工程流體力學(xué)(同名241)課件

EngineeringFluidMechanics工程流體力學(xué)中南大學(xué)EngineeringFluidMechanics工程流1第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第4章流動(dòng)阻力和水頭損失第5章孔口、管嘴出流及有壓管流第6章明渠均勻流第7章明渠水流的兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換目錄第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)2第六章明渠均勻流第一節(jié)概述第二節(jié)明渠均勻流特性及公式第三節(jié)水力最佳斷面及允許流速第四節(jié)無壓圓管均勻流第六章明渠均勻流第一節(jié)概述第二節(jié)明渠3基本內(nèi)容1、了解明槽水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。2、了解明槽均勻流的特點(diǎn)和形成條件，熟練掌握明槽均勻流公式，并能應(yīng)用它來進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明渠的糙率n值。4、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)

基本內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)4第一節(jié)概述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流分類：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流

無第一節(jié)概述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽5AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以及未被液流所充滿的管道都是明渠流.

明渠流與有壓流區(qū)別

有壓管流：①具有封閉的濕周；②壓力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿ΑＣ髑鳎孩倬哂凶杂伤妫此鎵簭?qiáng)為大氣壓）；②重力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?；③明渠水面線即測(cè)壓管水頭線AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以6一、明渠橫斷面1.天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地枯水期：水流過主槽豐水期：水流過主槽和灘地

灘地主槽一、明渠橫斷面1.天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地7

斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀分:梯形、矩形、圓形、拋物線形等hbdhθ巖石中開鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠—矩形排水管道或無壓隧道—圓形土質(zhì)地基—梯形斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀8bBhm1α渠道底寬b渠中水深h水面寬度B過水?dāng)嗝婷娣eA水力半徑R斷面寬深比邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點(diǎn)間的水平距離bBhm1α渠道底寬b邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點(diǎn)間9土壤種類邊坡系數(shù)m粉砂3.0~5.3細(xì)沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密實(shí)黃土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半巖性的抗水的土壤0.5~1.25風(fēng)化的巖石0.25~0.5未風(fēng)化的巖石0.00~0.25m的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護(hù)面情況而定，可查表0.5~1.250.25~0.5未風(fēng)化的巖石0.00~0.210二、明渠底坡

底坡i—渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡θ—渠底線與水平線之間的夾角如果用水平距離代替實(shí)際距離，用垂直水深代替實(shí)際水深二、明渠底坡底坡i—渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱11明渠底坡有三種類型

正（順）坡i

>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不變負(fù)（逆）坡i<0渠底高程沿流程增加

i>0

i=0

i<0

明渠底坡有三種類型正（順）坡i>0渠底高12三、明渠的分類按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分棱柱體明渠、非棱柱體明渠三、明渠的分類按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分棱柱體明渠、非棱13第二節(jié)明渠均勻流特性及基本公式一、明渠均勻流的特性（1）

過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸、水深沿程不變，流速分布、平均流速均沿程不變?）總水頭線、水面線、渠底線三線平行J=Jp=i（3）摩擦阻力與重力分量相平衡Gsinθ=FTθihhJJpvv第二節(jié)明渠均勻流特性一、明渠均勻流的特性（1）過水?dāng)嗝嫘?4二、明渠均勻流的形成條件

水流恒定，流量沿程不變

正坡，底坡沿程不變

棱柱體渠道，糙率沿程不變

明渠足夠長(zhǎng)直，不受干擾二、明渠均勻流的形成條件水流恒定，流量沿程不變正坡，底坡15圖明渠中的流動(dòng)均勻流段非均勻流段非均勻流段離開渠進(jìn)口、或水工建筑物一定距離遠(yuǎn)的順直棱柱體明渠恒定流天然河道某些順直、整齊河段在枯、平水期圖明渠中的流動(dòng)均勻流段非均勻流段非均勻流段離開渠進(jìn)口、16三、明渠均勻流基本公式基本公式

1)2)三、明渠均勻流基本公式基本公式1)2)17量綱流量流量模數(shù)謝才公式謝才系數(shù)

恒定均勻流

謝才公式適用條件:阻力平方區(qū)i>0單位m.s?量綱流量流量模數(shù)謝才公式謝才系數(shù)恒定均勻流18

糙率n值的確定天然河道中影響糙率n值的因素①河床表面粗糙②斷面的不規(guī)則、平彎情況、灘地交叉、河道阻礙情況③河堤沙坡影響隨水深變化注意:

選擇時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏小，對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。糙率n值的確定天然河道中影響糙率n值的因素注意19第三節(jié)水力最佳斷面及允許流速一、明渠水力最優(yōu)斷面水力最佳斷面：過流斷面的面積、糙率、底坡一定,通過的流量最大的斷面形狀當(dāng)Q=一定，要求：A→Amin當(dāng)A=一定，要求：Q→Qmax面積、糙率、底坡一定,流量最大,要求R最大

半圓形斷面為水力最佳斷面。第三節(jié)水力最佳斷面一、明渠水力最優(yōu)斷面水力最佳斷面：過流斷20梯形斷面的最佳寬深比，Rm=hm/2矩形斷面的最佳寬深比，bm=2hm“水力最佳”不是

“技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳”綜合考慮水力最佳斷面不太合理

例如

一般土渠邊坡m>

1，βm<1，是深窄形斷面，需深挖高填，造成施工不便、維護(hù)管理困難；水深變化大，給通航和灌溉帶來不便，經(jīng)濟(jì)上反而不利。因此，限制了水力最佳斷面在實(shí)際中應(yīng)用.梯形斷面的最佳寬深比，Rm=hm/2矩形斷面的最佳寬21保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值不淤流速v’’渠道中懸沙淤積的臨界流速，取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。

不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質(zhì)和水深，可查閱有關(guān)水利設(shè)計(jì)手冊(cè)。

二、允許流速保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值不淤流速v’’渠道中22梯形斷面最佳寬深比根據(jù)已知的Q,i,n,m和b=0.61h,得:水力最佳斷面【例】一條路基排水溝，底坡i=0.005;n=0.025,m=1.5;要求通過流量,試按水力最佳斷面的原理求出此排水溝的底寬和水深?！窘狻?/p>

梯形斷面最佳寬深比根據(jù)已知的Q,i,n,m和231.允許流速上述兩組數(shù)據(jù)無實(shí)際意義。由：又：或【例】試按允許流速和水力最優(yōu)條件，分別設(shè)計(jì)一土質(zhì)為細(xì)砂土的梯形斷面渠道的斷面尺寸，并考慮渠道是否需要加固。已知設(shè)計(jì)流量：【解】

1.允許流速上述兩組數(shù)據(jù)無實(shí)際意義。由：242.按水力最優(yōu)驗(yàn)算需要加固又水力最優(yōu)時(shí)：2.按水力最優(yōu)驗(yàn)算需要加固又水力最優(yōu)時(shí)：25第四節(jié)明渠均勻流的水力計(jì)算校核過流能力問題Q設(shè)計(jì)渠槽的底坡

i設(shè)計(jì)渠槽斷面尺寸bh第四節(jié)明渠均勻流的校核過流能力問題Q26校核渠道輸水能力

已知mbhni,求Q【例】設(shè)計(jì)渠槽的底坡i

已知mbhnQ,求i設(shè)計(jì)渠槽斷面尺寸已知Qmni,求bh

校核渠道輸水能力【例】設(shè)計(jì)渠槽的底坡i設(shè)計(jì)渠27例如，邊坡為混凝土護(hù)面，底部為漿砌卵石的渠道明渠斷面周界上糙率不同的明渠均勻流n1,χ1n2

,χ2n1

,χ1n2

,χ2天然河道主槽與河灘糙率不同主槽灘地引入綜合糙率nr，其他計(jì)算同前例如，邊坡為混凝明渠斷面周界上糙率不同的明渠均勻流n1,χ28當(dāng)渠道流量變化大時(shí)，斷面形狀采用復(fù)式斷面復(fù)式斷面明渠均勻流的水力計(jì)算

例如，水位剛剛漫上淺灘（第二個(gè)臺(tái)階）時(shí)，濕周突然增大，過水面積變化小，計(jì)算流量會(huì)突然減小，小于實(shí)際流量。

糟率沿濕周可能不變，也可能變化，視具體情況而定，由于水深變化引起濕周變化可能是不連續(xù)的，對(duì)于復(fù)式斷面渠道，不能用綜合糙率來計(jì)算流量。實(shí)際流量hQ計(jì)算流量

當(dāng)渠道流量變化大時(shí)，斷面形狀采用復(fù)式斷面復(fù)式斷面明渠均勻流的29把斷面按水深劃為幾部分，分別計(jì)算流速、流量用垂線把斷面劃分成三部分，注意：計(jì)算各部分濕周時(shí)，不要把兩垂直分界線計(jì)入。水力計(jì)算：χ1

h1

χ2

χ3h2

h3

把斷面按水深劃為幾部分，分別計(jì)算流速、流量用垂線把斷面劃分成30無壓圓管是指不滿流的長(zhǎng)管道，如污水管道、雨水管道、無壓長(zhǎng)涵管等第五節(jié)無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流過水?dāng)嗝娴乃σ匾弧⒊錆M度滿流非滿流二、無壓圓管的最佳充滿度水力最佳發(fā)生在非滿流時(shí)（滿流之前）無壓圓管是指不滿流的長(zhǎng)管道，如污水管道、第五節(jié)無壓圓管均勻31相對(duì)流量、相對(duì)流速無量綱曲線面積A和濕周χ隨著水深的變化趨勢(shì)不同最大設(shè)計(jì)充滿度管徑d/mm或暗渠H/mm最大設(shè)計(jì)充滿度α150-3000.6350-4500.7500-9000.75>10000.8相對(duì)流量、相對(duì)流速無量綱曲線面積A和濕周χ隨著水深的變化趨勢(shì)32本章作業(yè)習(xí)題6.1，習(xí)題6.2，習(xí)題6.10，習(xí)題6.8本章作業(yè)習(xí)題6.1，33第七章明渠水流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換第一節(jié)緩流和急流第二節(jié)流態(tài)判別的方法第三節(jié)水躍和水跌第七章明渠水流的流態(tài)第一節(jié)緩流和急流第二節(jié)流態(tài)判34第一節(jié)緩流和急流緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時(shí)，水面壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。常見于底坡平緩的渠道或枯水季節(jié)的平原河流中。第一節(jié)緩流和急流緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時(shí)，水面壅高35急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來流無影響。常見于山丘和丘陵地區(qū)的陡槽、險(xiǎn)灘中。急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來36第二節(jié)流態(tài)判別方法：1、波速（c）法、水流遇到障礙物后產(chǎn)生波動(dòng)（擾動(dòng)），擾動(dòng)產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。

靜止水V=0

運(yùn)動(dòng)水V第二節(jié)流態(tài)判別方法：1、波速（c）法、水流遇到障礙物372、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：——表征動(dòng)能——緩流——急流——臨界流2、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：——表征動(dòng)能——緩流——急流—383、斷面比能法z0h

cosθhzz0θ00vQ上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準(zhǔn)面，過水?dāng)嗝鎲挝灰褐氐目偰芰繛楫?dāng)?shù)灼娄龋?°）較小的渠道，cosθ≈1，則式中，E

s

為斷面比能（斷面單位能量）3、斷面比能法z0hcosθhzz0θ00vQ上39

比較

z0h

cosθhzz0θ00vQE和Es兩者相差一個(gè)渠底高程，Es與渠底高程無關(guān)流量一定時(shí)，Es是斷面形狀、尺寸的函數(shù)當(dāng)流量和斷面形狀一定時(shí)，Es是水深函數(shù)例如，均勻流比較z0hcosθhzz0θ00vQE和Es40斷面比能曲線Esh漸近線1：橫坐標(biāo)為漸近線漸近線2：坐標(biāo)軸成45°直線

當(dāng),流態(tài)為臨界流

斷面比能曲線Esh漸近線1：41當(dāng),流態(tài)為臨界流

臨界流方程

或

Hk為臨界水深EsminhhkEs緩流當(dāng)42緩流急流hEsminhkEs臨界流急流緩流急流hEsminhkEs臨界流急流43緩流急流hEsminhkEs臨界流斷面比能的變化規(guī)律h1h2Es2Es1hhkEsh1h2Es2Es1緩流急流hEsminhkEs臨界流斷面比能的變化規(guī)律h1h444、臨界水深及其計(jì)算

臨界流方程

矩形斷面明渠

任意斷面的明渠為含hk的高次隱函數(shù)式，不能直接求解hk

試算法、試算圖解法

Hk與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關(guān)，與n、i無關(guān)：緩流，：急流：臨界流，4、臨界水深及其計(jì)算臨界流方程矩形斷面明渠任意斷45在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量一定時(shí)，均勻流正常水深h0=hk時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渠底底坡稱為臨界底坡ik。臨界底坡是一個(gè)假想底坡，與渠道實(shí)際底坡無關(guān)，僅與渠道流量Q、糙率n、斷面形狀尺寸有關(guān).5、臨界坡度法由：在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量臨界底坡是一個(gè)假想底坡46在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，也可以作非均勻流動(dòng)，如作非均勻流動(dòng)，則：【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已知流量Q＝25m3/s，渠寬b＝5m，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0005。試用三種方法判別該渠道在均勻流時(shí)的流態(tài)。在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已47底坡（均勻流時(shí)）水深流速Fr數(shù)比能E動(dòng)能與水深h>hkh<hkh=hkV<CV>

CV=

CFr<1Fr>1Fr=1dE/dh>0dE/dh<0dE/dh=0i>iki<iki=ik特征緩流急流臨界流討論：流態(tài)判定的幾種方法底坡（均勻流時(shí)）水深流速Fr數(shù)比能E動(dòng)能與水深h>hk48【解】

緩流又【解】緩流又4921058110.7320513226.554.120.5513.2227.504.221513.4228.33【解】

緩流取210550緩流緩流【解】

【解】

緩流緩流【解】【解】51第三節(jié)水躍和水跌———為明渠水流的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)出現(xiàn)的局部水力現(xiàn)象水躍：急流到緩流時(shí)水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。常發(fā)生于閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。KK緩流急流水躍是明渠非均勻急變流的重要現(xiàn)象，增加了上、下游水流銜接的復(fù)雜性，還引起大量的能量損失，可以利用這一特點(diǎn)，進(jìn)行下泄水流的消能，以減免對(duì)河床的沖刷。第三節(jié)水躍和水跌———為明渠水流的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)水躍：52水躍流動(dòng)特征水躍下部：主流區(qū)，流速由快變慢，急劇擴(kuò)散水躍中水體摻入大量空氣水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區(qū)表面旋滾區(qū)與下部主流區(qū)附近大量質(zhì)量、動(dòng)量交換，紊動(dòng)摻混極為強(qiáng)烈,界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層.水躍流動(dòng)特征水躍下部：主流區(qū)，流速由快變慢，急劇擴(kuò)散水躍中水53Ljh2ah12211將表面水滾的首端稱為躍首（躍前水深h1），尾端稱為躍尾（躍后水深h2），首尾間距離稱為躍長(zhǎng)L，高差為躍高a，躍首與躍尾的水深稱為共軛水深。12h12i=0KKhkh2aLj1Ljh2ah12211將表面水滾的12h12i=0KKh54流速分布不均勻用途水躍區(qū)中流速分布急劇變化，水體劇烈旋轉(zhuǎn)、摻混和強(qiáng)烈紊動(dòng)，使得水流內(nèi)部摩擦加劇，因而水流的機(jī)械能大量損失.實(shí)驗(yàn)表明，水躍區(qū)中單位機(jī)械能損失可達(dá)20%~80%。水利工程中常用水躍消能.保護(hù)河床免受急流沖刷、淘刷流速分布不均勻用途水躍區(qū)中流速分布急劇變55水跌：緩流到急流時(shí)水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。常發(fā)生于下游渠底坡度變陡、或下游渠道斷面形狀突然改變時(shí)。水跌：緩流到急流時(shí)水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。常發(fā)生于下游渠56如圖，緩坡渠道后接一陡槽，水流經(jīng)過連接斷面時(shí)的水深可以認(rèn)為是臨界水深，水跌發(fā)生流態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，在轉(zhuǎn)換處通過臨界水深，但水面是連接面，不同于水躍表面漩滾形成的不連續(xù)面。水流在跌坎上自由跌落的水力現(xiàn)象，水流是以水舌形式通過跌坎下跌，跌坎上游是緩流，而坎后水舌是急流，跌坎前后發(fā)生流態(tài)轉(zhuǎn)變，跌坎處是臨界水深。

57EngineeringFluidMechanics工程流體力學(xué)中南大學(xué)EngineeringFluidMechanics工程流58第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第4章流動(dòng)阻力和水頭損失第5章孔口、管嘴出流及有壓管流第6章明渠均勻流第7章明渠水流的兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換目錄第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)59第六章明渠均勻流第一節(jié)概述第二節(jié)明渠均勻流特性及公式第三節(jié)水力最佳斷面及允許流速第四節(jié)無壓圓管均勻流第六章明渠均勻流第一節(jié)概述第二節(jié)明渠60基本內(nèi)容1、了解明槽水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。2、了解明槽均勻流的特點(diǎn)和形成條件，熟練掌握明槽均勻流公式，并能應(yīng)用它來進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明渠的糙率n值。4、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)

基本內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)61第一節(jié)概述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流分類：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流

無第一節(jié)概述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽62AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以及未被液流所充滿的管道都是明渠流.

明渠流與有壓流區(qū)別

有壓管流：①具有封閉的濕周；②壓力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。明渠流：①具有自由水面（即水面壓?qiáng)為大氣壓）；②重力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ虎勖髑婢€即測(cè)壓管水頭線AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以63一、明渠橫斷面1.天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地枯水期：水流過主槽豐水期：水流過主槽和灘地

灘地主槽一、明渠橫斷面1.天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地64

斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀分:梯形、矩形、圓形、拋物線形等hbdhθ巖石中開鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠—矩形排水管道或無壓隧道—圓形土質(zhì)地基—梯形斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀65bBhm1α渠道底寬b渠中水深h水面寬度B過水?dāng)嗝婷娣eA水力半徑R斷面寬深比邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點(diǎn)間的水平距離bBhm1α渠道底寬b邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點(diǎn)間66土壤種類邊坡系數(shù)m粉砂3.0~5.3細(xì)沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密實(shí)黃土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半巖性的抗水的土壤0.5~1.25風(fēng)化的巖石0.25~0.5未風(fēng)化的巖石0.00~0.25m的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護(hù)面情況而定，可查表0.5~1.250.25~0.5未風(fēng)化的巖石0.00~0.267二、明渠底坡

底坡i—渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡θ—渠底線與水平線之間的夾角如果用水平距離代替實(shí)際距離，用垂直水深代替實(shí)際水深二、明渠底坡底坡i—渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱68明渠底坡有三種類型

正（順）坡i

>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不變負(fù)（逆）坡i<0渠底高程沿流程增加

i>0

i=0

i<0

明渠底坡有三種類型正（順）坡i>0渠底高69三、明渠的分類按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分棱柱體明渠、非棱柱體明渠三、明渠的分類按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分棱柱體明渠、非棱70第二節(jié)明渠均勻流特性及基本公式一、明渠均勻流的特性（1）

過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸、水深沿程不變，流速分布、平均流速均沿程不變?）總水頭線、水面線、渠底線三線平行J=Jp=i（3）摩擦阻力與重力分量相平衡Gsinθ=FTθihhJJpvv第二節(jié)明渠均勻流特性一、明渠均勻流的特性（1）過水?dāng)嗝嫘?1二、明渠均勻流的形成條件

水流恒定，流量沿程不變

正坡，底坡沿程不變

棱柱體渠道，糙率沿程不變

明渠足夠長(zhǎng)直，不受干擾二、明渠均勻流的形成條件水流恒定，流量沿程不變正坡，底坡72圖明渠中的流動(dòng)均勻流段非均勻流段非均勻流段離開渠進(jìn)口、或水工建筑物一定距離遠(yuǎn)的順直棱柱體明渠恒定流天然河道某些順直、整齊河段在枯、平水期圖明渠中的流動(dòng)均勻流段非均勻流段非均勻流段離開渠進(jìn)口、73三、明渠均勻流基本公式基本公式

1)2)三、明渠均勻流基本公式基本公式1)2)74量綱流量流量模數(shù)謝才公式謝才系數(shù)

恒定均勻流

謝才公式適用條件:阻力平方區(qū)i>0單位m.s?量綱流量流量模數(shù)謝才公式謝才系數(shù)恒定均勻流75

糙率n值的確定天然河道中影響糙率n值的因素①河床表面粗糙②斷面的不規(guī)則、平彎情況、灘地交叉、河道阻礙情況③河堤沙坡影響隨水深變化注意:

選擇時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏小，對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。糙率n值的確定天然河道中影響糙率n值的因素注意76第三節(jié)水力最佳斷面及允許流速一、明渠水力最優(yōu)斷面水力最佳斷面：過流斷面的面積、糙率、底坡一定,通過的流量最大的斷面形狀當(dāng)Q=一定，要求：A→Amin當(dāng)A=一定，要求：Q→Qmax面積、糙率、底坡一定,流量最大,要求R最大

半圓形斷面為水力最佳斷面。第三節(jié)水力最佳斷面一、明渠水力最優(yōu)斷面水力最佳斷面：過流斷77梯形斷面的最佳寬深比，Rm=hm/2矩形斷面的最佳寬深比，bm=2hm“水力最佳”不是

“技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳”綜合考慮水力最佳斷面不太合理

例如

一般土渠邊坡m>

1，βm<1，是深窄形斷面，需深挖高填，造成施工不便、維護(hù)管理困難；水深變化大，給通航和灌溉帶來不便，經(jīng)濟(jì)上反而不利。因此，限制了水力最佳斷面在實(shí)際中應(yīng)用.梯形斷面的最佳寬深比，Rm=hm/2矩形斷面的最佳寬78保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值不淤流速v’’渠道中懸沙淤積的臨界流速，取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。

不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質(zhì)和水深，可查閱有關(guān)水利設(shè)計(jì)手冊(cè)。

二、允許流速保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值不淤流速v’’渠道中79梯形斷面最佳寬深比根據(jù)已知的Q,i,n,m和b=0.61h,得:水力最佳斷面【例】一條路基排水溝，底坡i=0.005;n=0.025,m=1.5;要求通過流量,試按水力最佳斷面的原理求出此排水溝的底寬和水深?！窘狻?/p>

梯形斷面最佳寬深比根據(jù)已知的Q,i,n,m和801.允許流速上述兩組數(shù)據(jù)無實(shí)際意義。由：又：或【例】試按允許流速和水力最優(yōu)條件，分別設(shè)計(jì)一土質(zhì)為細(xì)砂土的梯形斷面渠道的斷面尺寸，并考慮渠道是否需要加固。已知設(shè)計(jì)流量：【解】

1.允許流速上述兩組數(shù)據(jù)無實(shí)際意義。由：812.按水力最優(yōu)驗(yàn)算需要加固又水力最優(yōu)時(shí)：2.按水力最優(yōu)驗(yàn)算需要加固又水力最優(yōu)時(shí)：82第四節(jié)明渠均勻流的水力計(jì)算校核過流能力問題Q設(shè)計(jì)渠槽的底坡

i設(shè)計(jì)渠槽斷面尺寸bh第四節(jié)明渠均勻流的校核過流能力問題Q83校核渠道輸水能力

已知mbhni,求Q【例】設(shè)計(jì)渠槽的底坡i

已知mbhnQ,求i設(shè)計(jì)渠槽斷面尺寸已知Qmni,求bh

校核渠道輸水能力【例】設(shè)計(jì)渠槽的底坡i設(shè)計(jì)渠84例如，邊坡為混凝土護(hù)面，底部為漿砌卵石的渠道明渠斷面周界上糙率不同的明渠均勻流n1,χ1n2

,χ2n1

,χ1n2

,χ2天然河道主槽與河灘糙率不同主槽灘地引入綜合糙率nr，其他計(jì)算同前例如，邊坡為混凝明渠斷面周界上糙率不同的明渠均勻流n1,χ85當(dāng)渠道流量變化大時(shí)，斷面形狀采用復(fù)式斷面復(fù)式斷面明渠均勻流的水力計(jì)算

例如，水位剛剛漫上淺灘（第二個(gè)臺(tái)階）時(shí)，濕周突然增大，過水面積變化小，計(jì)算流量會(huì)突然減小，小于實(shí)際流量。

糟率沿濕周可能不變，也可能變化，視具體情況而定，由于水深變化引起濕周變化可能是不連續(xù)的，對(duì)于復(fù)式斷面渠道，不能用綜合糙率來計(jì)算流量。實(shí)際流量hQ計(jì)算流量

當(dāng)渠道流量變化大時(shí)，斷面形狀采用復(fù)式斷面復(fù)式斷面明渠均勻流的86把斷面按水深劃為幾部分，分別計(jì)算流速、流量用垂線把斷面劃分成三部分，注意：計(jì)算各部分濕周時(shí)，不要把兩垂直分界線計(jì)入。水力計(jì)算：χ1

h1

χ2

χ3h2

h3

把斷面按水深劃為幾部分，分別計(jì)算流速、流量用垂線把斷面劃分成87無壓圓管是指不滿流的長(zhǎng)管道，如污水管道、雨水管道、無壓長(zhǎng)涵管等第五節(jié)無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流過水?dāng)嗝娴乃σ匾?、充滿度滿流非滿流二、無壓圓管的最佳充滿度水力最佳發(fā)生在非滿流時(shí)（滿流之前）無壓圓管是指不滿流的長(zhǎng)管道，如污水管道、第五節(jié)無壓圓管均勻88相對(duì)流量、相對(duì)流速無量綱曲線面積A和濕周χ隨著水深的變化趨勢(shì)不同最大設(shè)計(jì)充滿度管徑d/mm或暗渠H/mm最大設(shè)計(jì)充滿度α150-3000.6350-4500.7500-9000.75>10000.8相對(duì)流量、相對(duì)流速無量綱曲線面積A和濕周χ隨著水深的變化趨勢(shì)89本章作業(yè)習(xí)題6.1，習(xí)題6.2，習(xí)題6.10，習(xí)題6.8本章作業(yè)習(xí)題6.1，90第七章明渠水流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換第一節(jié)緩流和急流第二節(jié)流態(tài)判別的方法第三節(jié)水躍和水跌第七章明渠水流的流態(tài)第一節(jié)緩流和急流第二節(jié)流態(tài)判91第一節(jié)緩流和急流緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時(shí)，水面壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。常見于底坡平緩的渠道或枯水季節(jié)的平原河流中。第一節(jié)緩流和急流緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時(shí)，水面壅高92急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來流無影響。常見于山丘和丘陵地區(qū)的陡槽、險(xiǎn)灘中。急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來93第二節(jié)流態(tài)判別方法：1、波速（c）法、水流遇到障礙物后產(chǎn)生波動(dòng)（擾動(dòng)），擾動(dòng)產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。

靜止水V=0

運(yùn)動(dòng)水V第二節(jié)流態(tài)判別方法：1、波速（c）法、水流遇到障礙物942、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：——表征動(dòng)能——緩流——急流——臨界流2、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：——表征動(dòng)能——緩流——急流—953、斷面比能法z0h

cosθhzz0θ00vQ上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準(zhǔn)面，過水?dāng)嗝鎲挝灰褐氐目偰芰繛楫?dāng)?shù)灼娄龋?°）較小的渠道，cosθ≈1，則式中，E

s

為斷面比能（斷面單位能量）3、斷面比能法z0hcosθhzz0θ00vQ上96

比較

z0h

cosθhzz0θ00vQE和Es兩者相差一個(gè)渠底高程，Es與渠底高程無關(guān)流量一定時(shí)，Es是斷面形狀、尺寸的函數(shù)當(dāng)流量和斷面形狀一定時(shí)，Es是水深函數(shù)例如，均勻流比較z0hcosθhzz0θ00vQE和Es97斷面比能曲線Esh漸近線1：橫坐標(biāo)為漸近線漸近線2：坐標(biāo)軸成45°直線

當(dāng),流態(tài)為臨界流

斷面比能曲線Esh漸近線1：98當(dāng),流態(tài)為臨界流

臨界流方程

或

Hk為臨界水深EsminhhkEs緩流當(dāng)99緩流急流hEsminhkEs臨界流急流緩流急流hEsminhkEs臨界流急流100緩流急流hEsminhkEs臨界流斷面比能的變化規(guī)律h1h2Es2Es1hhkEsh1h2Es2Es1緩流急流hEsminhkEs臨界流斷面比能的變化規(guī)律h1h1014、臨界水深及其計(jì)算

臨界流方程

矩形斷面明渠

任意斷面的明渠為含hk的高次隱函數(shù)式，不能直接求解hk

試算法、試算圖解法

Hk與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關(guān)，與n、i無關(guān)：緩流，：急流：臨界流，4、臨界水深及其計(jì)算臨界流方程矩形斷面明渠任意斷102在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量一定時(shí)，均勻流正常水深h0=hk時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渠底底坡稱為臨界底坡ik。臨界底坡是一個(gè)假想底坡，與渠道實(shí)際底坡無關(guān)，僅與渠道流量Q、糙率n、斷面形狀尺寸有關(guān).5、臨界坡度法由：在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量臨界底坡是一個(gè)假想底坡103在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，也可以作非均勻流動(dòng)，如作非均勻流動(dòng)，則：【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已知流量Q＝25m3/s，渠寬b＝5m，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0005。試用三種方法判別該渠道在均勻流時(shí)的流態(tài)。在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已104底坡（均勻流時(shí)）水深流速Fr數(shù)比能E動(dòng)能與水深h>hkh<hkh=hkV<CV>

CV=

CFr<1Fr>1Fr=1dE/dh>0dE/dh<0dE/dh=0i>iki<iki=ik特征緩流急流臨界流討論：流態(tài)判定的幾種方法底坡（均勻流時(shí)）水深流速Fr數(shù)比能E動(dòng)能與水深h>hk