第十章明渠流和閘孔出流及堰流1/4/20231第十章明渠流和閘孔出流及堰流12/28/20221掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計(jì)算；掌握明渠漸變流的特征，斷面單位能量、臨界水深、臨界底坡計(jì)算，急流與緩流的判別。學(xué)習(xí)重點(diǎn)1/4/20232掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計(jì)算；掌握明渠漸變流的特理解閘孔出流計(jì)算掌握寬頂堰水力計(jì)算另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基本方程，會(huì)定性分析棱柱形渠道中非均勻漸變流水面曲線。1/4/20233理解閘孔出流計(jì)算掌握寬頂堰水力計(jì)算另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基（1）具有自由液面；（2）濕周是不封閉的曲線；（3）依靠重力由高處向低處流。明渠——是一種具有自由表面液流的渠道。一、明渠流特征：1/4/20234（1）具有自由液面；（2）濕周是不封閉的曲線；（3）依靠二、特點(diǎn)：（4）與其它建筑物交叉時(shí)，采取措施較復(fù)雜。（1）可沿地勢(shì)修建，故較簡(jiǎn)單；（2）比較經(jīng)濟(jì)（不用動(dòng)力）；（3）易受外界影響（易蒸發(fā)、結(jié)冰、污染等）；1/4/20235二、特點(diǎn)：（4）與其它建筑物交叉時(shí)，采取措施較復(fù)雜。（1）可（1）天然明渠（2）人工明渠1、據(jù)明渠的形成條件：三、明渠分類：——過(guò)流斷面為不規(guī)則圖形。如：天然形成的江、河、湖、海?！^(guò)流斷面為規(guī)則圖形。1/4/20236（1）天然明渠（2）人工明渠1、據(jù)明渠的形成條件：三、明渠分2、據(jù)渠道過(guò)流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：（1）棱柱形渠道A=f(h)；（2）非棱柱形渠道A=f(h，s)1/4/202372、據(jù)渠道過(guò)流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：（1）棱柱形渠3、按過(guò)流斷面的幾何形狀：（1）規(guī)則形渠道（2）不規(guī)則形渠道如矩形、圓形、梯形等天然渠道1/4/202383、按過(guò)流斷面的幾何形狀：（1）規(guī)則形渠道（2）不規(guī)則形渠道θvvθv（1）順坡渠道（2）平坡渠道（3）逆坡渠道i>0i=0i<04、按渠道底坡：1/4/20239θvvθv（1）順坡渠道（2）平坡渠道（3）逆坡渠道i>底坡坡度坡降i：i=sinθ=△zLθ△zL——沿渠道作一縱向剖開(kāi)，渠底成一斜線，此斜線的坡度稱為底坡坡度。1/4/202310底坡坡度坡降i：i=sinθ=△zLθ△zL——若θ很小，則：△zi=sinθ≈tgθ=Lx1>2>過(guò)流斷面的水深h1≈h2

鉛垂水深。h1h21/4/202311若θ很小，則：△zi=sinθ≈tgθ=Lx1>5、按流動(dòng)是否恒定：（1）明渠恒定流；（2）明渠非恒定流。6、按流動(dòng)是否均勻：（1）明渠均勻流；（2）明渠非均勻流。1/4/2023125、按流動(dòng)是否恒定：（1）明渠恒定流；（2）明渠非恒定流。6明渠暗渠一般用來(lái)輸送清水。一般用來(lái)輸送污水。四、適用范圍：1/4/202313明渠暗渠一般用來(lái)輸送清水。一般用來(lái)輸送污水。四、適用范圍：1（2）J

=JP=i。（1）h、v、u、A（斷面尺寸）、形狀沿程不變；恒定明渠均勻流——水深、斷面平均流速、流速分布

等都沿程不變的明渠流?！?0—1恒定明渠均勻流一、特性及發(fā)生條件1、水力特性：iJpJаv22g1/4/202314（2）J=JP=i。（1）h、v、u、（1）水流恒定；（5）沿程無(wú)局部阻力。（2）渠道為長(zhǎng)直棱柱形、順坡渠道；（3）底坡i沿程不變；（4）粗糙系數(shù)n沿程不變；2、形成條件：在實(shí)際工程中，大多都屬于非均勻流，但在一定的條件下，可將某段流動(dòng)近似地視為均勻流，以簡(jiǎn)化計(jì)算。1/4/202315（1）水流恒定；（5）沿程無(wú)局部阻力。（2）渠道為長(zhǎng)直棱柱形1、流速：2、流量：二、基本公式——謝才公式K——流量模數(shù)用

h0表示——發(fā)生明渠均勻流時(shí)的水深。3、正常水深輸水能力——在一定的正常水深時(shí)通過(guò)的流量。1/4/2023161、流速：2、流量：二、基本公式——謝才公式K——流量模數(shù)用1、水力最優(yōu)斷面：分析：三、水力最優(yōu)斷面和允許流速∵Q=f(斷面尺寸，形狀，n，i)，而i

一般可據(jù)地勢(shì)而定，n

可據(jù)材料而定?！郠=f(斷面尺寸，形狀)1/4/2023171、水力最優(yōu)斷面：分析：三、水力最優(yōu)斷面和允許流速∵Q1>當(dāng)n,

i一定時(shí)，使渠道通過(guò)流量最大的斷面形狀即水力最優(yōu)斷面。2>設(shè)計(jì)渠道時(shí)，不但應(yīng)遵從基本公式，還應(yīng)考慮水力最優(yōu)，但由此設(shè)計(jì)的渠道卻不一定是最經(jīng)濟(jì)。斷面面積一定時(shí)，流量最大為最佳。流量一定時(shí)，斷面面積最小為最佳；1/4/2023181>當(dāng)n,i一定時(shí)，使渠道通過(guò)流量最大的2>（1）最優(yōu)斷面推導(dǎo)——曼寧公式當(dāng)n、i、A一定時(shí)，x最小，可使Q最大，從理論上分析，此時(shí)的過(guò)流斷面應(yīng)為圓形，但因圓形斷面施工困難，平日維護(hù)不便，故一般多采用梯形斷面。1/4/202319（1）最優(yōu)斷面推導(dǎo)——曼寧公式當(dāng)n、i、A一定時(shí)，x最)1(22mmhb-+==βаbBh（2）梯形斷面水力最優(yōu)條件：m=ctgаβ只與m有關(guān)。m——邊坡系數(shù)。1/4/202320)1(22mmhb-+==βаbBh（2）梯形斷面水力最優(yōu)條（3）注意：水力最優(yōu)只是從水力學(xué)角度考慮，在實(shí)際工程中還應(yīng)考慮工程造價(jià)、施工技術(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)管理等，諸多方面的因素從而選擇經(jīng)濟(jì)合理的斷面。1/4/202321（3）注意：水力最優(yōu)只是從水力學(xué)角度考慮，在實(shí)際——渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計(jì)流速。渠道設(shè)計(jì)除考慮水力最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)外，還應(yīng)考慮渠道的防沖刷和防淤積能力，以保證液體流動(dòng)暢通，不影響其輸水能力。2、渠道允許流速1/4/202322——渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計(jì)流速。渠道設(shè)即：vmin<v<vmax其中:vmin

——不淤允許流速。vmax——不沖允許流速，取決于土質(zhì)情況。1/4/202323即：vmin<v<vmax其中:vmin3、渠道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題：（2）i應(yīng)盡量與地面坡度一致，以減少土方量。為此可采取集中落差的方法來(lái)改變值i。（1）若v>vmax，或v<vmin，可調(diào)整v，也可在渠首設(shè)置沉砂池，以改變vmin；也可改變護(hù)面材料，以調(diào)整vmax。1/4/2023243、渠道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題：（2）i應(yīng)盡量與地面坡度一致，方法：四、水力計(jì)算基本問(wèn)題主要可歸為四大類以梯形斷面

為例分析1、驗(yàn)算渠道的輸水能力。求：Q

已知：b，h，m，n，i驗(yàn)算v是否合乎要求。1/4/202325方法：四、水力計(jì)算基本問(wèn)題主要可歸為四大類以梯形斷面1、驗(yàn)2、計(jì)算渠道的粗糙系數(shù)。方法：求：n

已知：Q，b，h，m，i1/4/2023262、計(jì)算渠道的粗糙系數(shù)。方法：求：n已知：已知：Q，b，h，m，n

求：i方法：（1）KRAc=（2）Q2=iK23、設(shè)計(jì)渠道底坡。1/4/202327已知：Q，b，h，m，n求：4、設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。求：b,h已知：Q,m,n，i據(jù)=f（m,n，i，h，b）RJAcAvQ==方法：知可有多種解，故可分為以下幾種情況。1/4/2023284、設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。求：b,h已知：Q3>在k～h曲線上查找與對(duì)應(yīng)的h。方法：1>據(jù)作k～h曲線；KRAc=2>據(jù)已知條件得出：（1）b已定，h待定。hh0k0kk～h線1/4/2023293>在k～h曲線上查找與對(duì)應(yīng)的h。方法：1>（2）h已定，b待定。方法同（1）。（3）β已定，求相應(yīng)的b，h

。β=bh1>對(duì)小型渠道：可按水力最優(yōu)計(jì)算。2>對(duì)大中型渠道：還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)條件。方法：1/4/202330（2）h已定，b待定。方法同（1）。（3）β已定方法：（4）據(jù)vmax

設(shè)計(jì)b,h

。A=(b+mh)hR=Ax2>計(jì)算：聯(lián)立即可求得b，h。1>先找出過(guò)流斷面各要素之間的關(guān)系：1/4/202331方法：（4）據(jù)vmax設(shè)計(jì)b,h。五、圓形斷面水力最優(yōu)計(jì)算可按明渠均勻流基本公式計(jì)算。1、無(wú)壓圓管各水力要素之間的關(guān)系（p67）。θhdθ——充滿角α——充滿度。1/4/202332五、圓形斷面水力最優(yōu)計(jì)算可按明渠均勻流基本公式計(jì)算。1、無(wú)壓（1）當(dāng)а=1時(shí)，為滿管流動(dòng)；（2）當(dāng)а<

1時(shí)，為不滿管流動(dòng)。在污水管路設(shè)計(jì)中，為通風(fēng)、防暴及適應(yīng)污水量的變化，一般均應(yīng)設(shè)計(jì)為不滿流。其最大充滿度見(jiàn)表10—4。1/4/202333（1）當(dāng)а=1時(shí)，為滿管流動(dòng)；（2）當(dāng)а<1時(shí)，2、水力特征：（1）

J=Jp=i；

（2）水力最優(yōu)發(fā)生在滿管之前（即在滿管之前v、Q達(dá)到最大）。1/4/2023342、水力特征：（1）J=Jp=i；（2）水力3、計(jì)算圖表（圖10—9）為了計(jì)算方便，可將繁雜的公式化關(guān)系繪成表格。圖表中采用無(wú)量綱組合量形式，可適用于不同d、n時(shí)的情況。1/4/2023353、計(jì)算圖表（圖10—9）為了計(jì)算方便，可將繁雜的公兩條曲線：（1）其中：Qd——滿流Q——不滿流аf(α)dh0A=f1(α)1/4/202336兩條曲線：（1）其中：Qd——滿流Q——不滿流аf(α)dаf(α)dh0A=f1(α)B=f2(α)（2）流量：Q=AQd

不滿流時(shí)：流速：

v=

Bvd1/4/202337аf(α)dh0A=f1(α)B=f2(α)（A=f1(α)B=f2(α)1.08Qd1.14vd0.940.81а=dh0аf(α)dh01/4/202338A=f1(α)B=f2(α)1.08Qd1.14、水力最優(yōu)點(diǎn)：（1）最大流量點(diǎn)：A=1.08а=0.94即h=0.94d時(shí)，其輸水性最優(yōu)，Qmax=1.08Qd

。且：1/4/2023394、水力最優(yōu)點(diǎn)：（1）最大流量點(diǎn)：A=1.08а=0.（2）最大流速點(diǎn)：B=1.14а=0.81即h=0.81d

時(shí)，其流速最大，且

vmax=1.14vd解釋：因?yàn)閳A形斷面在半管以上充水時(shí)，經(jīng)過(guò)某一水深時(shí)后，其濕周的增速比面積的增速大，水力半徑開(kāi)始減小，Q、v反而下降。1/4/202340（2）最大流速點(diǎn)：B=1.14а=0.81即h5、水力計(jì)算（四類）可參考梯形斷面6、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題?？蓞⒖肌妒彝馀潘O(shè)計(jì)規(guī)范》（1）對(duì)于污水管：按不滿流設(shè)計(jì)，最大設(shè)計(jì)充滿度а見(jiàn)表10—4。（2）對(duì)于雨水及合流管：按滿流設(shè)計(jì)。1/4/2023415、水力計(jì)算（四類）可參考梯形斷面6、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題?？桑?）對(duì)于最小管徑、最小設(shè)計(jì)坡度的規(guī)定：（3）排水管的最大設(shè)計(jì)流速：金屬管：vmax=10m/s；非金屬管：vmax=5m/s。（4）排水管的最小設(shè)計(jì)流速：d>500mm：vmin=0.8m/s

d≤500mm：vmin=0.7m/s?？蓞㈤営嘘P(guān)手冊(cè)與規(guī)范。1/4/202342（5）對(duì)于最小管徑、最小設(shè)計(jì)坡度的規(guī)定：（3）排水管的最六、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計(jì)算

Q1Q2Q3特性：2>各部分的濕周僅考慮水流與固體壁面接觸的周界。1>J1=J2=J31/4/202343六、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計(jì)算Q1Q2Q3特性：21、非均勻流的產(chǎn)生及特征：§10-2恒定明渠（非均勻）流的流動(dòng)型態(tài)和若干基本概念（1）產(chǎn)生：1>人為因素——在渠道上建橋、設(shè)涵、修壩等水工建筑，會(huì)破壞發(fā)生均勻流的條件，從而產(chǎn)生非均勻流。1/4/2023441、非均勻流的產(chǎn)生及特征：§10-2恒定明渠（非均勻）1>v、h

、u沿程改變，水面線一般為曲線；2>J

≠Jp≠i。2>自然因素——河渠受大自然作用，過(guò)流斷面、底坡發(fā)生改變，產(chǎn)生非均勻流。（2）特征：1/4/2023451>v、h、u沿程改變，水面線一般為曲線；2>2、分類：（1）漸變流——（2）急變流——1>分析水面曲線；2>沿程水深計(jì)算。h沿程無(wú)突變，流線近似平行直線，過(guò)流斷面壓強(qiáng)分布符合靜水壓強(qiáng)分布。h沿程急劇改變，流線間夾角很大。明渠非均勻流要解決的問(wèn)題：1/4/2023462、分類：（1）漸變流——（2）急變流——1>分析水c

v緩流明渠流的兩種流動(dòng)型態(tài)一、緩流和急流1、緩流——若障礙物對(duì)水流的干擾可向上游傳播，則為緩流。有：v<cc——干擾波波速主要發(fā)生在底坡比較平坦，水流徐緩的平原區(qū)河段中。1/4/202347cv緩流明渠流的兩種流動(dòng)型態(tài)一、緩流和急流1、緩流——若2、急流——若障礙物對(duì)水流的干擾只對(duì)附近水流有局部影響，則為急流。c

v急流有：v>c主要發(fā)生在底坡陡峻，水流湍急的河渠中。明渠流的水面線型與流態(tài)有關(guān)，故分析水面線應(yīng)先判斷流態(tài)。1/4/2023482、急流——若障礙物對(duì)水流的干擾只對(duì)附近水流cv急流有：二、明渠流流動(dòng)型態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)——弗汝德數(shù)2、弗汝德數(shù)Fr

1、微波的絕對(duì)波速（自閱）反映了慣性力與重力之間的關(guān)系。1/4/202349二、明渠流流動(dòng)型態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)——弗汝德數(shù)2、弗汝德數(shù)Fr（3）急流：

Fr>1。（1）臨界流：

Fr=1；（2）緩流：

Fr<1；

3、流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)v>c時(shí)，c’恒為正，干擾波只向下游傳，為急流；當(dāng)v<c，c’可正可負(fù)，上、下游均可傳播，為緩流。=v±cc/1/4/202350（3）急流：Fr>1。（1）臨界流：Fr=1三、斷面單位能量、臨界水深、臨界底坡1、斷面單位能量——基準(zhǔn)面選在過(guò)流斷面最低處時(shí)，流體所具有的機(jī)械能。（1）任一點(diǎn)的總機(jī)械能：1/4/202351三、斷面單位能量、臨界水深、臨界底坡1、斷面單位能量——基準(zhǔn)000`0`hazp/γ（2）任一點(diǎn)的斷面單位能量：E——斷面單位能量，也稱比能。1/4/202352000`0`hazp/γ（2）任一點(diǎn)的斷面單位能量：（3）E與H的比較：2>H總是沿程下降，但E

卻不一定。1>概念不同E=H－a；因

z

不固定1/4/202353（3）E與H的比較：2>H總是沿程下降，但E卻見(jiàn)下頁(yè)依據(jù)：（4）E與h

的關(guān)系曲線：1/4/202354見(jiàn)下頁(yè)依據(jù)：（4）E與h的關(guān)系曲線：12/28/2022hkEminhEE1=h2222gAQEa=E=E1+E23>E=E1+E2=勢(shì)能+動(dòng)能。222gAQa2>h→0，A→0，E→；1>h→∝，A→∝，E→h；1/4/202355hkEminhEE1=h2222gAQEa=E=E1+E2（5）關(guān)系曲線分析：1>

上支：緩流E隨h的增加而增加。此時(shí)，勢(shì)能（E1）占主導(dǎo)地位，E的變化主要表現(xiàn)在h

的變化。這種水流遇到局部干擾時(shí)，表現(xiàn)為水位的壅高或降低。1/4/202356（5）關(guān)系曲線分析：1>

上支：緩流E隨h2>下支：急流3>分界點(diǎn)：臨界流E隨h的減小而增加。此時(shí)，動(dòng)能（E2）占主導(dǎo)地位，E的變化主要表現(xiàn)為v的變化。這種水流遇到局部干擾時(shí)，表現(xiàn)為水位的局部隆起。1/4/2023572>下支：急流3>分界點(diǎn)：臨界流2、臨界水深

hcr（1）臨界水深計(jì)算式：由：得：——對(duì)應(yīng)斷面單位能量最小的水深。其中：表示過(guò)流斷面面積隨水深的變化率，可近似的以水面寬度B代替。1/4/2023582、臨界水深hcr（1）臨界水深計(jì)算式：由：得：——對(duì)應(yīng)當(dāng)給定渠道流量、斷面形狀和尺寸時(shí)，就可由上式求得hcr值。由此可知：hcr與斷面形狀、尺寸及流量有關(guān)；

h0與i，n有關(guān)。1/4/202359當(dāng)給定渠道流量、斷面形狀和尺寸時(shí)，就12/28/20（2）hcr的求解方法：hBA3αQ2ghcrhBA3試算作圖32gqhcra=對(duì)矩形斷面：1/4/202360（2）hcr的求解方法：hBA3αQ2ghcrhBA3試算3、臨界底坡

icr——正常水深恰好等于臨界水深時(shí)的渠底坡度。既滿足均勻流關(guān)系式又滿足臨界流關(guān)系式即：計(jì)算式：1/4/2023613、臨界底坡icr——正常水深恰好等于臨界水深時(shí)的渠底坡度臨界坡——i=icr

緩坡——i<icr急坡——i>icr4、緩坡、急坡、臨界坡1/4/202362臨界坡——i=icr緩坡——i<四、判別流動(dòng)型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)1、緩流：Fr<1；h>hcr；i<icr；v<vcr；v<c；dEdh>0Fr=1；h=hcr；i=icr；v=vcr；v=c；dEdh＝0dEdh<0Fr>1；h<hcr；i>icr；v>vcr；v>c；2、急流：3、臨界流：1/4/202363四、判別流動(dòng)型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)1、緩流：Fr<1；h>hcr；§10—3水躍和跌水一、水躍1、水躍現(xiàn)象：明渠流從急流狀態(tài)過(guò)度到緩流狀態(tài)時(shí)，水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。（1）水躍：1/4/202364§10—3水躍和跌水一、水躍1、水躍現(xiàn)象：（2）發(fā)生原因：由水深較小的急流受到下游水深較大的緩流阻擋，迫使局部水流強(qiáng)烈混摻，流速驟降，急流的動(dòng)能大量消耗，剩余動(dòng)能在局部渠段內(nèi)，急劇轉(zhuǎn)為勢(shì)能，由此引起局部水位急劇升高，呈水躍現(xiàn)象。1/4/202365（2）發(fā)生原因：由水深較小的急流受到下游水深較大的緩h/h//

漩渦區(qū)（3）水躍圖示：緩流區(qū)主流區(qū)急流區(qū)上部為旋渦區(qū)，下部為主流區(qū)。此兩部分的質(zhì)點(diǎn)不斷相互混摻，進(jìn)行能量交換。故水躍可以引起大量的能量損失，通?？勺鳛橐环N消能的措施。1/4/202366h/h//漩渦區(qū)（3）水躍圖示：緩流區(qū)主流區(qū)急流區(qū)（4）水躍的形式：1>完整水躍——躍前水深與躍后水深相差顯著的水躍。3>波狀水躍——無(wú)表面翻滾的水躍。如小橋涵過(guò)水。2>自由水躍——純屬緩流水體阻擋造成的水躍。完整水躍的一些規(guī)律?？勺鳛槟承┧S計(jì)算的依據(jù)，故在此著重討論之。1/4/202367（4）水躍的形式：1>完整水躍——躍前水深與躍后水深2、水躍方程：（1）幾點(diǎn)假設(shè)：1>水躍段摩擦阻力忽略不計(jì)；2>躍前及躍后斷面為漸變流過(guò)流斷面；3>動(dòng)量修正系數(shù)相同，即β1=β2=β=1；4>平坡渠道，重力在流動(dòng)方向上無(wú)分量。1/4/2023682、水躍方程：（1）幾點(diǎn)假設(shè)：1>水躍段摩擦阻力忽略不計(jì)；（2）方程的推導(dǎo)依據(jù)：動(dòng)量方程：11221/4/202369（2）方程的推導(dǎo)依據(jù)：動(dòng)量方程：112212/28/2022（3）完整水躍方程式：當(dāng)Q一定時(shí)，完整水躍方程式為水深的函數(shù)，故可改寫成函數(shù)式。1/4/202370（3）完整水躍方程式：當(dāng)Q一定時(shí)，完整水躍方程式為令：則有：J（h/）=J（h//）水躍函數(shù)（4）水躍函數(shù)：1/4/202371令：則有：J（h/）=J（h//）水躍函數(shù)（4）水躍函數(shù)：（5）J（h）隨h變化曲線：如圖450E,JhhkEminJminE=f(h)J=f(h)1/4/202372（5）J（h）隨h變化曲線：如圖450E,JhhkE（6）對(duì)比：J（h）～hE（h）～h與上支——緩流；下支——急流。1>曲線形狀相似；2>在同一水深hk時(shí)具有最小值；450E,JhhkEminJminE=f(h)J=f(h)1/4/202373（6）對(duì)比：J（h）～hE（h）～h與上支——緩流；下支3>作一任意平行

h軸的直線，與J（h）～h曲線相交于兩點(diǎn)M、N，而M、N

兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)水深h/、h//。En－Em=△E——水躍能量損失。h/、h//

——共軛水深；450E,JhhkE=f(h)J=f(h)h，h”EnEm1/4/2023743>作一任意平行h軸的直線，與J（h）～h3、共軛水深計(jì)算（水躍方程）（1）任意斷面形狀：1>

試算；2>圖表；3>作J（h）～h

曲線。解題方法1/4/2023753、共軛水深計(jì)算（水躍方程）（1）任意斷面形狀：1>見(jiàn)式10—48，10—49，10—50，10—51，10—52。（2）矩形斷面：1/4/202376見(jiàn)式10—48，10—49，10—50，4、水躍的能量損失、水躍長(zhǎng)度（1）能量損失：主要集中在水躍段，可將此段損失作為水躍能量的全部損失。1/4/2023774、水躍的能量損失、水躍長(zhǎng)度（1）能量損失：主要集中對(duì)于平坡、矩形斷面渠道，有：1/4/202378對(duì)于平坡、矩形斷面渠道，有：12/28/202278（2）水躍長(zhǎng)度：L=

Lj

+L0L0

——躍后段長(zhǎng)度Lj

——水躍段長(zhǎng)度式10—59式10—56式10—57式10—581/4/202379（2）水躍長(zhǎng)度：L=Lj+L0L0——躍后段長(zhǎng)度（1）遠(yuǎn)驅(qū)式水躍：h”

>h0水躍能量由勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，向下游推移，直到多余勢(shì)能消失，水位與下游相同為止。5*、水躍的三種銜接形式：h”

＝h0（2）臨界式水躍：h”

<

h0沒(méi)有多余的能量，水躍結(jié)束后，能量與下游相同。（3）淹沒(méi)式水躍：下游前端水流勢(shì)能大于水躍后端勢(shì)能，水躍向上游推移，淹沒(méi)收縮斷面。1/4/202380（1）遠(yuǎn)驅(qū)式水躍：h”>h0水躍能量由勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)椤徚?、急流連接處的斷面?？刂茢嗝娑?、跌水——在渠道中，水流由緩流向急流過(guò)渡時(shí)，水面突然跌落的水力現(xiàn)象。其水深為控制水深，可認(rèn)為是臨界水深。在進(jìn)行水面曲線分析時(shí)，可作為一個(gè)已知條件。1/4/202381——緩流、急流連接處的斷面?？刂茢嗝娑?、跌水——在渠道中，基本方程：所建立的基本微分方程是進(jìn)行水面曲線分析和計(jì)算的依據(jù)?！?0—4恒定明渠非均勻漸變流

基本微分方程（2）（1）摩阻坡度1/4/202382基本方程：所建立的基本微分方程是進(jìn)行水面曲線分析和計(jì)算的依據(jù)1>

水流單位勢(shì)能的改變＝單位動(dòng)能+單位能量損失改變。3>

時(shí)，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，故水面降落較小，也可能保持不變，甚至?xí)仙ㄈ缂绷鳌徚鳎<0αv22g2>

dhf

恒為正值，故時(shí)，dz<0，水面下降。d>0αv22g1/4/2023831>

水流單位勢(shì)能的改變＝單位動(dòng)能+單位能量損失改變?！?0—5棱柱型渠道中恒定非均勻漸變流水面曲線分析可用作水面曲線定性分析。1、一般表達(dá)式：一、微分方程

1/4/202384§10—5棱柱型渠道中恒定非均勻可用作水面曲線定性分析2、討論：（1）h→hcr

時(shí)，F(xiàn)r→1，即：水流由小于

hcr→大于hcr時(shí)，發(fā)生水躍；反之則發(fā)生跌水。水面曲線與臨界水深正交。1/4/2023852、討論：（1）h→hcr時(shí)，F(xiàn)r→1，即：水流由?。?）水深h的沿程變化與i有關(guān)。1>i>0時(shí)：3>i<0時(shí)：2>i=0時(shí)：可按發(fā)生均勻流Q2=k02iQ2=kcr2icrK’0—均勻流時(shí)的流量模數(shù)。令：i

/=-i(i<0)1/4/202386（2）水深h的沿程變化與i有關(guān)。1>i>0（1）i>0（順坡）：KKNNabc3、五種底坡、十二個(gè)區(qū)：三種坡、八個(gè)區(qū)i<icr

緩坡KKNNabci>icr

急坡1/4/202387（1）i>0（順坡）：KKNNabc3、五種底坡、十二acK（N）K（N）i＝icr

臨界坡（2）i=0（平坡）：KKbci=0兩個(gè)區(qū)1/4/202388acK（N）K（N）i＝icr臨界坡（2）i=0（平（3）i<0（逆坡）：bcKKi<0兩個(gè)區(qū)1/4/202389（3）i<0（逆坡）：bcKKi<0兩個(gè)區(qū)12/?000<=>dsdh4、分析水面曲線的任務(wù)：（1）據(jù)i，h與h0，h與hcr的關(guān)系及Fr

數(shù)，確定水面曲線沿程變化規(guī)律，即：（2）指出曲線兩端的變化趨勢(shì)，即極限情況。1/4/202390?000<=>dsdh4、分析水面曲線的任務(wù)：（1）據(jù)i，二、定性分析1、順坡渠道（i>0）基本公式h0>hcr（1）緩坡（i<icr）1/4/202391二、定性分析1、順坡渠道（i>0）基本公式h0>hc0>dsdh1>h>h0>hcr時(shí)：aI型壅水曲線下游端：與水平線漸進(jìn)。上游端：與N——N線漸進(jìn)。0>dsdh上游端：以N——N為漸進(jìn)線下游端：以水平線為漸進(jìn)線1/4/2023920>dsdh1>h>h0>hcr時(shí)：aI型壅0<dsdhbI型降水曲線2>h0

>h>hcr時(shí)：下游端：與K——K線正交。上游端：以N——N為漸進(jìn)線。1/4/2023930<dsdhbI型降水曲線2>h0>h>hcr0>dsdh3>h0

>hcr

>h時(shí)：cI型壅水曲線上游端：起源于某一水深下游端：與K——K線正交1/4/2023940>dsdh3>h0>hcr>h時(shí)：cI型壅水曲0>dsdhh>hcr>h0

時(shí)：0<dsdhhcr>h>h0

時(shí)：aⅡ型壅水曲線bⅡ型降水曲線（2）急坡（i>icr

）h0<hcr0>dsdhhcr>h0>h

時(shí)：cⅡ型壅水曲線1/4/2023950>dsdhh>hcr>h0時(shí)：0<dsdhhcr>1>h>h0

=hcraⅢ型壅水曲線（3）臨界坡（i=icr

）h0=hcr2>h<h0

=hcrcⅢ型壅水曲線1/4/2023961>h>h0=hcraⅢ型壅水曲線（3）臨界坡（i2、平坡渠道（i=0）只有K——K線。（1）h>hcrb0型降水曲線c0型壅水曲線（2）h<hcr1/4/2023972、平坡渠道（i=0）只有K——K線。（1）h>只有K——K線。（1）h>hcrb/

型降水曲線（2）h<hcrc/

型壅水曲線3、逆坡渠道（i<0）1/4/202398只有K——K線。（1）h>hcrb/型降水曲線（2）三、水面曲線的特點(diǎn)與分析方法1、特點(diǎn)：（2）除aⅢ、

cⅢ

型之外，其余均遵循下列原則：（1）所有a、c型均為壅水型曲線，所有b型均為降水型曲線。1/4/202399三、水面曲線的特點(diǎn)與分析方法1、特點(diǎn)：（2）除aⅢ、c1>h→hcr

時(shí)，水面曲線的連續(xù)性中斷，與K——K

線正交，發(fā)生水躍或跌水。3>h→∞時(shí)，水面曲線漸趨水平。2>h→h0時(shí)，水面曲線的漸近線為N——N線。1/4/20231001>h→hcr時(shí)，水面曲線的連續(xù)性中斷，與K——K3（3）aⅢ、

cⅢ

型曲線在連接N——N線、K——K

線時(shí)，都近乎水平。（4）渠道足夠長(zhǎng)時(shí)，水流可恢復(fù)均勻流，水深為正常水深，水面線為N——N線。1/4/2023101（3）aⅢ、cⅢ型曲線在連接N——N線、K——K（3）分析水面線的幾何特性、上、下游銜接情況，繪出曲線。（1）首先判明渠道類型，確定N——N，K——K線的位置。為此，應(yīng)先計(jì)算h0、hcr、icr。（2）確定控制斷面，計(jì)算控制斷面的水深，按水深所在區(qū)間判明曲線的類型。2、水面線定性分析要點(diǎn)：1/4/2023102（3）分析水面線的幾何特性、上、下游銜接情況，繪（1）首先（1）緩坡（包括平坡、逆坡）→急坡：3、水面曲線銜接的基本規(guī)律：產(chǎn)生跌水，折變處即控制斷面，水深可作為臨界水深。1/4/2023103（1）緩坡（包括平坡、逆坡）→急坡：3、水面曲線銜接的基本發(fā)生水躍1>h//<ht

淹沒(méi)水躍；2>h//=ht臨界水躍3>h//>ht

遠(yuǎn)驅(qū)水躍（2）急坡→緩坡（包括平坡、逆坡）：1/4/2023104發(fā)生水躍1>h//<ht淹沒(méi)水躍（3）緩坡→緩坡：只影響上游，下游依然為均勻流。（4）急坡→急坡：只影響下游，上游依然為均勻流。（5）臨界坡中的流動(dòng)型態(tài)，應(yīng)視其相鄰底坡的急、緩而定，如上游相鄰底坡為緩坡，應(yīng)視為緩坡過(guò)渡到緩坡，只影響上游。1/4/2023105（3）緩坡→緩坡：只影響上游，下游依然為均勻流。（4）急坡→一、分段求和法即：任務(wù)：求得明渠非均勻漸變流微分方程的解。§10—6恒定明渠非均勻漸變流水面曲線計(jì)算1/4/2023106一、分段求和法即：任務(wù)：求得明渠非均勻漸變流微分方程的解將微分方程改寫成差分方程，將整個(gè)流動(dòng)劃分成若干微小的流段，在每個(gè)流段上應(yīng)用差分方程求解，再逐段累加，得整個(gè)渠道水面線。思路：1/4/2023107將微分方程改寫成差分方程，將整個(gè)流動(dòng)劃分成若干微小的流段，在1、水面曲線計(jì)算要解決的問(wèn)題已知：i，n（2）已知：求:另一個(gè)水深。Q，渠道兩斷面的形狀、尺寸，兩斷面的間距L，一個(gè)水深，（1）已知：求:兩斷面的間距L。Q，渠道兩斷面的形狀、尺寸，水深h1、h2

，1/4/20231081、水面曲線計(jì)算要解決的問(wèn)題已知：i，n（2）已知：求2、計(jì)算式：其中：可按均勻流公式計(jì)算。1/4/20231092、計(jì)算式：其中：可按均勻流公式計(jì)算。12/28/20221（1）長(zhǎng)度不大的棱柱體：221RRR+=221ccc+=221vvv+=即：1/4/2023110（1）長(zhǎng)度不大的棱柱體：221RRR+=221ccc+=2212JJJfff+=1122v1v2△S（2）非棱柱體：222222RcvJf=121211RcvJf=1/4/2023111212JJJfff+=1122v1v2△S（2）非棱柱體：23、棱柱型渠道水面曲線計(jì)算：方法：（1）以某控制斷面作1—1斷面，據(jù)水面曲線的型式定出相鄰2—2斷面，然后以此類推，逐段計(jì)算。1/4/20231123、棱柱型渠道水面曲線計(jì)算：方法：（1）以某控制斷面作1—（2）應(yīng)計(jì)算的參數(shù)：

（3）總長(zhǎng)（水面曲線）：1/4/2023113（2）應(yīng)計(jì)算的參數(shù)：

（3）總長(zhǎng)（水面曲線）：12/28/24、非棱柱型渠道水面曲線計(jì)算：（1）已知條件：i,n,Q,h1，A=f(h，s)斷面面積沿程變化規(guī)律1>確定控制斷面處的E1、h1、A1、V1,Jf1。2>將明渠分為若干段，再按△s選定相鄰2—2斷面。（2）計(jì)算要點(diǎn)：1/4/20231144、非棱柱型渠道水面曲線計(jì)算：（1）已知條件：i,n,由h2計(jì)算出E2、A2、v2、Jf2。緩流——向上游算；急流——向下游算。其中：h2可假定，一般按0.1～0.3取值。1/4/2023115由h2計(jì)算出E2、A2、v2、Jf2。緩流——向3>按式計(jì)算再據(jù)及i計(jì)算△s。若計(jì)算出的△s與給定的相等，則所設(shè)h2

即所求h2以上步驟重復(fù)逐段求和，即得整段渠道水面曲線。1/4/20231163>按式計(jì)算再據(jù)及i計(jì)算△s。若計(jì)算出的△s3>拋物線法。1>梯形法；2>矩形法；近似法：二、數(shù)值求和法（棱柱型渠道）1/4/20231173>拋物線法。1>梯形法；2>矩形法；近似法：二、數(shù)值§10—8閘孔出流

一、簡(jiǎn)介1、閘門底的類型：平坎寬頂堰坎實(shí)用堰坎1/4/2023118§10—8閘孔出流一、簡(jiǎn)介1、閘門底的類型：平2、閘門的型式：矩形平板閘門；弧形閘門3、閘孔的出流型式：自由式；淹沒(méi)式4、閘孔出流與堰流的判別標(biāo)準(zhǔn)：>0.65eH則為堰流；若（1）平坎、寬頂堰坎：（2）實(shí)用堰坎：則為堰流。>0.75eH若1/4/20231192、閘門的型式：矩形平板閘門；弧形閘門3、閘孔的出流5、影響閘孔出流的因素：閘門的型式；閘孔的尺寸；閘前的水頭；下游水位等。1/4/20231205、影響閘孔出流的因素：閘門的型式；閘孔的尺寸；閘二、閘孔出流計(jì)算1、自由式閘孔出流二維、平坎、矩形閘門Hcchte1/4/2023121二、閘孔出流計(jì)算1、自由式閘孔出流二維、平坎、Hcchte1ε系數(shù)見(jiàn)表10—5。

Φ＝0.95~1.0(平坎)Hcchte1/4/2023122ε系數(shù)見(jiàn)表10—5。Hcchte12/28/20221222、淹沒(méi)式

Hehchth二維、平坎、矩形閘門μ、B、e同自由式。h——由動(dòng)量方程推導(dǎo)，見(jiàn)式11—961/4/20231232、淹沒(méi)式Hehchth二維、平坎、μ、B、e同h——由3、自由式、淹沒(méi)式判別標(biāo)準(zhǔn)：（1）自由式：不發(fā)生淹沒(méi)式水躍。（2）淹沒(méi)式：發(fā)生淹沒(méi)式水躍。hc’’<hthc’’—hc的共軛水深。hc’’>ht發(fā)生淹沒(méi)式水躍的條件:hc’’<ht1/4/20231243、自由式、淹沒(méi)式判別標(biāo)準(zhǔn)：（1）自由式：不發(fā)生淹沒(méi)式水躍。（2）判斷是自由式、淹沒(méi)式？（1）判斷是否閘孔出流？5、舉例。4、閘孔水力計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題：1/4/2023125（2）判斷是自由式、淹沒(méi)式？（1）判斷是否閘孔出流？5、舉例§10—9堰流1、堰——一種既可蓄又可泄的溢流設(shè)施。2、堰流——水流經(jīng)明渠上的泄水構(gòu)筑物時(shí)，發(fā)生水面連續(xù)光滑跌落的現(xiàn)象。1/4/2023126§10—9堰流1、堰——一種既可蓄又寬頂堰：δH<0.67薄壁堰：實(shí)用堰：δH<2.50.67<δH10>>2.5δ3、堰的分類：（1）依據(jù)堰頂厚度：H1/4/2023127寬頂堰：δH<0.67薄壁堰：實(shí)用堰：δH<（2）依據(jù)水流行近堰體的條件：1>側(cè)收縮堰；2>無(wú)側(cè)收縮堰。Bb1/4/2023128（2）依據(jù)水流行近堰體的條件：1>側(cè)收縮堰；2>無(wú)側(cè)收1>正堰vv3>側(cè)堰v2>斜堰（3）依據(jù)堰與渠道中水流的方向：1/4/20231291>正堰vv3>側(cè)堰v2>斜堰（3）依據(jù)堰與渠道中水（4）依據(jù)堰口的形狀：1>三角堰3>梯形堰2>矩形堰4>流線形堰1>自由式；2>淹沒(méi)式。（5）依據(jù)下游水位是否影響泄流：1/4/2023130（4）依據(jù)堰口的形狀：1>三角堰3>梯形堰2>矩形堰一、薄壁堰1、完善堰流與非完善堰流：當(dāng)堰上水頭H較小時(shí)，水舌將貼壁而下，形成不完善堰流，影響泄流能力；當(dāng)H增加時(shí)，水舌離開(kāi)壁面，但如果水舌與壁面間沒(méi)有良好的通風(fēng)，仍會(huì)出現(xiàn)不完善堰流，故在薄壁堰中應(yīng)保持水舌下通風(fēng)充分，以使其為完善堰流。1/4/2023131一、薄壁堰1、完善堰流與非完善堰流：當(dāng)堰上（1）自由式（完全堰）2、矩形薄壁堰完全堰——無(wú)側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)、矩形、薄壁、正堰。2>有側(cè)收縮堰：1>完全堰:m0—式10—104m—式10—105m0——式10—1061/4/2023132（1）自由式（完全堰）2、矩形薄壁堰完全堰——無(wú)側(cè)收縮、自堰下游水面高于堰頂；1>必要條件：hs>02>充分條件：Zp1<0.7下游發(fā)生淹沒(méi)水躍。（2）淹沒(méi)式堰流（潛堰）：σ—式10—108淹沒(méi)條件：1/4/2023133堰下游水面高于堰頂；1>必要條件：hs>02>充Hpp1hsZht3、三角形堰——可分成若干矩形堰，再積分?；竟酵匦?，可作適當(dāng)變換，如:式10—110，10—111。4、梯形堰自閱1/4/2023134Hpp1hsZht3、三角形堰——可分成若干矩形堰，再積分。二、實(shí)用溢流堰真空堰非真空堰（2）折線型實(shí)用堰（1）曲線型實(shí)用堰折線型曲線型——主要用于蓄水或擋水，其剖面可設(shè)計(jì)成曲線型，折線型。1、分類：1/4/2023135二、實(shí)用溢流堰真空堰非真空堰（2）折線型實(shí)用堰（1）曲線——堰面曲線輪廓低于水舌曲線下緣時(shí)，在設(shè)計(jì)水頭下，水舌將在局部范圍內(nèi)與堰面脫離，形成真空，即真空堰。真空堰因存在真空，可使過(guò)流能力增加，但負(fù)壓過(guò)大會(huì)造成堰表面發(fā)生汽蝕此處的最大允許真空值。為3～5米水柱。1>真空堰1/4/2023136——堰面曲線輪廓低于水舌曲線下緣時(shí)，在設(shè)計(jì)真空堰因存在真空2>非真空堰——堰剖面曲線與堰溢流時(shí)水的流線一致，水舌下緣與壁面曲線相吻合，保證在設(shè)計(jì)水頭下達(dá)到最大過(guò)流量，水流作用于液面上的壓強(qiáng)近似大氣壓。判別淹沒(méi)條件同薄壁堰。2、計(jì)算式（1）自由式無(wú)側(cè)收縮：1/4/20231372>非真空堰——堰剖面曲線與堰溢流時(shí)水的流線一致，水判別

1>

m曲：0.43～0.50折：0.35～0.43（2）有側(cè)收縮：（3）淹沒(méi)式：真：0.5；非：0.452>ε——式10—116。3>其它分別查有關(guān)表格。1/4/20231381>m曲：0.43～0.50折：0.35～0.43（2三、寬頂堰小橋過(guò)水、無(wú)壓短涵管、分洪閘、泄水閘等一般都屬于寬頂堰水流計(jì)算。1、水力現(xiàn)象分析：（1）當(dāng)Hδ<42.5<時(shí)，堰頂水面只有一次跌落，堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深hcr。1/4/2023139三、寬頂堰小橋過(guò)水、無(wú)壓短涵管、分洪閘、泄工程中常見(jiàn)的是第二種寬頂堰時(shí)，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，Hδ<104<（2）當(dāng)其水深為：hc≈（0.8～0.92）hcr在最大跌落處形成收縮斷面，1/4/2023140工程中常見(jiàn)的是第二種寬頂堰時(shí)，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，Hδ<2、堰流基本公式：注：對(duì)有側(cè)收縮和淹沒(méi)寬頂堰在上式的基礎(chǔ)上分別乘以側(cè)收縮系數(shù)ε和淹沒(méi)系數(shù)σ。系數(shù)：2>ε同實(shí)用堰；3>σ表10—9。1>m查表10—10；2>σ表10—9。有坎寬頂堰：無(wú)坎寬頂堰：1>m式10—119，10—120；3>ε已考慮進(jìn)m，不單算。1/4/20231412、堰流基本公式：注：對(duì)有側(cè)收縮和淹沒(méi)寬頂系數(shù)：2>ε同實(shí)3、淹沒(méi)判別的標(biāo)準(zhǔn)：1>必要條件：hs≥(0.75～0.85)H0

hs>0；

2>充分條件：或hs≥(1.25～1.35)hcr三類水力計(jì)算，分別為計(jì)算：Q，H，B四、堰流水力計(jì)算薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰1/4/20231423、淹沒(méi)判別的標(biāo)準(zhǔn)：1>必要條件：hs≥(0.75～§11—6水工建筑物下游水流銜接與消能一、簡(jiǎn)介1、消能——消除或縮短泄水建筑物下游急流段的措施，簡(jiǎn)稱消能。2、消能的設(shè)計(jì)原則——在控制的局部流段內(nèi)，增加水流的紊亂、消減水流流速，消除對(duì)河床的有害能量。3、消能的方法:底流式消能、面流式消能、挑流式、人工加糙、單級(jí)跌水或多級(jí)跌水。1/4/2023143§11—6水工建筑物下游水流銜接與消能一、簡(jiǎn)介1、消（1）底流式消能：特點(diǎn)：水流的主流在渠底，有消力池或消力檻。設(shè)計(jì)原則：在消力池或消力檻前造成淹沒(méi)式水躍，以利用水躍消能。適用范圍：多用于軟土地基上的中、低水頭泄水建筑物下游。（2）面流式消能：特點(diǎn)：將主流引向下游水面，并在河床與表層水之間形成旋渦區(qū)以消耗能量。利用平頂或小挑角鼻坎，將游急流送到下游水流表面。為了造成面流式消能，多用平頂或小挑角鼻坎，并將鼻坎頂端造成戽勺形，使水流在戽勺內(nèi)形成水躍，在坎后形成面流，在戽內(nèi)、跌坎下游、下游水面形成三個(gè)大旋渦以消能。故也稱戽流消能。設(shè)計(jì)原則：1/4/2023144（1）底流式消能：特點(diǎn)：水流的主流在渠底，有消力池或消力檻。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)河床沖刷小，可節(jié)約防護(hù)工程投資。缺點(diǎn)：會(huì)引起下游水位激烈波動(dòng)，對(duì)岸坡的穩(wěn)定及航運(yùn)不利。下游水深較大且穩(wěn)定的水流。適用范圍：（3）挑流式：利用下泄水流具有的高流速，將水流挑射到遠(yuǎn)離泄水建筑物的下游河床中。因挑射水流受空氣阻力影響，水股發(fā)生分散，射入下游河床后，與下游水流劇烈混摻，大量的下泄能量被消耗掉，從而降低流速，保護(hù)河床。適用范圍：巖石地基上的中、高水頭泄水構(gòu)筑物下游。（4）人工加糙：在急流槽或在下游局部河床中，采用人工增加渠道的粗糙度以降低流速，達(dá)到消能。1/4/2023145優(yōu)點(diǎn)：對(duì)河床沖刷小，可節(jié)約防護(hù)工程投資。缺點(diǎn)：會(huì)引起下游水位（5）單級(jí)跌水或多級(jí)跌水：多用于地形較陡的河渠。單級(jí)跌水的組成：進(jìn)口渠槽消能設(shè)施跌坎消力池消力檻綜合消力池等二、底流銜接與消能以實(shí)用堰為例水流由堰頂溢流而下，勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，在c—c處形成收縮斷面，c—c處的急流向下游緩流過(guò)渡，產(chǎn)生水躍。1/4/2023146（5）單級(jí)跌水或多級(jí)跌水：多用于地形較陡的河渠。單級(jí)跌水的組1、水躍的銜接形式：（1）遠(yuǎn)驅(qū)式水躍：hc’’>hct，躍前急流段較長(zhǎng)，河床需加固段加長(zhǎng)；（2）淹沒(méi)式水躍：hc’’<hct，淹沒(méi)度較大，消能效果低，水躍段長(zhǎng)度增加；（3）臨界式水躍：hc’’=hct，消能效率高，需保護(hù)的河段較短，是最好的水流銜接方式。此種水躍不穩(wěn)定，下游水位稍有變動(dòng)，就會(huì)引起淹沒(méi)式或遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。一般可設(shè)計(jì)成淹沒(méi)程度較小的淹沒(méi)式水躍。1/4/20231471、水躍的銜接形式：（1）遠(yuǎn)驅(qū)式水躍：hc’’>hc三、底流銜接基本關(guān)系式1、基本關(guān)系式：2、矩型斷面：32gqhka=22202hgqhTccf+=1/4/2023148三、底流銜接基本關(guān)系式1、基本關(guān)系式：2、矩型斷面：32gq四、消力池水力計(jì)算設(shè)計(jì)池深d、池長(zhǎng)L1、設(shè)計(jì)原則：選定適當(dāng)?shù)某厣詈统亻L(zhǎng)，確保在池中的淹沒(méi)式水躍條件。利用人工消能措施，將水躍的銜接形式設(shè)計(jì)為淹沒(méi)度很小的淹沒(méi)式水躍，從而保證在較短的距離內(nèi)可集中消滅余能，使水流在離開(kāi)消能設(shè)施時(shí)，已轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳌＿@種消能設(shè)施即消力池。2、幾種主要方法：（1）降低下游渠底高程，形成消力池；（2）在下游渠底修筑消力檻，以形成消力池；（3）即降低下游渠底高程，又修筑消力檻，形成綜合消力池。1/4/2023149四、消力池水力計(jì)算設(shè)計(jì)池深d、池長(zhǎng)L1、設(shè)計(jì)原則：選定適3、消力池池深計(jì)算：一般可取：1.05～1.10ht//=hC/

/σ/其中——安全系數(shù)。s/

ht

——下游河渠水深?！鱖——水流出池的落差?？蓪?duì)1—1，2—2斷面列能量方程計(jì)算之。淹沒(méi)水躍躍后水深（躍前水深為hC）1/4/20231503、消力池池深計(jì)算：一般可取：1.05～1.10ht//+=jlll)8.0~7.0(04、消力池長(zhǎng)度計(jì)算：（1）有垂直跌坎的：（2）溢流堰：jl完整水躍長(zhǎng)度1>

寬頂堰進(jìn)口：2>

實(shí)用堰口：計(jì)算舉例1/4/2023151+=jlll)8.0~7.0(04、消力池長(zhǎng)度計(jì)算：（1）第十章明渠流和閘孔出流及堰流1/4/2023152第十章明渠流和閘孔出流及堰流12/28/20221掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計(jì)算；掌握明渠漸變流的特征，斷面單位能量、臨界水深、臨界底坡計(jì)算，急流與緩流的判別。學(xué)習(xí)重點(diǎn)1/4/2023153掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計(jì)算；掌握明渠漸變流的特理解閘孔出流計(jì)算掌握寬頂堰水力計(jì)算另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基本方程，會(huì)定性分析棱柱形渠道中非均勻漸變流水面曲線。1/4/2023154理解閘孔出流計(jì)算掌握寬頂堰水力計(jì)算另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基（1）具有自由液面；（2）濕周是不封閉的曲線；（3）依靠重力由高處向低處流。明渠——是一種具有自由表面液流的渠道。一、明渠流特征：1/4/2023155（1）具有自由液面；（2）濕周是不封閉的曲線；（3）依靠二、特點(diǎn)：（4）與其它建筑物交叉時(shí)，采取措施較復(fù)雜。（1）可沿地勢(shì)修建，故較簡(jiǎn)單；（2）比較經(jīng)濟(jì)（不用動(dòng)力）；（3）易受外界影響（易蒸發(fā)、結(jié)冰、污染等）；1/4/2023156二、特點(diǎn)：（4）與其它建筑物交叉時(shí)，采取措施較復(fù)雜。（1）可（1）天然明渠（2）人工明渠1、據(jù)明渠的形成條件：三、明渠分類：——過(guò)流斷面為不規(guī)則圖形。如：天然形成的江、河、湖、海。——過(guò)流斷面為規(guī)則圖形。1/4/2023157（1）天然明渠（2）人工明渠1、據(jù)明渠的形成條件：三、明渠分2、據(jù)渠道過(guò)流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：（1）棱柱形渠道A=f(h)；（2）非棱柱形渠道A=f(h，s)1/4/20231582、據(jù)渠道過(guò)流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：（1）棱柱形渠3、按過(guò)流斷面的幾何形狀：（1）規(guī)則形渠道（2）不規(guī)則形渠道如矩形、圓形、梯形等天然渠道1/4/20231593、按過(guò)流斷面的幾何形狀：（1）規(guī)則形渠道（2）不規(guī)則形渠道θvvθv（1）順坡渠道（2）平坡渠道（3）逆坡渠道i>0i=0i<04、按渠道底坡：1/4/2023160θvvθv（1）順坡渠道（2）平坡渠道（3）逆坡渠道i>底坡坡度坡降i：i=sinθ=△zLθ△zL——沿渠道作一縱向剖開(kāi)，渠底成一斜線，此斜線的坡度稱為底坡坡度。1/4/2023161底坡坡度坡降i：i=sinθ=△zLθ△zL——若θ很小，則：△zi=sinθ≈tgθ=Lx1>2>過(guò)流斷面的水深h1≈h2

鉛垂水深。h1h21/4/2023162若θ很小，則：△zi=sinθ≈tgθ=Lx1>5、按流動(dòng)是否恒定：（1）明渠恒定流；（2）明渠非恒定流。6、按流動(dòng)是否均勻：（1）明渠均勻流；（2）明渠非均勻流。1/4/20231635、按流動(dòng)是否恒定：（1）明渠恒定流；（2）明渠非恒定流。6明渠暗渠一般用來(lái)輸送清水。一般用來(lái)輸送污水。四、適用范圍：1/4/2023164明渠暗渠一般用來(lái)輸送清水。一般用來(lái)輸送污水。四、適用范圍：1（2）J

=JP=i。（1）h、v、u、A（斷面尺寸）、形狀沿程不變；恒定明渠均勻流——水深、斷面平均流速、流速分布

等都沿程不變的明渠流。§10—1恒定明渠均勻流一、特性及發(fā)生條件1、水力特性：iJpJаv22g1/4/2023165（2）J=JP=i。（1）h、v、u、（1）水流恒定；（5）沿程無(wú)局部阻力。（2）渠道為長(zhǎng)直棱柱形、順坡渠道；（3）底坡i沿程不變；（4）粗糙系數(shù)n沿程不變；2、形成條件：在實(shí)際工程中，大多都屬于非均勻流，但在一定的條件下，可將某段流動(dòng)近似地視為均勻流，以簡(jiǎn)化計(jì)算。1/4/2023166（1）水流恒定；（5）沿程無(wú)局部阻力。（2）渠道為長(zhǎng)直棱柱形1、流速：2、流量：二、基本公式——謝才公式K——流量模數(shù)用

h0表示——發(fā)生明渠均勻流時(shí)的水深。3、正常水深輸水能力——在一定的正常水深時(shí)通過(guò)的流量。1/4/20231671、流速：2、流量：二、基本公式——謝才公式K——流量模數(shù)用1、水力最優(yōu)斷面：分析：三、水力最優(yōu)斷面和允許流速∵Q=f(斷面尺寸，形狀，n，i)，而i

一般可據(jù)地勢(shì)而定，n

可據(jù)材料而定?！郠=f(斷面尺寸，形狀)1/4/20231681、水力最優(yōu)斷面：分析：三、水力最優(yōu)斷面和允許流速∵Q1>當(dāng)n,

i一定時(shí)，使渠道通過(guò)流量最大的斷面形狀即水力最優(yōu)斷面。2>設(shè)計(jì)渠道時(shí)，不但應(yīng)遵從基本公式，還應(yīng)考慮水力最優(yōu)，但由此設(shè)計(jì)的渠道卻不一定是最經(jīng)濟(jì)。斷面面積一定時(shí)，流量最大為最佳。流量一定時(shí)，斷面面積最小為最佳；1/4/20231691>當(dāng)n,i一定時(shí)，使渠道通過(guò)流量最大的2>（1）最優(yōu)斷面推導(dǎo)——曼寧公式當(dāng)n、i、A一定時(shí)，x最小，可使Q最大，從理論上分析，此時(shí)的過(guò)流斷面應(yīng)為圓形，但因圓形斷面施工困難，平日維護(hù)不便，故一般多采用梯形斷面。1/4/2023170（1）最優(yōu)斷面推導(dǎo)——曼寧公式當(dāng)n、i、A一定時(shí)，x最)1(22mmhb-+==βаbBh（2）梯形斷面水力最優(yōu)條件：m=ctgаβ只與m有關(guān)。m——邊坡系數(shù)。1/4/2023171)1(22mmhb-+==βаbBh（2）梯形斷面水力最優(yōu)條（3）注意：水力最優(yōu)只是從水力學(xué)角度考慮，在實(shí)際工程中還應(yīng)考慮工程造價(jià)、施工技術(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)管理等，諸多方面的因素從而選擇經(jīng)濟(jì)合理的斷面。1/4/2023172（3）注意：水力最優(yōu)只是從水力學(xué)角度考慮，在實(shí)際——渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計(jì)流速。渠道設(shè)計(jì)除考慮水力最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)外，還應(yīng)考慮渠道的防沖刷和防淤積能力，以保證液體流動(dòng)暢通，不影響其輸水能力。2、渠道允許流速1/4/2023173——渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計(jì)流速。渠道設(shè)即：vmin<v<vmax其中:vmin

——不淤允許流速。vmax——不沖允許流速，取決于土質(zhì)情況。1/4/2023174即：vmin<v<vmax其中:vmin3、渠道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題：（2）i應(yīng)盡量與地面坡度一致，以減少土方量。為此可采取集中落差的方法來(lái)改變值i。（1）若v>vmax，或v<vmin，可調(diào)整v，也可在渠首設(shè)置沉砂池，以改變vmin；也可改變護(hù)面材料，以調(diào)整vmax。1/4/20231753、渠道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題：（2）i應(yīng)盡量與地面坡度一致，方法：四、水力計(jì)算基本問(wèn)題主要可歸為四大類以梯形斷面

為例分析1、驗(yàn)算渠道的輸水能力。求：Q

已知：b，h，m，n，i驗(yàn)算v是否合乎要求。1/4/2023176方法：四、水力計(jì)算基本問(wèn)題主要可歸為四大類以梯形斷面1、驗(yàn)2、計(jì)算渠道的粗糙系數(shù)。方法：求：n

已知：Q，b，h，m，i1/4/20231772、計(jì)算渠道的粗糙系數(shù)。方法：求：n已知：已知：Q，b，h，m，n

求：i方法：（1）KRAc=（2）Q2=iK23、設(shè)計(jì)渠道底坡。1/4/2023178已知：Q，b，h，m，n求：4、設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。求：b,h已知：Q,m,n，i據(jù)=f（m,n，i，h，b）RJAcAvQ==方法：知可有多種解，故可分為以下幾種情況。1/4/20231794、設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。求：b,h已知：Q3>在k～h曲線上查找與對(duì)應(yīng)的h。方法：1>據(jù)作k～h曲線；KRAc=2>據(jù)已知條件得出：（1）b已定，h待定。hh0k0kk～h線1/4/20231803>在k～h曲線上查找與對(duì)應(yīng)的h。方法：1>（2）h已定，b待定。方法同（1）。（3）β已定，求相應(yīng)的b，h

。β=bh1>對(duì)小型渠道：可按水力最優(yōu)計(jì)算。2>對(duì)大中型渠道：還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)條件。方法：1/4/2023181（2）h已定，b待定。方法同（1）。（3）β已定方法：（4）據(jù)vmax

設(shè)計(jì)b,h

。A=(b+mh)hR=Ax2>計(jì)算：聯(lián)立即可求得b，h。1>先找出過(guò)流斷面各要素之間的關(guān)系：1/4/2023182方法：（4）據(jù)vmax設(shè)計(jì)b,h。五、圓形斷面水力最優(yōu)計(jì)算可按明渠均勻流基本公式計(jì)算。1、無(wú)壓圓管各水力要素之間的關(guān)系（p67）。θhdθ——充滿角α——充滿度。1/4/2023183五、圓形斷面水力最優(yōu)計(jì)算可按明渠均勻流基本公式計(jì)算。1、無(wú)壓（1）當(dāng)а=1時(shí)，為滿管流動(dòng)；（2）當(dāng)а<

1時(shí)，為不滿管流動(dòng)。在污水管路設(shè)計(jì)中，為通風(fēng)、防暴及適應(yīng)污水量的變化，一般均應(yīng)設(shè)計(jì)為不滿流。其最大充滿度見(jiàn)表10—4。1/4/2023184（1）當(dāng)а=1時(shí)，為滿管流動(dòng)；（2）當(dāng)а<1時(shí)，2、水力特征：（1）

J=Jp=i；

（2）水力最優(yōu)發(fā)生在滿管之前（即在滿管之前v、Q達(dá)到最大）。1/4/20231852、水力特征：（1）J=Jp=i；（2）水力3、計(jì)算圖表（圖10—9）為了計(jì)算方便，可將繁雜的公式化關(guān)系繪成表格。圖表中采用無(wú)量綱組合量形式，可適用于不同d、n時(shí)的情況。1/4/20231863、計(jì)算圖表（圖10—9）為了計(jì)算方便，可將繁雜的公兩條曲線：（1）其中：Qd——滿流Q——不滿流аf(α)dh0A=f1(α)1/4/2023187兩條曲線：（1）其中：Qd——滿流Q——不滿流аf(α)dаf(α)dh0A=f1(α)B=f2(α)（2）流量：Q=AQd

不滿流時(shí)：流速：

v=

Bvd1/4/2023188аf(α)dh0A=f1(α)B=f2(α)（A=f1(α)B=f2(α)1.08Qd1.14vd0.940.81а=dh0аf(α)dh01/4/2023189A=f1(α)B=f2(α)1.08Qd1.14、水力最優(yōu)點(diǎn)：（1）最大流量點(diǎn)：A=1.08а=0.94即h=0.94d時(shí)，其輸水性最優(yōu)，Qmax=1.08Qd

。且：1/4/20231904、水力最優(yōu)點(diǎn)：（1）最大流量點(diǎn)：A=1.08а=0.（2）最大流速點(diǎn)：B=1.14а=0.81即h=0.81d

時(shí)，其流速最大，且

vmax=1.14vd解釋