1、明渠流、人工渠道、天然河道和不充滿水流的管道統(tǒng)稱(chēng)為明渠流，是一種自由面的流動(dòng)。自由表面上的每個(gè)點(diǎn)都受到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ挠绊懀湎鄬?duì)壓力為零，因此也稱(chēng)為無(wú)壓流。與壓力管道流不同，重力是明渠流的主要?jiǎng)恿?，而壓力是壓力管道流的主要?jiǎng)恿?。明渠水流根?jù)其水力要素是否隨時(shí)間變化分為恒定流和非恒定流。明渠恒定流根據(jù)流線是否平行可分為均勻流和非均勻流。(工藝)明渠水流的自由面會(huì)隨著不同的水流條件和渠體條件而變化，形成不同的流態(tài)和水面形態(tài)。在實(shí)際問(wèn)題中，明渠很難形成均勻流。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，如在鐵路、公路、給排水和水利工程的溝渠中，排水或輸水能力的計(jì)算通常被視為明渠中的均勻流。明渠的分類(lèi)，由于斷面形狀、尺寸和底

2、坡的變化對(duì)明渠的水流運(yùn)動(dòng)有重要影響，明渠在水力學(xué)上分為以下幾種類(lèi)型。(1)棱柱形通道和非棱柱形通道任何具有恒定橫截面形狀和尺寸的長(zhǎng)直通道稱(chēng)為棱柱形通道，否則稱(chēng)為非棱柱形通道。前者的截面積a只隨水深h而變化，即a=f(h)；后者的截面積不僅隨水深而變，還隨沿各斷面的位置而變，即A=f(h，S)，S為截面積與其初始斷面之間的距離。(2)明渠沿坡(正坡)、平坡和反坡(負(fù)坡)的底部線(即底部與縱剖面的交線)上單位長(zhǎng)度的高差稱(chēng)為明渠底部坡度，用I表示。如圖所示，底部線長(zhǎng)度為S，兩段高差為(A1-A2)。在水力學(xué)中， 規(guī)定運(yùn)河底部的高程沿著水流下降的底部坡度正好是當(dāng)運(yùn)河底部坡度小時(shí)，例如10.1或6，因?yàn)?/p>

3、兩個(gè)區(qū)段之間的運(yùn)河底部線的長(zhǎng)度s大約等于兩個(gè)區(qū)段之間的水平距離l，S1， 從圖中可以看出，在上述情況下，兩個(gè)部分之間的距離s可以用水平距離l代替，并且橫截面可以被視為垂直面，水深h也可以是沿。 明渠底部坡度可能有三種情況(如圖所示)。如果渠底高程沿水流方向下降，則稱(chēng)為順坡(或正坡)，并指定I0；渠底高程沿水流方向呈水平，稱(chēng)為平底坡，I=0；運(yùn)河底部的高程沿著水流上升，這被稱(chēng)為反坡(或負(fù)坡)，i0被指定。明渠均勻流的特征和形成條件：(1)斷面形狀和大小、流速分布、流量和水深在整個(gè)過(guò)程中都是不變的，(2)總水頭線和測(cè)量管水頭線(在明渠流中，它是水面線，其斜率用Jw表示)。和溝道底部線彼此平行(圖)

4、，因此它們的斜率相等。根據(jù)上述明渠恒定均勻流的各種特性，可以看出明渠恒定均勻流只有同時(shí)滿足以下條件才能形成：(1)明渠水流必須恒定，且流速沿程恒定；(2)明渠必須是棱柱形的；(3)明渠的糙率必須沿程保持恒定；(4)明渠的底坡必須是順坡的，同時(shí)應(yīng)有一段較長(zhǎng)的直線段，其上不得有建筑物。只有在上述三種情況下，才能在如此長(zhǎng)的直線段上實(shí)現(xiàn)均勻流動(dòng)。明渠均勻流的基本公式，明渠恒定均勻流，可以用謝才公式計(jì)算：對(duì)于明渠恒定均勻流，由于J=i，上述公式可以寫(xiě)成，Q=Av=AC，其中K為流量模數(shù)，上述公式中的謝才系數(shù)C可以用曼寧公式計(jì)算。通過(guò)將曼寧公式代入謝才公式，它這個(gè)橫截面被稱(chēng)為水力最佳橫截面，Q=，因此，為

5、了最大化通過(guò)給定橫截面面積的流量，橫截面的濕循環(huán)必須是最小的。根據(jù)幾何學(xué)，在各種明渠斷面中，最符合這一條件的斷面是半圓形斷面(潮濕周不包括水面)，因此有些人工渠道(如小型混凝土渡槽)設(shè)計(jì)為半圓形或U形斷面，但由于地質(zhì)條件、施工工藝、管理和應(yīng)用等原因。通道部分通常必須設(shè)計(jì)成其他形狀。本文討論了土槽中常用梯形斷面的水力最佳條件。梯形斷面的濕循環(huán)=2h，斜率系數(shù)m已知。由于面積A給定，B和H相互關(guān)聯(lián)，b=A/h mh，所以，在最優(yōu)水力條件下，應(yīng)得到最優(yōu)水力條件下梯形斷面的寬深比條件，并合理設(shè)計(jì)渠道的允許流速。除了考慮上述最佳水力條件和經(jīng)濟(jì)因素外，還應(yīng)考慮渠道。因此，在設(shè)計(jì)中，要求渠道流速v在不沖不淤

6、的允許流速范圍內(nèi)，即最大允許沖洗流速vvv、v和v，簡(jiǎn)稱(chēng)不沖允許流速；淤積的最小容許流速，簡(jiǎn)稱(chēng)為不淤積的容許流速。明渠均勻流的水力計(jì)算可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行的需要，對(duì)已建成的渠道進(jìn)行一些必要的水力計(jì)算，如計(jì)算流量；計(jì)算某一渠道斷面的水力坡度；計(jì)算過(guò)水后渠道斷面的粗糙度；繪制航道運(yùn)行期間水深與流量的關(guān)系曲線。二是設(shè)計(jì)新渠道的水力計(jì)算，如確定底寬b、水深h、底坡I等。這兩種計(jì)算都是關(guān)于如何應(yīng)用明渠均勻流的基本公式，可以從明渠均勻流計(jì)算的基本公式和梯形斷面水力要素的計(jì)算公式中得到，從上面的公式可以看出，Q=f(b，h，m，n，I)。已知五個(gè)數(shù)據(jù)后，我們可以用上面的公式找到另一個(gè)未知數(shù)，有時(shí)我

7、們可以直接從上面的公式中找到，有時(shí)我們必須求解復(fù)雜的高階方程，這是相當(dāng)困難的。因此，從計(jì)算方法的角度對(duì)這兩類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)一的研究。只要掌握這些方法，明渠均勻流水力計(jì)算就能順利進(jìn)行。直接解法，如果其他五個(gè)值已知，需要流量q、粗糙度n或底坡I，則可以通過(guò)應(yīng)用基本公式和執(zhí)行簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算直接獲得解。預(yù)制混凝土陡槽，斷面為矩形，底寬b=1.0m，底坡i=0.005，均勻流水深度h=0.5m，粗糙度n=0.014，計(jì)算流速和流速。求解矩形截面，斜率系數(shù)m=0，并將其代入基本公式，Q=，=，v=，=，并嘗試該算法。如果其他五個(gè)值已知，則需要水深H或底寬B，因?yàn)榛竟街斜硎镜腂和H之間的關(guān)系都是高階方程，

8、不能采用直接解法，只能采用試算法。試驗(yàn)算法如下：假設(shè)幾個(gè)h值，將其代入基本公式，并計(jì)算相應(yīng)的q值；如果獲得的Q值等于已知值，則獲得相應(yīng)的H值。事實(shí)上，第一次和第二次試驗(yàn)經(jīng)常得不到結(jié)果。為了減少試算，我們可以假設(shè)3到5個(gè)h值，即h1，h2，h3h5，找到相應(yīng)的Q1，Q2，Q3Q5，并畫(huà)出一條Q=f(h)的曲線。然后根據(jù)曲線上已知的q確定h。如果需要b，它與尋找h的試驗(yàn)算法相同。此時(shí)，繪制的曲線是Q=f(b)。堰流和堰流屬于突變流，其水頭損失主要是局部水頭損失，而沿途水頭損失往往被忽略。這種水流廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，如水利工程中用于引水灌溉和泄洪的水工建筑物；在給排水工程中，堰流是常用的溢流設(shè)備堰

9、流的特征量是：堰寬b，即水流過(guò)堰頂?shù)膶挾?；堰前水頭h，即堰頂堰上游水位的最大超高；堰壁厚度及其斷面形狀；下游水深h和下游水位高于堰頂；堰的上游和下游的高度p和p；近流速v0等。根據(jù)堰流的水力特性，堰按大小可分為三種基本類(lèi)型。的大小將堰分為三種基本類(lèi)型。影響流量系數(shù)的主要因素是k，即m=薄壁堰。淹沒(méi)薄壁堰的淹沒(méi)系數(shù)可由巴贊公式和寬頂堰流求得。從水力學(xué)角度看，許多水工建筑物的水流特性一般屬于寬頂堰流。例如，小橋的溢流、無(wú)壓短涵洞的溢流、水利工程中的控制閘門(mén)、分洪閘門(mén)和泄水閘門(mén)，以及灌溉工程中的取水閘門(mén)、分洪閘門(mén)和泄水閘門(mén)，在閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，都具有寬頂堰的水力特性。因此，寬頂堰理論與水工建筑物設(shè)計(jì)密切相

10、關(guān)。寬頂堰上的水流現(xiàn)象非常復(fù)雜。根據(jù)其主要特點(diǎn)，抽象計(jì)算圖如圖8-9(自由式)和圖8-10(潛水式)所示。寬頂堰上水流的主要特征可以認(rèn)為是：自由式寬頂堰流在離進(jìn)水口不遠(yuǎn)的地方形成一個(gè)收縮水深h1(即水面第一次下降)，小于堰頂斷面的臨界水深hk，形成一個(gè)流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，最后水面在出口(堰尾)再次下降(水面第二次下降)，如圖8-9所示。堰流基本公式可用于計(jì)算無(wú)側(cè)收縮自由式寬頂堰的流量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為淹沒(méi)寬頂堰的充分條件是：無(wú)側(cè)收縮的淹沒(méi)寬頂堰的流量可用側(cè)收縮堰計(jì)算，通過(guò)直角進(jìn)口無(wú)側(cè)收縮的寬頂堰的流量可用例1計(jì)算。眾所周知，堰頂水頭H=0.85m米，堰高p=p=0.50m米，堰下游水深

11、h=1.10m米，堰寬b=1.28m米，動(dòng)能修正系數(shù)=1.0。小橋孔水力計(jì)算，操作，74 75 712 81，滲流，液體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)稱(chēng)為滲流。在水利工程中，多孔介質(zhì)是指多孔介質(zhì)，如土壤、砂、巖石地基等。水力學(xué)研究的滲流主要是指土壤中水的流動(dòng)。地下水運(yùn)動(dòng)是一個(gè)常見(jiàn)的滲流例子。除了滲流理論在水利、化工、地質(zhì)、礦山等生產(chǎn)建設(shè)部門(mén)的應(yīng)用外，滲流理論在土木工程中的應(yīng)用可以列舉如下：在供水方面，存在著水井、集水廊道等集水建筑物的設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題。(2)在排灌工程中，存在地下水位變化、渠道滲漏損失、壩體和渠道邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題。(3)在水工建筑物特別是高壩的建設(shè)中，存在著壩體穩(wěn)定性、壩體下滲漏損失等問(wèn)題。(4

12、)在建筑施工中，需要確定圍堰或基坑的位移和水位下降。根據(jù)土壤中水的狀態(tài)，可分為氣態(tài)水、附著水、膜狀水、毛細(xì)水和重力水。氣態(tài)水以蒸汽的形式混合在空氣中，存在于巖石和土壤的孔隙中，其量很小，通常被忽略。附著的水通過(guò)分子層吸附在固體顆粒表面，表現(xiàn)出固體水的性質(zhì)。薄膜水用一層厚度不超過(guò)分子作用半徑的薄膜包圍著土壤顆粒，其性質(zhì)與液態(tài)水相似。附著水和薄膜水是由固體顆粒和水分子相互作用形成的，它們數(shù)量少，不易移動(dòng)，一般不考慮滲流。由于毛細(xì)作用，毛細(xì)水保留在巖石和土壤的微孔中，這是可以忽略的下面只討論最簡(jiǎn)單的滲流，即均勻各向同性巖土中重力水的恒定滲流。根據(jù)滲流的基本規(guī)律，天然土壤中的顆粒在形狀和大小上有很大的

13、差異，顆粒間孔隙形成的通道在形狀、大小和分布上都是不規(guī)則的，是隨機(jī)的。土壤孔隙通道中的滲流運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。在工程中，常用統(tǒng)計(jì)方法，用一些平均值來(lái)描述滲流，即用理想的簡(jiǎn)化滲流代替實(shí)際的復(fù)雜滲流。圖為滲漏測(cè)試裝置。垂直圓柱體內(nèi)填充有沙粒，圓柱體橫截面積為a，砂層厚度為L(zhǎng).砂層由細(xì)金屬網(wǎng)支撐。水從緩沖罐通過(guò)水管A流入圓筒，然后通過(guò)砂層從出水管B流出。流量通過(guò)容積法(量筒C)測(cè)量。砂層的上端和下端裝有測(cè)壓管，用于測(cè)量滲流水頭損失。由于滲流動(dòng)能很小，可以忽略不計(jì)，壓力計(jì)的水頭差H1-H2就是兩個(gè)斷面之間的滲流水頭損失。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，雖然流過(guò)土壤間隙的液體顆粒有其自身極不規(guī)則的形態(tài)，但總體來(lái)說(shuō)，它們的主

14、流方向是向下的。方程(9-2-4)是用橫截面平均速度v表示的達(dá)西定律，為了便于分析，將其推廣到用滲流速度u表示。圖9-2-2顯示了兩個(gè)不透水層中的壓力滲流，ab代表任意一個(gè)基本流，m點(diǎn)測(cè)壓管的斜率為J=，因此滲透系數(shù)的確定和滲透系數(shù)k的大小對(duì)滲流計(jì)算結(jié)果有很大的影響。普通土壤的測(cè)定方法和近似值簡(jiǎn)述如下。(1)經(jīng)驗(yàn)公式法：該方法根據(jù)影響水運(yùn)動(dòng)粘度的土壤粒徑形狀、結(jié)構(gòu)、孔隙度和溫度組成的經(jīng)驗(yàn)公式估算滲透系數(shù)k。有許多這樣的公式，可用于粗略估計(jì)。(2)實(shí)驗(yàn)室方法該方法在實(shí)驗(yàn)室中使用類(lèi)似于圖9-2-1所示的滲流實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)公式(9-2-4)計(jì)算k。這種方法易于測(cè)量，但很難獲得原狀土樣。(3)現(xiàn)場(chǎng)法

15、現(xiàn)場(chǎng)抽水或灌溉試驗(yàn)采用鉆井或原井，根據(jù)井的公式計(jì)算k。采用滲流模型后，通過(guò)研究管道和渠道的流動(dòng)，將滲流分為均勻滲流和非均勻滲流。由于滲流服從達(dá)西定律，滲流的均勻流和非均勻流具有不同于明渠的一些特性。1恒定均勻滲流和非均勻梯度滲流流速沿橫截面均勻分布在均勻滲流中，測(cè)壓管梯度(或水力梯度)恒定。由于橫截面上的壓力是靜壓分布，所以任意流線的測(cè)壓梯度都是相同的，即均勻滲流區(qū)任意點(diǎn)的測(cè)壓梯度都是相同的。根據(jù)達(dá)西定律，均勻滲流區(qū)任意點(diǎn)的滲流速度u相等。換句話說(shuō)，均勻滲流是一個(gè)均勻的滲流速度場(chǎng)。u沿截面均勻分布。對(duì)于非均勻梯度滲流，如圖9-3-1所示，取1-1和2-2兩段。由于漸變滲流的斷面壓力也符合靜壓分布規(guī)律，1-1斷面上各點(diǎn)測(cè)壓管的水頭為h；在距離ds 2-2段的所有點(diǎn)上，壓力計(jì)的水頭都是H dH。由于梯度流是近似均勻流，因此可以認(rèn)為1-1段和2-2段之間沿切線的距離近似為ds。當(dāng)ds趨于零時(shí)，它是1-1部分。因此，在無(wú)壓滲流中，任意流線的測(cè)壓管梯度、滲流的基本微分方程和飽和曲線以