明渠恒定流的流動(dòng)類型及其判別

第七章明渠恒定流

§7-1明渠均勻流§7-2明渠恒定流的流動(dòng)類型及其判別§7-3水跌與水躍§7-1明渠均勻流明渠流：水面與大氣接觸的渠槽中的水流運(yùn)動(dòng)稱為明渠水流。特點(diǎn)：具有自由表面。自由表面上受大氣壓作用，相對(duì)壓強(qiáng)為零，又稱為無(wú)壓流。水在渠道、無(wú)壓管道以及江河中的流動(dòng)都是明渠流動(dòng)。7.1.1基本概念均勻流與非均勻流過(guò)水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸以及過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植佳爻滩蛔兦伊骶€為平行直線的流動(dòng)稱為明渠均勻流動(dòng)，否則為非均勻流動(dòng)。在明渠非均勻流中，根據(jù)水流過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e和流速沿程變化的程度，分為漸變流動(dòng)和急變流動(dòng)。底坡渠底與水平面夾角的正弦，或者沿渠底單位距離上渠底高程的降低或升高值稱為底坡，記為i。明渠的分類（1）順底坡、平底坡與反底坡

順底坡：渠底沿程降低的底坡，i＞0；平底坡：渠底水平的底坡，i＝0;反底坡：渠底沿程上升的底坡，i<0.規(guī)則斷面有矩形、梯形、U形和圓形斷面等，其斷面形狀及幾何要素見(jiàn)表7.1.1。非規(guī)則斷面如天然河道的斷面。

（2）規(guī)則斷面和非規(guī)則斷面

（3）棱柱形渠道與非棱柱形渠道

斷面形狀、尺寸和底坡沿程不變的渠道稱為棱柱形渠道，上述三者之一沿程變化的渠道稱為非棱柱形渠道。明渠均勻流的特點(diǎn)1.總能線、測(cè)壓管水頭線及底坡線三者平行；2.作用在水流上的重力在流動(dòng)方向上的分量與明槽壁面上的摩擦力相等；3．渠底高程的降低值等于沿程水頭損失。均勻流運(yùn)動(dòng)的能源來(lái)自渠底高程的降低,平底坡和反底坡渠道中不能產(chǎn)生均勻流。明渠均勻流產(chǎn)生的條件1.沿程流量不變的恒定流；2.棱柱形、正底坡、渠中無(wú)建筑物的長(zhǎng)渠道中；3.沿程粗糙系數(shù)n不變。明渠均勻流的基本公式謝才公式

曼寧公式

水力最佳斷面指在流量、底坡、粗糙系數(shù)已知時(shí)，要求設(shè)計(jì)的過(guò)水?dāng)嗝婢哂凶钚〉拿娣e；或者說(shuō)，在過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、底坡和粗糙系數(shù)等已知時(shí)，能使渠道通過(guò)的流量為最大，這種斷面就是水力最佳斷面。當(dāng)渠床的粗糙系數(shù)n、底坡i及過(guò)水?dāng)嗝娣eA一定時(shí)，濕周χ愈小流量Q愈大。梯形斷面的水力最佳斷面水力最佳斷面的條件：過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA為常數(shù)和濕周χ最小。梯形斷面水力最佳斷面的寬深比取邊坡系數(shù)m＝0，得最佳矩形斷面的寬深比一般只適用于流量或水深較小的渠道。實(shí)際設(shè)計(jì)除了考慮水力最佳條件以外，還要綜合考慮經(jīng)濟(jì)等其它方面的多種因素。均勻流的解法1.直接解法（1）當(dāng)其他量已知，求流量或底坡或粗糙系數(shù)時(shí)，可直接由均勻流渠道中的流量表達(dá)式求解。（2）寬矩形斷面渠道求正常水深h0。（3）當(dāng)已知渠道的寬深比時(shí)，求渠中的正常水深。對(duì)梯形斷面渠道：2.試算法或圖解法（1）當(dāng)已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b）時(shí)，由于此時(shí)需要求解關(guān)于h0和b的非線性方程，不能直接求解，只能采用試算法，或者應(yīng)用附圖Ⅰ的圖解曲線求解。（2）當(dāng)已知寬深比β=b/h0或者最佳寬深比βm，可以用附圖Ⅰ圖解曲線求解。3.聯(lián)解（1）當(dāng)限制渠中流速v和水深h0（或b）求底坡i和底寬b（或h0）時(shí)；（2）當(dāng)限制渠中流速v和底坡i求水深h0和底寬b時(shí)。7.1.3渠道設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題1.渠道設(shè)計(jì)中的典型問(wèn)題

（1）已知底坡、過(guò)水?dāng)嗝鎱?shù)（包括形狀、尺寸）及渠底材料等，求該渠道可能通過(guò)的流量大??；（2）已知底坡、渠床材料及要求通過(guò)的流量，求應(yīng)有的過(guò)水?dāng)嗝鎱?shù)；（3）已知要求通過(guò)的流量、過(guò)水?dāng)嗝鎱?shù)及渠底材料，要求確定底坡。2.邊甚坡系數(shù)以與底坡遇的確定渠道的憑邊坡系掀數(shù)由渠棕床土壤輸?shù)男再|(zhì)弦確定。水力學(xué)咐角度認(rèn)熄為底坡土應(yīng)該盡知量小，悄這樣沿挽程水頭球損失小罩。施工角盆度要求五底坡盡暈量與地仗形坡度鞏一致，暑這樣易片于使挖辱方與填害方平衡課，降低我施工造逼價(jià)。一般而棟言山區(qū)寺渠道和揉排水渠惱道的底概坡陡些寧，而平回原渠道輕和灌溉齒渠道的勝底坡緩蠟些。一丙般土渠餃的底坡活變化范欺圍大約疼為i＝靈0.0唯001?！?.織001稿。3.不遇沖不淤逐流速—頓允許流事速渠道中的販設(shè)計(jì)流速意為v，不晚淤允許流醒速為v`流`，不沖懶允許流速舟v`為，耽則要求設(shè)術(shù)計(jì)流速應(yīng)胸該滿足不淤允占許流速查表7并.1.臣4由表中善查得的合流速需蹦乘以系團(tuán)數(shù)k不沖允溉許流速買v`4.綜衛(wèi)合粗糙污系數(shù)渠道斷面券由三種護(hù)壇面組成：印混凝土，鹿光滑巖面搜和粗糙巖逢面。設(shè)它臟們的粗糙襯系數(shù)和濕敗周分別為反n1，χ1；n2，χ2；n3，χ3，則整個(gè)喉斷面的綜身合粗糙系醬數(shù)按下面濾計(jì)算5.復(fù)比式斷面由折線邊毀坡組成的靈過(guò)水?dāng)嗝嫔Q為復(fù)式磨斷面，由捏主河槽與德灘地組成悟。特點(diǎn)：主門河槽的水灑力半徑大陽(yáng)、粗糙系尖數(shù)小，而狂灘地的水?dāng)偭Π霃叫茫植谙禋q數(shù)大。7.1.浙4圓形加斷面內(nèi)的妙無(wú)壓均勻午流圓管中賤的流動(dòng)胳具有自茫由表面枕，表面厲壓強(qiáng)為群大氣壓教強(qiáng)時(shí)，弟當(dāng)管路應(yīng)為坡度辜沿程不長(zhǎng)變的直醉線管路級(jí)時(shí)，管乘路內(nèi)的祝流動(dòng)就分是無(wú)壓抄均勻流展。過(guò)水?dāng)嗳久婷娣e濕周水力半朋徑水面寬毛度管中最大前流量和最第大流速并言不發(fā)生在云滿管時(shí)。例7.國(guó)1.1鉗有鉗一漿砌功石護(hù)面悅的梯形籃斷面渠甘道,邊郊坡系數(shù)束m=1襯.5,成粗糙系棗數(shù)n=柔0.0塘25,純底坡i胳=0.肥000淘4,底個(gè)寬b=辨5m,娛渠中通僵過(guò)的流手量Q=有8m3/s,那該渠道箭的不沖耳允許流擱速v`隨=3m拼/s,遲試求:（1）跌渠道中旗的正常獎(jiǎng)水深h0;（2）該葵渠道是否衫滿足不沖參不淤條件意。（1）正蜘常水深h0的計(jì)算a.試加算法b.圖設(shè)解法利用附圖類I進(jìn)行圖劣解。然后由橫本坐標(biāo)軸7溜.35處匪向上作垂牌線交m=凱1.5直亂線上于一摔點(diǎn),再由罷此點(diǎn)向左陽(yáng)引水平線知與坐標(biāo)軸醉的交點(diǎn)即腰為所求。(2)椒不沖不彼淤檢查該渠道錢滿足不敞沖不淤氧條件。例7.伍1.2閣欲修劉一混凝絲式土護(hù)面牙的梯形可斷面渠門道,已霞知底坡偷i=0雜.00安1,邊棵坡系數(shù)游m=1嚷.5,炕粗糙系敢數(shù)n=酷0.0盯17,沙要求渠端道中通蚊過(guò)的流煙量Q=夠5m3/s,裁試按水抬力最佳攝斷面設(shè)比計(jì)此渠煉道的斷瞞面尺寸冒。(1)正雞常求解(2)用舒附圖I求解例7.救1.3倆有一則圓形混灶凝土污網(wǎng)水管，很已知底績(jī)坡i＝盼0.0溝05，適粗糙系迅數(shù)n=裂0.0消14，嗽充滿度裙α=0皺.75掩時(shí)流量傻Q=0坊.25寶m3/s，試缸求：該管讓的管徑d眾?！?-涂2明秋渠恒定巡壽流的流襪動(dòng)類型解及其判泰別明渠均勻四流產(chǎn)生的駐條件1.沿程纖流量不變?cè)獾暮愣鲙r；2.棱柱允形、正底枕坡、渠中禁無(wú)建筑物預(yù)的長(zhǎng)渠道求中；3.沿在程粗糙謊系數(shù)n僑不變。非均勻碰流產(chǎn)生員的原因（1）渠弱道的斷面踢形狀、尺薯寸、粗糙蹲系數(shù)及底撫坡i沿程刻有變化；（2）渠窗道較短或劉者渠中有憂水工建筑搞物存在。明渠非吐均勻流表的特點(diǎn)（1）水括深h和斷座面平均流負(fù)速v沿程釋變化；（2）晃流線間刊互相不招平行；（3）水繩力坡度線刻、測(cè)壓管猜水頭線和洋底坡線彼伐此間不平好行。研究非均他勻流的主植要任務(wù)（1）蘭定性分醫(yī)析水面毒曲線；（2）首定量計(jì)貸算水面仰曲線。明渠恒定丑流的三種早流動(dòng)類型緩流急流臨界流緩流的特澤點(diǎn)：緩流盲中水深李較大，章流速較螺小，干循擾波既夏能向上屯游傳播酬也能向圾下游傳艱播。急流的特倉(cāng)點(diǎn)：急流中虧水深較淺斥，流速較摸大，急流聲渠道中干首擾波只能蓋向下游傳含播。波速c砌的計(jì)算中公式假設(shè)一示平底坡宋棱柱形慮渠道，印渠內(nèi)靜脹水深為愛(ài)h，水離面寬為夏B，過(guò)態(tài)流斷面太面積為疏A，如叉用直立駕薄板向肅左撥動(dòng)虎一下，舒使水面拳產(chǎn)生一乒個(gè)波高嶄為△h斷的微波箏，以速瘦度c傳多播。流動(dòng)類型朽的判別波速法弗勞德（腳W.Fr予oude括）數(shù)法斷面比能筒法水深法底坡法1.波速法波速法是巨通過(guò)渠中淋的斷面平酷均速度v善與干擾波宴在靜水中日的傳播速壩度c對(duì)比倚來(lái)確定流踢動(dòng)類型。一般斷姜面渠道棍靜水中寧波速c洽為2.弗勞街德（W.彩Frou廚de）數(shù)巧法通過(guò)渠盾中的斷校面平均兇速度v大與干擾汪波在靜逼水中的請(qǐng)傳播速揀度c之薪比來(lái)確吊定流動(dòng)邊類型。弗勞德朱數(shù)流動(dòng)類型攻的判別3.斷懂面比能法單位重量惱水體相對(duì)望于過(guò)水?dāng)鄽W面最低點(diǎn)壘處的水平夜面的總能緒量定義為響斷面比能籠，也稱為無(wú)斷面單位黑能量，記硬為Es。斷面比能斷面比能警函數(shù)的特大點(diǎn)當(dāng)流量前、斷面瓣形狀及膊尺寸一鋸定時(shí)，情斷面比受能Es只是水深孕h的函數(shù)當(dāng)h→0師時(shí)A→0弦，于是Es→∞，即斷面督比能函數(shù)役曲線與水愚平軸漸近餡相切；當(dāng)h→∞雄時(shí)A→∞退，于是Es→h，即維斷面比能浪曲線與過(guò)桿坐標(biāo)原點(diǎn)聾的45°鋼線漸近相休切。斷面比蔬能函數(shù)椒曲線臨界水沒(méi)深4.水滔深法臨界水浩深時(shí)對(duì)愉應(yīng)的斷琴面比能振最小臨界方程臨界方程唱的求解（1）對(duì)畜于一般斷寶面形狀的抗渠道可以梅通過(guò)試算廉法求得臨疼界水深。（2）踩矩形、佳梯形及始圓形斷惱面明渠叫中的臨熟界水深愉可以用態(tài)附圖Ⅱ隊(duì)的圖解每曲線求渴解。（3）沈?qū)τ诰刈C形斷面5.底扮坡法在流量、冷斷面形狀何及尺寸一荒定的棱柱檢形渠道中偷，均勻流職水深恰巧沙等于臨界甘水深時(shí)的酬渠底坡度街定義為臨李界坡度，豎記為icr。將正常規(guī)水深h0滿足的童均勻流呢方程和肯hcr滿足的臨掃界方程聯(lián)梁立求解就泡可以得到駱臨界坡度噸。臨界坡度（1）擋當(dāng)渠道熔實(shí)際的湖坡度小輔于某一狹流量下?lián)竦呐R界嫌坡度，拒即i<齊icr，從而h0>hcr時(shí)，稱古此渠道僅坡度為快緩坡；（2）鉗當(dāng)i=澆icr，從而失h0=hcr時(shí)，此渠第道的坡度飼稱為臨界軍坡度；（3）當(dāng)茅i>icr，從而錫h0<hcr時(shí)，此渠派道的坡度愧稱為陡坡涌。注意：渠道底嬸坡的緩陡管之稱并不米是固定不透變的。當(dāng)流量變治化時(shí)相應(yīng)掉的臨界水被深要變化批，因而臨均界坡度也攏有變化，駁該渠道底襲坡的緩陡疾之稱也將拖隨之變化校。例7.諷2.1扶有用一漿砌僚塊石護(hù)架面的梯礎(chǔ)形斷面鎮(zhèn)渠道，窗邊坡系誼數(shù)m=毒1.5議，粗糙蚊系數(shù)n柴=0.這025澤，底坡誓i=殼0.0后004此，底寬昨b=5扛m，當(dāng)軟渠中通曲過(guò)流量啊Q=墳8m3/s時(shí)栗渠道中圣的正常肥水深h0=1.捏40m倆，試用賀所學(xué)的辭方法判村別該渠