1、2022-4-8 1:14第第七七章章 明渠流動明渠流動4課時課時2022-4-8 1:14桂林至北海高速公路僚田立交太原武宿立交橋2022-4-8 1:14沙河渡槽進口閘工程沙河渡槽進口閘工程 沙河渡槽示意圖 2022-4-8 1:147.0 本章概述本章概述一、目錄一、目錄二二、教學(xué)、教學(xué)目的與要求目的與要求三、三、教學(xué)重點與難點教學(xué)重點與難點四、四、作業(yè)作業(yè)42022-4-8 1:14一、目錄一、目錄7.1 概述概述7.2 明渠均勻流明渠均勻流7.3 無壓管均勻流無壓管均勻流7.4 明渠水流的流態(tài)與判別明渠水流的流態(tài)與判別7.5 水躍與水跌水躍與水跌7.6 棱柱形渠道恒定非均勻漸變流水面

2、曲線的分析棱柱形渠道恒定非均勻漸變流水面曲線的分析52022-4-8 1:14二、教學(xué)目標(biāo)與要求二、教學(xué)目標(biāo)與要求掌握掌握河渠流動的基本河渠流動的基本概念概念能夠能夠進行河渠均勻流動的進行河渠均勻流動的水力計算水力計算能夠進行能夠進行河渠河渠非均勻流水面曲線的分析非均勻流水面曲線的分析斷面單位能量、臨界水深，恒定明渠流動的流斷面單位能量、臨界水深，恒定明渠流動的流動型態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)，動型態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)，62022-4-8 1:14三、教學(xué)重點與三、教學(xué)重點與難點難點重點重點河渠均勻流動的水力計算河渠均勻流動的水力計算河渠非均勻流水面曲線的分析河渠非均勻流水面曲線的分析斷面單位能量、臨界斷面單位能量

3、、臨界水深水深恒定恒定明渠流動的流動型態(tài)及判別明渠流動的流動型態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)難點難點河渠非均勻流水面曲線的分析河渠非均勻流水面曲線的分析斷面單位能量、臨界水深斷面單位能量、臨界水深恒定明渠流動的流動型態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)恒定明渠流動的流動型態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)72022-4-8 1:14四、四、作業(yè)作業(yè)習(xí)題習(xí)題7.67.107.197.2282022-4-8 1:147.1 概述概述一、基本概念一、基本概念二、明渠的橫斷面二、明渠的橫斷面三、渠道底坡三、渠道底坡四、渠道的設(shè)計流速四、渠道的設(shè)計流速92022-4-8 1:147.1 概述概述一、基本一、基本概念概念1、明渠、明渠-人工修建或自然形成的過流渠漕

4、人工修建或自然形成的過流渠漕2、明渠中的水流與大氣相接處，自由表面各點、明渠中的水流與大氣相接處，自由表面各點均為大氣壓強均為大氣壓強3、包含：無壓隧洞、渡槽、涵洞以及天然河道、包含：無壓隧洞、渡槽、涵洞以及天然河道中的水流中的水流102022-4-8 1:147.1 概述概述輸水渠道輸水渠道2022-4-8 1:147.1 概述概述無壓隧洞無壓隧洞2022-4-8 1:147.1 概述概述 渡槽渡槽 馬德堡水橋馬德堡水橋2022-4-8 1:14一、基本概念一、基本概念4、明渠恒定流與非恒定流明渠恒定流與非恒定流5、明渠恒定均勻流與非均勻流明渠恒定均勻流與非均勻流147.1 概述概述2022

5、-4-8 1:14二、明渠二、明渠的橫斷面的橫斷面垂直于渠道中心線作鉛垂面與渠底及渠壁的交線稱為明渠的橫斷面。主槽灘地梯形斷面河道斷面矩形斷面bh1mB底寬底寬水深邊坡系數(shù)7.1 概述概述2022-4-8 1:14棱柱體棱柱體非棱柱體2 23 311223311二、明渠的橫斷面二、明渠的橫斷面斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，同時又無彎曲的渠道，稱為棱柱體渠道。斷面形狀、尺寸或底坡沿程改變的渠道，稱為非棱柱體渠道。7.1 概述概述2022-4-8 1:14二、明渠的橫斷面二、明渠的橫斷面反映斷面的形狀特征值稱為斷面水力要素。水面寬水面寬2Bbmh過水?dāng)嗝婷娣e過水?dāng)嗝婷娣e()Abmh h濕周濕周22

6、1bhm水力半徑水力半徑2()R21Abmh hbhm7.1 概述概述2022-4-8 1:147.1 概述概述三、明渠三、明渠的底坡的底坡明渠渠底縱向（沿水流方向）傾斜的程度稱為底明渠渠底縱向（沿水流方向）傾斜的程度稱為底坡。以坡。以i表示。表示。2022-4-8 1:147.1 概述概述底坡線水面線水面線底坡線底坡線i 0順坡、正坡順坡、正坡 三、明渠三、明渠的底坡的底坡i等于渠底線與水平線夾角的正弦，即i=sin。i = 0平坡平坡 i 0逆坡、負坡逆坡、負坡2022-4-8 1:147.1 概述概述四、渠道的設(shè)計流速四、渠道的設(shè)計流速1、防沖刷、防沖刷 最大設(shè)計流速最大設(shè)計流速 水深水

7、深h為為0.4-1.0m時，排水明渠中最大設(shè)計流速按時，排水明渠中最大設(shè)計流速按下表下表20當(dāng)水深小于當(dāng)水深小于0.4m，大，大于于1.0m時，表中最大時，表中最大設(shè)計流速宜乘以以下設(shè)計流速宜乘以以下系數(shù)：系數(shù)：H0.4m，0.851.0mh2.0m，1.25h2.0m，1.402022-4-8 1:147.1 概述概述2、防、防淤積淤積 排水明渠的最小設(shè)計流速為排水明渠的最小設(shè)計流速為0.4m/s。212022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流一、明渠均勻流的水力特征及其形成條件一、明渠均勻流的水力特征及其形成條件二、明渠均勻流的基本公式二、明渠均勻流的基本公式三、水力最優(yōu)斷面三

8、、水力最優(yōu)斷面四、明渠均勻流的水力計算四、明渠均勻流的水力計算222022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流一、明渠均勻流的水力特征及其形成一、明渠均勻流的水力特征及其形成條件條件 明渠均勻流形成條件明渠均勻流形成條件 水流水流應(yīng)為恒定流。流量應(yīng)沿程不變，即無支流。應(yīng)為恒定流。流量應(yīng)沿程不變，即無支流。 渠道必須是長而直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變。另外渠渠道必須是長而直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變。另外渠道中無水工建筑物的局部干擾。道中無水工建筑物的局部干擾。23Ff = Gs均速運動均速運動Ff 0)明渠明渠加速運動加速運動2022-4-8 1:147.2 明渠均勻

9、流明渠均勻流明渠均勻流特性明渠均勻流特性 1.過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變。過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變?2.過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植?、斷面平均流速沿程不變；過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植?、斷面平均流速沿程不變；因此，水流的動能修正系?shù)及流速水頭也沿程不因此，水流的動能修正系數(shù)及流速水頭也沿程不變。變。 3.總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即即J=Jz=i。 4.水流重力在流動方向上的分力與摩阻力相平衡，水流重力在流動方向上的分力與摩阻力相平衡，即即Gs=Ff 。242022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流二、明渠均勻流的基本公式二、明

10、渠均勻流的基本公式25161QAvvCRiCRn322135322111iAnRAinRiACQ2022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流三、水力最優(yōu)斷面三、水力最優(yōu)斷面 從經(jīng)濟的觀點來說，總是希望所選定的橫斷面形從經(jīng)濟的觀點來說，總是希望所選定的橫斷面形狀在通過已知流量時面積最小，或者是過水面積狀在通過已知流量時面積最小，或者是過水面積一定時通過的流量最大。符合這種條件的斷面，一定時通過的流量最大。符合這種條件的斷面，其工程量最小，過水能力最強，稱為水力最佳斷其工程量最小，過水能力最強，稱為水力最佳斷面。面。所以水力最佳斷面是濕周最小的斷面。即所以水力最佳斷面是濕周最小的斷面。即

11、262022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流三、水力最優(yōu)三、水力最優(yōu)斷面斷面工程中多采用梯形斷面，在邊坡系數(shù)工程中多采用梯形斷面，在邊坡系數(shù)m已定的情已定的情況下，同樣的過水面積況下，同樣的過水面積A，濕周的大小因底寬與，濕周的大小因底寬與水深的比值水深的比值b/h而異而異?？梢宰C明：梯形水力最佳斷面的寬深之比為可以證明：梯形水力最佳斷面的寬深之比為27bh1mB22( 1)mbmmh此時，2mmhR2()R21Abmh hbhm2022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流四、明渠均勻流的水力計算四、明渠均勻流的水力計算以梯形斷面為以梯形斷面為例例 已知渠道的斷面尺寸已

12、知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡及底坡i、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n，求通過，求通過的流量的流量Q。 已知渠道的斷面尺寸已知渠道的斷面尺寸b、m、h及設(shè)計流量及設(shè)計流量Q、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n，求底坡求底坡i。 已知渠道的斷面尺寸已知渠道的斷面尺寸b、m、h及通過的流量及通過的流量Q、底坡、底坡i，求，求粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n。 已知渠道的設(shè)計流量已知渠道的設(shè)計流量Q、底坡、底坡i、底寬、底寬b、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m和粗糙和粗糙系數(shù)系數(shù)n，求正常水深，求正常水深h0。 已知渠道的設(shè)計流量已知渠道的設(shè)計流量Q、底坡、底坡i、水深、水深h、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m和粗糙和粗糙系數(shù)系數(shù)n，求底寬，求底寬b。282

13、022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流例：某梯形斷面渠道例：某梯形斷面渠道,已知流量已知流量Q=3m3/s ，邊坡，邊坡系數(shù)系數(shù)m=1.0，底坡，底坡i=0.0049，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n=0.0225 ，底寬底寬b=1m 。求。求：均勻流動時的正常水深：均勻流動時的正常水深h0（簡（簡稱正常水深稱正常水深h0）。）。292022-4-8 1:147.2 明渠均勻流明渠均勻流30解：根據(jù)謝才解：根據(jù)謝才曼寧公式，并代入梯形斷面水力要素，有曼寧公式，并代入梯形斷面水力要素，有21322322112)()(11imhbhmhbhmhbnRAinRiACQ設(shè)設(shè)h=0.5m，0.75m，

14、1.0m，計算相應(yīng)的，計算相應(yīng)的Q值如下表值如下表h(m) 0.5 0.75 1.0 Q(m3/s) 1.07 2.29 4.03h(m)Q(m3/s)1.02.03.00.00.00.50.750.251.0從曲線上查得：當(dāng)從曲線上查得：當(dāng)Q=3m3/s時，時，h=0.86m。2022-4-8 1:147.3 無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流一、無壓圓管的水力特性一、無壓圓管的水力特性二、無壓圓管的計算問題二、無壓圓管的計算問題工程應(yīng)用：環(huán)境工程、給排水工程，如城市中的工程應(yīng)用：環(huán)境工程、給排水工程，如城市中的污水管道和雨水管道污水管道和雨水管道優(yōu)點：符合水力最優(yōu)斷面形式，受力條件好，便優(yōu)點：符

15、合水力最優(yōu)斷面形式，受力條件好，便于施工于施工水流特點：大部分流動可視為明渠均勻流水流特點：大部分流動可視為明渠均勻流312022-4-8 1:147.3 無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流一、無壓圓管的水力一、無壓圓管的水力特性特性無無壓圓管的最大流量和最大流速，均不發(fā)生于滿壓圓管的最大流量和最大流速，均不發(fā)生于滿管流時。？管流時。？322022-4-8 1:147.3 無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流二、無壓圓管的計算二、無壓圓管的計算問題問題預(yù)制關(guān)系表預(yù)制關(guān)系表專業(yè)規(guī)范和規(guī)定，如專業(yè)規(guī)范和規(guī)定，如室外排水設(shè)計規(guī)范室外排水設(shè)計規(guī)范332022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流

16、態(tài)和判別一、明渠中干擾微波的波速一、明渠中干擾微波的波速二、斷面單位能量二、斷面單位能量三、臨界水深三、臨界水深四、臨界坡度四、臨界坡度342022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 一、明渠中干擾微波的波速一、明渠中干擾微波的波速 明渠明渠水流有和大氣接觸的自由表面，與有壓流不同，具有獨特水流有和大氣接觸的自由表面，與有壓流不同，具有獨特的水流流態(tài)，即緩流、臨界流和急流三種的水流流態(tài)，即緩流、臨界流和急流三種。靜。靜水中傳播的微波水中傳播的微波速度速度vw稱為相對波速稱為相對波速。 當(dāng)當(dāng)v=vw時，水流靜止，干擾波能向四周以一定的速度傳播。時，水流靜止，干擾波

17、能向四周以一定的速度傳播。 當(dāng)當(dāng)vvw時，水流為緩流，干擾波能向上游傳播。時，水流為緩流，干擾波能向上游傳播。 當(dāng)當(dāng)vvw時，水流為臨界流，干擾波不能向上游傳播。時，水流為臨界流，干擾波不能向上游傳播。 當(dāng)當(dāng)vvw時，水流為急流，干擾波不能向上游傳播。時，水流為急流，干擾波不能向上游傳播。352022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別微波波速的微波波速的計算計算 以一豎直平板在平底矩形棱柱體明渠中激起一個以一豎直平板在平底矩形棱柱體明渠中激起一個干擾干擾 微波。觀察者隨波前行微波。觀察者隨波前行。 對上述的運動坐標(biāo)系水流作恒定非對上述的運動坐標(biāo)系水流作恒定非均勻

18、漸變流動均勻漸變流動。不計。不計摩擦力對摩擦力對1-1和和2-2斷面建立連續(xù)性和能量方程。斷面建立連續(xù)性和能量方程。362022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別聯(lián)聯(lián)解上兩式，并令解上兩式，并令 1=2=1得得令令h/h=0，則微波，則微波波速波速式中式中h= A/B為為斷面平均水深，斷面平均水深，A為斷面面積為斷面面積，B為水面寬度為水面寬度。實際實際工程中微波傳播的工程中微波傳播的絕對速度絕對速度對臨界流斷面平均流速恰好等于微波相對對臨界流斷面平均流速恰好等于微波相對波速波速對臨界流有對臨界流有 佛勞德數(shù)佛勞德數(shù) 372022-4-8 1:147.4 明渠水

19、流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 顯然顯然：當(dāng)當(dāng)Fr1，水流為緩流；，水流為緩流； 當(dāng)當(dāng)Fr1，水流為臨界流；，水流為臨界流； 當(dāng)當(dāng)Fr1，水流為急流，水流為急流。佛汝德數(shù)的物理意義是佛汝德數(shù)的物理意義是： 過水?dāng)嗝孢^水?dāng)嗝鎲挝恢亓恳后w平均動能與平均單位重量液體平均動能與平均勢能之勢能之比比的二倍開平方的二倍開平方。佛汝德數(shù)的力學(xué)意義是：佛汝德數(shù)的力學(xué)意義是： 代表代表水流的慣性力和重力兩種作用的對比關(guān)系。水流的慣性力和重力兩種作用的對比關(guān)系。 382022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別二、斷面單位二、斷面單位能量能量明渠中水流的流態(tài)也可從能量的角度來分析

20、。明渠中水流的流態(tài)也可從能量的角度來分析。39如圖所示漸變?nèi)鐖D所示漸變流流，若，若以以0-0為為基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面，則，則過過水?dāng)嗝嫔蠁挝凰當(dāng)嗝嫔蠁挝恢亓恳后w所具重量液體所具有有的總能的總能量為量為：2022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別如果我們把參考基準(zhǔn)面選在渠底這一特殊位置，如果我們把參考基準(zhǔn)面選在渠底這一特殊位置，把對通過渠底的水平面把對通過渠底的水平面0-0所計算得到的單位能所計算得到的單位能量稱為斷面比能，并量稱為斷面比能，并以以Es來來表示，則表示，則在實用上，因一般明渠底坡較小，可在實用上，因一般明渠底坡較小，可認為認為故常采用故常采用402022-

21、4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別當(dāng)流量當(dāng)流量Q和過水?dāng)嗝娴男螤罴俺叽缫欢〞r，斷面和過水?dāng)嗝娴男螤罴俺叽缫欢〞r，斷面比能僅僅是水深的函數(shù)，即比能僅僅是水深的函數(shù)，即Esf(h)，以圖表示，以圖表示則則稱為比稱為比能曲線。能曲線。 412022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 因因在過水?dāng)嗝嫔显谶^水?dāng)嗝嫔?，代入上式，代入上式有有 若若取取=1則有則有因而對因而對斷面比斷面比能曲線有能曲線有422022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別三、臨界三、臨界水深水深相應(yīng)于斷面單位能量最小值的水深稱為臨界水深

22、，相應(yīng)于斷面單位能量最小值的水深稱為臨界水深，以以hk表示。表示。由由臨界流方程臨界流方程當(dāng)當(dāng)流量和過水?dāng)嗝嫘螤罴俺叽缃o定時，利用上流量和過水?dāng)嗝嫘螤罴俺叽缃o定時，利用上式式即即可求解臨界水深可求解臨界水深 hk432022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別1.矩形斷面明渠臨界水深的計算矩形斷面明渠臨界水深的計算上式中上式中 為單寬流量為單寬流量442022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別2斷面為任意形狀時，臨界水深的計算斷面為任意形狀時，臨界水深的計算 （1）試算法）試算法 （2）圖解法）圖解法 當(dāng)當(dāng)hhk時，時，F(xiàn)rhk時，

23、時，F(xiàn)rhk時，時，F(xiàn)r1 ，為急流。為急流。452022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別若明渠斷面形狀不規(guī)則，過水面積若明渠斷面形狀不規(guī)則，過水面積 A 與水深之間的與水深之間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，把這樣的復(fù)雜函數(shù)代入條件式，函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，把這樣的復(fù)雜函數(shù)代入條件式，不能得出臨界水深不能得出臨界水深hK的直接解。在這種情況下，一的直接解。在這種情況下，一般只能用試算法或圖解法求解般只能用試算法或圖解法求解hK。（1）試算法）試算法 當(dāng)給定流量當(dāng)給定流量 Q 及明渠斷面形狀、尺寸后，式的左及明渠斷面形狀、尺寸后，式的左端端 為一定值，該式的右端為一定值，該式

24、的右端 乃僅僅是水深的乃僅僅是水深的函數(shù)。于是可以假定若干個水深函數(shù)。于是可以假定若干個水深 h ，從而可算出，從而可算出若干個與之對應(yīng)的若干個與之對應(yīng)的 值，當(dāng)某一值，當(dāng)某一 值值剛好與剛好與 相等時，其相應(yīng)的水深即為所求的臨界水深相等時，其相應(yīng)的水深即為所求的臨界水深hK 。462022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別（ 2）圖解法）圖解法 圖解法圖解法的實質(zhì)和試算法相同。當(dāng)假定不同的水深的實質(zhì)和試算法相同。當(dāng)假定不同的水深 h 時，可得時，可得出若干相應(yīng)的出若干相應(yīng)的 值，然后將這些值點繪成值，然后將這些值點繪成 h 關(guān)系曲關(guān)系曲線圖（見圖），在該圖的線

25、圖（見圖），在該圖的 軸上，量取其值為軸上，量取其值為 的長度，的長度，由此引鉛垂線與曲線相交于由此引鉛垂線與曲線相交于 C 點，點， C 點所對應(yīng)的點所對應(yīng)的 h 值即為值即為所求所求hK 472022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別四、四、臨界坡度臨界坡度到目前我們知道了三種水深：到目前我們知道了三種水深： 均勻流均勻流正常正常水深水深h0 非均勻流水深非均勻流水深h 臨界水深臨界水深hk明渠均勻流的正常水深明渠均勻流的正常水深h0恰好與臨界水深恰好與臨界水深hk相等相等時，此坡度定義為臨界底坡。時，此坡度定義為臨界底坡。若若已知明渠斷面形狀已知明渠斷面形

26、狀及尺寸及尺寸，當(dāng)流量一定時，當(dāng)流量一定時，均，均勻流勻流情況下可情況下可將底將底坡與渠中正常水深的關(guān)系繪出。坡與渠中正常水深的關(guān)系繪出。482022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別當(dāng)?shù)灼庐?dāng)?shù)灼耰增大時，正常水深增大時，正常水深h0將減小，反之當(dāng)將減小，反之當(dāng) i 減減小時正常水深小時正常水深h0將增大。將增大。在臨界底坡上作均勻流時，滿足臨界流的條件式在臨界底坡上作均勻流時，滿足臨界流的條件式另一方面又要同時滿足均勻流的基本方程式另一方面又要同時滿足均勻流的基本方程式聯(lián)立可得臨界底坡的計算式為聯(lián)立可得臨界底坡的計算式為492022-4-8 1:147.4 明

27、渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 一個坡度為一個坡度為i的明渠，與其相應(yīng)（即同流量、同斷面的明渠，與其相應(yīng)（即同流量、同斷面尺寸、同糙率）的臨界底坡相比較可能有尺寸、同糙率）的臨界底坡相比較可能有 三種情況：三種情況： iik，為陡坡為陡坡 i=ik，為臨界坡為臨界坡在明渠均勻流的情況下，用底坡的類型就可以判別水在明渠均勻流的情況下，用底坡的類型就可以判別水流的流態(tài)，即在緩坡上水流為緩流，在陡坡上水流為流的流態(tài)，即在緩坡上水流為緩流，在陡坡上水流為急流，在臨界坡上水流為臨界流。這種判別只能適用急流，在臨界坡上水流為臨界流。這種判別只能適用于均勻流的情況，在非均勻流時就不一定了。于均勻流的

28、情況，在非均勻流時就不一定了。502022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 河道或渠道中如知道臨界水深并量取該斷面的尺河道或渠道中如知道臨界水深并量取該斷面的尺寸，其流量就能簡便而精確地估算出來，也可將寸，其流量就能簡便而精確地估算出來，也可將發(fā)生臨界水深斷面作為控制斷面據(jù)此來推求上下發(fā)生臨界水深斷面作為控制斷面據(jù)此來推求上下游水面曲線游水面曲線。以下為一些臨界水深的實例。以下為一些臨界水深的實例。 1、當(dāng)渠道底坡自陡坡變?yōu)榫徠聲r、當(dāng)渠道底坡自陡坡變?yōu)榫徠聲r 此時水流會此時水流會產(chǎn)生一產(chǎn)生一種水面突然躍種水面突然躍起的起的特殊水力現(xiàn)象特殊水力現(xiàn)象叫水躍叫水躍。

29、水躍自。水躍自水深小于水深小于臨界水深躍臨界水深躍入大于入大于臨界水臨界水深，其間必經(jīng)過臨界水深。深，其間必經(jīng)過臨界水深。512022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 2、當(dāng)渠道底坡自緩坡變?yōu)槎钙聲r、當(dāng)渠道底坡自緩坡變?yōu)槎钙聲r 渠道渠道中均勻流由緩流變?yōu)榧绷鲿r，水流會產(chǎn)生水面中均勻流由緩流變?yōu)榧绷鲿r，水流會產(chǎn)生水面降落現(xiàn)象，叫做水跌。降落現(xiàn)象，叫做水跌。522022-4-8 1:147.4 明渠水流的流態(tài)和判別明渠水流的流態(tài)和判別 3、當(dāng)緩坡渠道末端自由跌落時、當(dāng)緩坡渠道末端自由跌落時 上圖所示的自由跌落是水跌的一個特例。跌落水面上圖所示的自由跌落是水跌的一個

30、特例。跌落水面必經(jīng)過臨界水深，但上坎緣處水深小于臨界水深。必經(jīng)過臨界水深，但上坎緣處水深小于臨界水深。532022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌一、水躍一、水躍1、水躍現(xiàn)象、水躍現(xiàn)象2、水躍方程、水躍方程3、水躍計算、水躍計算 （1）共軛水深計算）共軛水深計算 （2）水躍長度計算）水躍長度計算 （3）水躍能量損失計算）水躍能量損失計算二、水跌二、水跌542022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌一、一、水躍水躍1、水躍現(xiàn)象、水躍現(xiàn)象 水流由急流過渡到緩流，會產(chǎn)生一種水面突然躍水流由急流過渡到緩流，會產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊的局部水力現(xiàn)象，稱為水躍。起的特殊的局部水

31、力現(xiàn)象，稱為水躍。552022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 表面表面旋滾起點過水?dāng)嗝嫘凉L起點過水?dāng)嗝?-1稱為躍前斷面，該斷面稱為躍前斷面，該斷面處水深稱為躍前水深。表面旋滾末端的過水?dāng)嗝嫣幩罘Q為躍前水深。表面旋滾末端的過水?dāng)嗝?-2稱為躍后斷面，該斷面處的水深稱為躍后斷面，該斷面處的水深h2稱為躍后水稱為躍后水深。躍前、后水深之差稱為躍高，之間的距離稱深。躍前、后水深之差稱為躍高，之間的距離稱為躍長。為躍長。562022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 水躍段內(nèi)，水流運動要素變化急劇，水流紊動、水躍段內(nèi)，水流運動要素變化急劇，水流紊動、混摻強烈，旋滾與主流間

32、質(zhì)量不斷交換，致使水混摻強烈，旋滾與主流間質(zhì)量不斷交換，致使水躍段內(nèi)有較大的能量損失。常利用水躍來消能。躍段內(nèi)有較大的能量損失。常利用水躍來消能。 當(dāng)當(dāng)1Fr11.7時，時，水躍為水躍為波狀水躍，沒有波狀水躍，沒有旋滾存旋滾存在在，故消能效果差，故消能效果差。 稱有表面旋滾的水躍稱有表面旋滾的水躍為完全為完全水躍。水躍。572022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌2、水躍、水躍方程方程 現(xiàn)在讓我們來推導(dǎo)棱柱體水平明渠的水躍方程。現(xiàn)在讓我們來推導(dǎo)棱柱體水平明渠的水躍方程。 設(shè)設(shè)一水躍產(chǎn)生于一棱柱體水平明渠中，如下圖所一水躍產(chǎn)生于一棱柱體水平明渠中，如下圖所示示582022-4-8

33、1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 采用恒定總流的動量方程來推導(dǎo)水躍方程采用恒定總流的動量方程來推導(dǎo)水躍方程 。對躍。對躍前、后斷面列動量方程前、后斷面列動量方程得得 假定假定： 1、設(shè)水躍前、后斷面處、設(shè)水躍前、后斷面處的水流的水流為漸變流。為漸變流。 2、設(shè)摩阻力、設(shè)摩阻力Ff0。 3、設(shè)、設(shè)121 應(yīng)用應(yīng)用恒定總流動量方程，并將連續(xù)性方程代入，經(jīng)恒定總流動量方程，并將連續(xù)性方程代入，經(jīng)整理得：整理得：592022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 當(dāng)明渠斷面的形狀、尺寸以及渠中的流量一定時當(dāng)明渠斷面的形狀、尺寸以及渠中的流量一定時， 水躍方程的左右兩邊都僅是水深的函數(shù)。水躍

34、方程的左右兩邊都僅是水深的函數(shù)。 令令 于是，水躍方程也可以寫成如下的于是，水躍方程也可以寫成如下的形式形式 上式上式表明，在棱柱體水平明渠中，躍前水深表明，在棱柱體水平明渠中，躍前水深h1躍躍后后水深水深h2具有相同的水躍函數(shù)值具有相同的水躍函數(shù)值，兩，兩個水深為共軛水個水深為共軛水深。深。602022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌3、水躍計算、水躍計算 （1）共軛水深）共軛水深計算計算 一般來說，水躍方程中的一般來說，水躍方程中的A和和hc都是共軛水深的復(fù)都是共軛水深的復(fù)雜函數(shù)，因此水深不易直接由方程解出。雜函數(shù)，因此水深不易直接由方程解出。 對對矩形：矩形： 直接代公式。

35、直接代公式。 對對其它斷面形狀其它斷面形狀 ： 用試算法和圖解法。用試算法和圖解法。612022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 （2）水躍長度）水躍長度計算計算 在完全水躍的水躍段內(nèi)，水流紊動強烈，底部流速在完全水躍的水躍段內(nèi)，水流紊動強烈，底部流速很大，一般需設(shè)置護坦加以保護，此外躍后段的一很大，一般需設(shè)置護坦加以保護，此外躍后段的一部分范圍內(nèi)也需鋪設(shè)海漫以免底部沖刷破壞。部分范圍內(nèi)也需鋪設(shè)海漫以免底部沖刷破壞。 矩形矩形明渠的躍長的經(jīng)驗公式為明渠的躍長的經(jīng)驗公式為 或或 式中式中C為經(jīng)驗系數(shù)，為為經(jīng)驗系數(shù)，為Fr1的函數(shù)，吳持恭曾根據(jù)其的函數(shù)，吳持恭曾根據(jù)其試驗資料求得試驗

36、資料求得622022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 （3）水躍能量損失）水躍能量損失計算計算 水躍段水頭損失的水躍段水頭損失的計算計算 躍躍后段水頭損失的后段水頭損失的計算計算 因為因為，可以近似地令，可以近似地令h3=h2，v3=v2及及31于于 是上式是上式簡化為：簡化為：632022-4-8 1:147.5 水躍與水跌水躍與水跌 水躍總水頭水躍總水頭損失損失 水躍的消能水躍的消能效率效率 消能系數(shù)消能系數(shù)Kj越大則水躍的消能效率越高。越大則水躍的消能效率越高。 且且642022-4-8 1:147.5 水躍水躍與水跌與水跌 當(dāng)當(dāng)Fr19.0時時，雖然消能效率高，但是躍后水面波，雖然消能效率高，但是躍后水面波動大，并傳播至下游；動大，并傳播至下游； 當(dāng)當(dāng)4.5Fr19.0時時，消能效率高且水躍穩(wěn)定，躍后水，消能效率高且水躍穩(wěn)定，躍后水面較平靜，如果通過水躍消能，最好使處于此范圍；面較平靜，如果通過水躍消能，最好使處于此范圍；