1、第6章明渠均勻流明渠均勻流屬于明渠水流的一種。 恒定流 非恒定流 非均勻流 均勻流 流線為相互平行的直線表面相對(duì)壓強(qiáng)為零，為無(wú)壓流運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化第一節(jié) 概述第二節(jié) 明渠均勻流的計(jì)算公式第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題第五節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算第六節(jié) 復(fù)式斷面渠道的水力計(jì)算本章綱要:垂直于渠道中心線作鉛垂面與渠底及渠壁的交線組成的斷面 主槽灘地梯形斷面河道斷面矩形斷面2. 反映斷面的形狀特征值稱為斷面水力要素。bh1mB底寬水深邊坡系數(shù)水面寬過(guò)水?dāng)嗝婷娣e濕周水力半徑斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，同時(shí)又無(wú)彎曲的渠道，稱為棱柱體渠道。斷面形狀、尺寸或

2、底坡沿程改變的渠道，稱為非棱柱體渠道。棱柱體棱柱體非棱柱體2 23 311223311第一節(jié) 概述一、基本概念1.明渠的橫斷面3.明渠的底坡明渠渠底縱向（沿水流方向）傾斜的程度稱為底坡。以i表示。底坡線水面線底坡線i 0順坡、正坡 i等于渠底線與水平線夾角的正弦，即i=sin。i = 0平坡 i 0逆坡、負(fù)坡 順坡（或正坡）明渠按底坡分類： 平坡明渠 逆坡（或負(fù)坡）明渠第一節(jié) 概述基本概念通常i0.01，可以采用近似處理：1.過(guò)水?dāng)嗝婵捎伤髦兴〉你U垂斷面代替；2.兩斷面間的距離可由水平投影長(zhǎng)度來(lái)代替。 明渠總結(jié)明渠 沿程斷面形狀尺寸是否變化 非棱柱形渠道 棱柱形渠道 底坡i=sin順坡 平

3、坡 逆坡 i0過(guò)水?dāng)嗝婷娣e只與水深有關(guān)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與水深、位置有關(guān)斷面形狀多樣第一節(jié) 概述基本概念第一節(jié) 概述二、明渠均勻流的特征水力特征 幾何角度 運(yùn)動(dòng)學(xué)角度 能量角度 質(zhì)點(diǎn)做等速直線運(yùn)動(dòng)（均勻流）力學(xué)角度 概述二、明渠均勻流的特征幾何特征總水頭線水面線(側(cè)壓管水頭)底面坡度幾何特征：三線平行v概述二、明渠均勻流的特征能量特征：對(duì)于單位重量液體，重力功=阻力功 1122能量特征00根據(jù)能量關(guān)系：第一節(jié) 概述三、明渠均勻流產(chǎn)生的條件 1、 水流應(yīng)為恒定流。4、 渠中無(wú)閘、壩或跌水等建筑物的局部干擾。2、 流量沿程不變，即無(wú)支流的匯入或分出。3、 渠道必須是長(zhǎng)而直的棱柱形順坡明渠，且i、n沿程不

4、變。嚴(yán)格滿足以上條件的渠道不存在，作近似處理。 第一節(jié) 概述1、順直棱柱形渠道中的恒定流：當(dāng)流量沿程不變時(shí)，只要渠道有足夠的長(zhǎng)度，在離開(kāi)渠道進(jìn)口、出口或建筑物一定距離的渠段，實(shí)際上常按均勻流處理。說(shuō)明： 2、天然河道：因其斷面形狀尺寸、底坡、粗糙系數(shù)一般均沿程改變，所以不會(huì)產(chǎn)生均勻流。但對(duì)于較為順直、整齊的河段，當(dāng)其余條件比較接近時(shí)，也常按均勻流公式作近似計(jì)算。 第二節(jié) 明渠均勻流的基本計(jì)算公式謝才公式基本計(jì)算公式連續(xù)性方程流量模數(shù)：當(dāng)斷面形狀尺寸、n值一定時(shí)，K=f(h)；均勻流水深叫正常水深，用h0表示。斷面面積 (m2)注：通常談到的某一渠道的輸水或排水能力時(shí)，指的是在一定正常水深h0時(shí)

5、所通過(guò)的流量Q。第二節(jié) 明渠均勻流的基本計(jì)算公式謝才公式斷面平均流速(m/s)謝才系數(shù)(m1/2/s)曼寧公式水力半徑(m)J=i謝才公式巴氏公式適用范圍: R0.5m且n0.02適用范圍: 0.1mR3m 且0.01ln0.04n：粗糙系數(shù)第二節(jié) 明渠均勻流的計(jì)算公式 1.若n 值選的偏小，計(jì)算所得斷面也偏小，易發(fā)生漫溢。粗糙系數(shù)n粗糙系數(shù)n 綜合反映渠道壁面（包括渠底）對(duì)水流的阻力作用。2.若n值過(guò)大，不僅造成浪費(fèi)還會(huì)因?qū)嶋H流速過(guò)大而造成沖刷。 第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速一、 水力最優(yōu)斷面 1. 定義2. 條件當(dāng)、i、n一定，必最小 ！當(dāng)i、n不變時(shí)，在斷面積相等的各種斷面形狀中通

6、過(guò)流量最大的那種斷面形狀稱為水力最優(yōu)斷面。要使Q最大。問(wèn)題實(shí)質(zhì)：3. 應(yīng)用在明渠設(shè)計(jì)時(shí)：水力最優(yōu)條件只是應(yīng)考慮的因素之一。實(shí)際中必須依據(jù)造價(jià)、施工技術(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)要求和養(yǎng)護(hù)等各方面條件綜合考慮和比較。第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速一.水力最優(yōu)斷面 1、梯形水力最優(yōu)斷面計(jì)算問(wèn)題本質(zhì)？ 確定適當(dāng)?shù)乃頷和渠底寬b，使斷面流量Q最大。 欲使斷面流量Q最大，即在面積一定時(shí)，濕周最小。 第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速一.水力最優(yōu)斷面 邊坡系數(shù)m 水深h 渠底寬b m=cota 梯形截面濕周計(jì)算m由邊坡穩(wěn)定性確定，計(jì)算中m一定斷面面積 濕周 bh1mB1、梯形水力最優(yōu)斷面計(jì)算斷面參數(shù) 第三節(jié) 明渠水力最

7、優(yōu)斷面和允許流速一.水力最優(yōu)斷面 斷面參數(shù) 最小特殊地，矩形斷面：m=0；即b=h;bh1mB1、梯形水力最優(yōu)斷面計(jì)算第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速二、允許流速渠中流速過(guò)大會(huì)造成沖刷，過(guò)小形成淤積。vmin：不淤允許流速。vmax的大小決定于土質(zhì)情況，即土壤種類、顆粒大小和密實(shí)程度，或決定于渠道的襯砌材料，以及渠中流量等因素 vmin：為了防止植物在渠道中滋生、淤泥或沙的沉積，渠道中斷面平均流速分別不低于0.6ms、0.2ms或0.4ms。vmax：不沖允許流速。第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題 一、驗(yàn)算渠道過(guò)流能力 二、計(jì)算渠道底坡 問(wèn)題：已知b、h、m、n、i；求Q計(jì)算依據(jù)：計(jì)算類

8、型：方法：?jiǎn)栴}：已知b、h、m、n、Q；求i方法：三、計(jì)算渠道斷面尺寸 問(wèn)題：已知條件多樣；求h，b方法圖解法查圖法解方程組直接代公式。直接代公式。第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題1、已知Q、h、m、n、i，求b(1)試算圖解法：繪制bQ曲線。(2)查圖法：先計(jì)算出，查附表得出相應(yīng)的h/b值，從而確定底寬b。三、計(jì)算渠道斷面尺寸 b(m)Q(m3/s)0.0已知Q，Q已知 b求 根據(jù)曲線得出b。 第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題2、已知Q、b、m、n、i，求h(1)試算圖解法：繪制hQ曲線。(2)查圖法：先計(jì)算出，查附表得出相應(yīng)的h/b值，從而確定底寬h。三、計(jì)算渠道斷面尺寸 h(m)

9、Q(m3/s)0.0已知Q，Q已知 h求 根據(jù)曲線得出h。 第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題三、計(jì)算渠道斷面尺寸 3、已知Q、m、n、i、b/h，求b、h。(1)試算圖解法：繪制bQ曲線或hQ曲線。已知Q，根據(jù)曲線得出h或b(2)查圖法：【注】對(duì)于小型渠道，一般按水力最優(yōu)設(shè)計(jì)，即b/h已知：第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題三、計(jì)算渠道斷面尺寸 4、已知Q、m、n、i、vmax求b、h。求解b和h，舍掉一組不合理的解聯(lián)立：計(jì)算方法：解方程組 例：某梯形斷面渠道,已知流量Q=3m3/s ，邊坡系數(shù)m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系數(shù)n=0.0225 ，底寬b=1m 。 求：均勻流動(dòng)時(shí)

10、的正常水深h0（簡(jiǎn)稱正常水深h0）。解：根據(jù)謝才滿寧公式，并代入梯形斷面水力要素，有設(shè)h=0.5m，0.75m，1.0m，計(jì)算相應(yīng)的Q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)Q=3m3/s時(shí)，h=0.86m。第四節(jié) 明渠均勻流水力計(jì)算的基本問(wèn)題三、計(jì)算渠道斷面尺寸 第五節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算無(wú)壓管道是指不滿流的長(zhǎng)管道，如下水管道。考慮到水力最優(yōu)條件，無(wú)壓管道常采用圓形的過(guò)水?dāng)嗝妫诹髁勘容^大時(shí)也采用非圓形的斷面。下面僅討論圓形斷面的情況。第五節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算一、水力要素 過(guò)水?dāng)嗝妫?水力半徑： 流速： 濕周： 流量：充滿度： 第五節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算二、水流特征無(wú)壓短管水流 水流現(xiàn)象 計(jì)算方法 寬頂堰理論沿程水頭損失比局部水頭損失小得多1. 無(wú)壓短圓管水流 第五節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算二、水流特征2、無(wú)壓長(zhǎng)圓管流無(wú)壓長(zhǎng)圓管水流 直徑不變順直管道：相當(dāng)于明渠均勻流 流量：=h/d=0.94，Q/Q0=1.087，達(dá)到最大值=h/d=0.81，v/v0