chēng)為淹沒(méi)沒(méi)水躍。。90從急流過(guò)過(guò)渡到緩緩流要發(fā)發(fā)生水躍躍，水躍躍的位置置有三種種。h01的共軛水水深用h01””來(lái)表示。。若h02=h01”，水躍在在變坡處處發(fā)生，，稱(chēng)為臨臨界水躍躍；若h02<h01”，水躍在在下游渠渠道發(fā)生生，稱(chēng)為為遠(yuǎn)驅(qū)式式水躍；；若h02>h01”，水躍在在上游渠渠道中發(fā)發(fā)生，稱(chēng)稱(chēng)為淹沒(méi)沒(méi)水躍。。916-7明渠恒定定非均勻勻漸變流流水面線線曲的計(jì)計(jì)算——逐段試算算法一、基本計(jì)算算公式明渠恒定定非均勻勻漸變流流的基本本微分方方程式為為：略去局部部損失，，得流段的平平均水力力坡度一一般般采用：：92平均值或或可可用用以下三三種方法法之一計(jì)計(jì)算：或者93二、計(jì)算算方法逐段推算算實(shí)際計(jì)算算可能有有兩種類(lèi)類(lèi)型：（1）已知流流段兩端端的水深深，求流流段的距距離。。對(duì)于棱柱柱體明渠渠，可直直接計(jì)算算；對(duì)于于非棱柱柱體明渠渠，必須須采用試試算法。。（2）已知流流段一端端的水深深和流段段長(zhǎng)，，求另一端斷斷面水深深。須采采用試算算法94例6-6一長(zhǎng)直棱棱柱體明明渠，底底寬b為10m，m為1.5，n為0.022，i為0.0009，當(dāng)通過(guò)過(guò)流量Q為45m3／s時(shí)，渠道末端水水深h為3.4m。求：計(jì)算算渠道中中的水面面曲線？？解：（一）由由于渠道道底坡大大于零，，應(yīng)首先先判別渠渠道是緩坡或是是陡坡，，水面曲曲線屬于于哪種類(lèi)類(lèi)型。本題條件件與例6-4相同，由由例6-4計(jì)算已知知再計(jì)算均均勻流水水深因95由附圖Ⅱ查得，，所所以，，因，，故渠道道屬于緩緩坡。又又因下游游渠道末末端水深大于正正常水深深，所以以水面線線一定在在a區(qū)，水面面線為型壅水曲曲線。型型水水面曲線線上游端端以正常常水深線線為漸近線，取取曲線上上游端水水深比正正常水深深稍大一一點(diǎn)，即即96（二）計(jì)計(jì)算水面面曲線首先列出出各計(jì)算算公式式中，，，，，，。。97今以，，求求兩斷面面間之距距離。。將有關(guān)關(guān)已知數(shù)數(shù)值代入入上列公公式中，，分別求求得：9899＝1.374×10-4100其余各流流段的計(jì)計(jì)算完全全相同，，采用列列表法進(jìn)進(jìn)行：101（三）根根據(jù)表6-2的數(shù)值，，繪制水水面曲線線見(jiàn)圖6-23。102例6-7某一邊墻墻成直線線收縮的的矩形渠渠道（如如圖6-24），渠長(zhǎng)長(zhǎng)60m，進(jìn)口寬寬b1為8m，出口寬寬b2為4m，渠底為為反坡，，i為-0.001，粗糙系系數(shù)n為0.014,當(dāng)Q為18m3/s時(shí)，進(jìn)口口水深h1為2m，要求計(jì)計(jì)算中間間斷面及及出口斷斷面水深深。103解：渠道寬度度逐漸收收縮，故故為非棱棱柱體明明渠，求求指定斷斷面的水水深，必必須采用用試算法仍引用公公式（6-40）來(lái)計(jì)算算104（一）計(jì)計(jì)算中間間斷面的的水深已知中間間斷面寬寬度b為6m，今假定定其水深深h為1.8m，按下列各各式計(jì)算算有關(guān)水水力要素素：105106將以上各值列列于表6-3中。又因進(jìn)口斷面面寬度及水深深已知，按以以上公式計(jì)算算進(jìn)口斷面的各水水流要素，將將計(jì)算結(jié)果列列于表6-3中。根據(jù)表6-3中有關(guān)數(shù)值，，代入（6-40）式中，算出出為107108計(jì)算得到為為93.4m，與實(shí)際長(zhǎng)度度30米相差甚遠(yuǎn)，，說(shuō)明前面所假假設(shè)之水深1.8米與實(shí)際不符符合，必須重重新假設(shè)，故已假假設(shè)中間斷面面水深為1.9米，按以上程程序計(jì)算，得到為為29.58米，與實(shí)際長(zhǎng)長(zhǎng)度非常接近近，所以可認(rèn)為中間斷面面水深為1.9米。（二）出口斷斷面水深的計(jì)計(jì)算與前面的的計(jì)算方法完完全一樣，不再贅述述。從表6-3看出，出口水水深應(yīng)為1.5米。1096-8河渠恒定非均均勻流的流量量與糙率一流量的計(jì)計(jì)算若已知河道或或明渠的水面面線以及斷面面的尺寸,底坡等,需要估算河渠渠中流量.而河渠中水流流常屬于非均均勻流.應(yīng)按照非均勻勻流情況來(lái)處處理.例如根據(jù)洪水水痕跡估算洪洪水流量乃屬屬于這種類(lèi)型型。非均勻漸變流流的水位沿流流程變化微分分方程為110二粗糙糙系數(shù)的計(jì)算算對(duì)于具有顯著著非均勻特征征的水流，必必須按照非均均勻流來(lái)處理理。將滿寧公公式代代入下式得111例6-8某河流經(jīng)過(guò)洪洪水調(diào)查找到到歷史上某次次洪水的若干干痕跡，測(cè)得得有關(guān)資料列列于表6-4。河段上、下下游斷面間距距△s為183m，水位落差△△z為2.59m。112例6-9岷江上游干流流某河段長(zhǎng)128m,曾進(jìn)行水力要要素及河道斷斷面的實(shí)測(cè),當(dāng)河道中流量量為1620m3/s時(shí),河段有關(guān)資料料列于表6-5.若不計(jì)局部損損失,試計(jì)算該河段段粗糙系數(shù).1136-9河道水面曲線線的計(jì)算在計(jì)算河道水水面線之前，，先要收集有有關(guān)水文、泥泥沙及河道地地形等資料，，如河道粗糙糙系數(shù)、河道道縱橫剖面圖圖等。由于河道斷面面形狀極不規(guī)規(guī)則，在計(jì)算算河道水面曲曲線時(shí)，劃分分計(jì)算流段應(yīng)應(yīng)注意以下幾幾個(gè)方面：1．要求每個(gè)計(jì)計(jì)算流段內(nèi)，，過(guò)水?dāng)嗝嫘涡螤?、尺寸以以及粗糙系?shù)數(shù)、底坡等變變化都不太大大。1142．在一個(gè)計(jì)算算流段內(nèi)，上上、下游斷面面水位差不不能過(guò)大，一一般般對(duì)平原河流流取0.2～1.0米，山區(qū)河流流取1.0～3.0米。3．每個(gè)計(jì)算流流段內(nèi)沒(méi)有支支流流入或流流出。若河道道有支流存在在，必須把支支流放在計(jì)算算流段的入口口或出口,對(duì)加入的支流流最好放在流流段的進(jìn)口附附近，流出的的支流放在流流段的出口。。115116一、試算法由得得式中得到117并把方程中同同一斷面的水水力要素列在在等式的同一一端，得到＝方程的兩端各各是上游水位和下下游水位函數(shù)數(shù)。118試算法的步驟驟：1.若已知下游斷斷面的水位Zd，按式求出函函數(shù)值。2.假定若干上游游斷面水位Zu，按式(6.51)的第一式可算算出相應(yīng)的若若干f(Zu)值，并繪制Zu～f(Zu)關(guān)系曲線，如如圖。119在圖的橫坐標(biāo)標(biāo)上截取一段向曲線作鉛垂垂線交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)之縱坐標(biāo)值值即為所求之上上游斷面水位。。該水位對(duì)另一一個(gè)流段來(lái)講講，又是下游游水位。循著著上述步驟可可依次求出上上游各斷面的的水位，從而而得到全河道道的水面曲線線。120二、圖解法河道水面曲線線圖解法很多多，所有圖解解法歸納起來(lái)來(lái)可分為兩大大類(lèi)型，一種類(lèi)型是考考慮了流速水水頭和局部損損失的圖解法法；另一種類(lèi)型是是忽略流速水水頭和局部損損失的圖解