第8章明渠恒定流.ppt

第八章第八章 明渠恒定流明渠恒定流第八章第八章 明渠恒定流明渠恒定流 概述概述 明渠明渠:人工修建的渠道或天然形成的河道人工修建的渠道或天然形成的河道 特征特征:明渠流具有自由表面明渠流具有自由表面,又称无压流又称无压流 恒定均匀流恒定均匀流 √ 非恒定均匀流非恒定均匀流× 恒定非均匀流恒定非均匀流 √ 非恒定非均匀流非恒定非均匀流(专题）专题） 本章本章:明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流研究内容研究内容: 明渠水流特征、明渠水流特征、 明渠输水能力的计算、明渠输水能力的计算、 明渠设计明渠设计应用：排水渠道、排水管道应用：排水渠道、排水管道8.1 8.1 明渠的类型明渠的类型1.1.按纵向几何条件划分按纵向几何条件划分: :棱柱型渠道棱柱型渠道: : 断面形状、尺寸、底坡沿程不变的渠道断面形状、尺寸、底坡沿程不变的渠道非棱柱型渠道非棱柱型渠道: : 断面形状沿程改变，断面尺寸改变，或底坡沿程断面形状沿程改变，断面尺寸改变，或底坡沿程改变的渠道改变的渠道 2.2.按底坡的变化划分按底坡的变化划分 底坡底坡 , , 土渠土渠, ,一般底坡很小（一般底坡很小（ ））, ,所以所以(1)(1)顺坡渠道顺坡渠道: (: (正坡渠道正坡渠道) )(2)(2)平坡渠道平坡渠道: :(3)(3)逆坡渠道逆坡渠道: (: (倒坡渠道倒坡渠道) ) 水流的过流断面取铅垂面水流的过流断面取铅垂面, ,水深水深 在铅垂线上量测。

在铅垂线上量测3.3.按横向几何条件按横向几何条件 梯形断面渠道、矩形断面渠道、复式断面渠道梯形断面渠道、矩形断面渠道、复式断面渠道 （梯形渠道、矩形渠道）（梯形渠道、矩形渠道）4.4.明渠水力要素明渠水力要素 底宽底宽: : 水深水深: : 边坡系数边坡系数 水面宽度水面宽度: : 过流断面面积过流断面面积: : 湿周湿周: : 水力半径水力半径: : 边坡系数表边坡系数表土的种类土的种类边坡系数边坡系数土的种类土的种类边坡系数边坡系数粉沙粉沙砾石、砂砾石、砂砾石砾石沙壤土沙壤土风化岩风化岩密实沙壤土、密实沙壤土、黄土、粘壤黄土、粘壤土土未风化岩未风化岩8.2 8.2 明渠均匀流的特征及形成条件明渠均匀流的特征及形成条件8.2.1 8.2.1 明渠均匀流的特征明渠均匀流的特征 (1) (1) 过流断面面积过流断面面积 , ,水深水深 沿程不变。

沿程不变 (2) (2) 过流断面平均流速过流断面平均流速 及断面流速分布沿程不变及断面流速分布沿程不变3 3）底坡线、总水头线、水面线三线平行底坡线、总水头线、水面线三线平行 即：即：（（4 4）水体重力沿水流方向分力等于固体边壁对水流的）水体重力沿水流方向分力等于固体边壁对水流的摩阻力 即即 8.2.2 8.2.2 明渠均匀流产生的条件明渠均匀流产生的条件 (1) (1) 恒定流，无支流流出或汇入恒定流，无支流流出或汇入 (2) (2) 长直棱柱形渠道长直棱柱形渠道, ,且糙率且糙率 不变不变. . (3) (3) 顺坡渠道顺坡渠道, ,即即8.3 8.3 明渠均匀流基本公式明渠均匀流基本公式 满足连续性方程满足连续性方程: : （（8-78-7）） 满足动力方程满足动力方程: (: (8-8) 8-8) 式式( (8-8)8-8)为谢齐公式为谢齐公式, , C C 为谢齐系数为谢齐系数, , R R 为水力半径为水力半径, , J J 为水力坡度为水力坡度. . 令令 ，代入达西公式，代入达西公式对于均匀流对于均匀流, , ∵ ∴ 流量公式：流量公式： 令令 --- ---流量模数流量模数则则（（1 1）满宁公式）满宁公式: : （（ 以米计）以米计）（（2 2）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式: :式中式中 --- ---粗糙系数粗糙系数,(,(表表5-35-3，查相关资料，查相关资料) )谢齐系数谢齐系数8.4 8.4 水力最优断面与允许流速水力最优断面与允许流速8.4.1 8.4.1 水力最优断面水力最优断面 定义定义: :在底坡在底坡 、糙率、糙率 、过流断面、过流断面 一定的前提一定的前提下，明渠输水能力最大的那种断面（形状、尺寸）。

下，明渠输水能力最大的那种断面（形状、尺寸） 分析：分析： 湿周最小的几何形状：湿周最小的几何形状： ( (圆形？矩形？梯形？）圆形？矩形？梯形？）对于梯形断面渠道：对于梯形断面渠道：二阶导数二阶导数令令水力最优宽深比水力最优宽深比说明：说明：（（1 1）在边坡系数）在边坡系数 m m 确定后，宽深比满足上式条件确定后，宽深比满足上式条件 的渠道，为水力最优的渠道，为水力最优2 2）按水力最优断面设计的渠道属窄深型渠道，施）按水力最优断面设计的渠道属窄深型渠道，施 工、维护困难工、维护困难水力最优断面是根据流体力学水力最优断面是根据流体力学 原理建立的，工程上不一定最优原理建立的，工程上不一定最优3 3）水力最优断面适合小型渠道水力最优断面适合小型渠道4 4）大、中型渠道不宜采用有通航要求的渠道，还）大、中型渠道不宜采用有通航要求的渠道，还要考虑通航对水深的要求要考虑通航对水深的要求8.4.2 8.4.2 允许流速允许流速 不冲流速不冲流速: : 渠道免遭冲刷的最大流速。

渠道免遭冲刷的最大流速 不淤流速不淤流速: : 渠道免遭淤积的最小流速渠道免遭淤积的最小流速 应用时，查表（应用时，查表（8-38-3）（）（8-48-4）（）（8-58-5）和相关手册和相关手册8.5 8.5 明渠均匀流水力计算明渠均匀流水力计算 上式有上式有6 6个变量个变量, ,一般边坡系数一般边坡系数m m、、糙率糙率n n可预先知道可预先知道再根据工程条件确定再根据工程条件确定3 3个量，求个量，求1 1个未知量个未知量8.5.1 8.5.1 校核渠道输水能力校核渠道输水能力 一般是对已成工程进行校核性计算，已知条件一般是对已成工程进行校核性计算，已知条件: :b b、、h h、、 、、n n、、m m 解析法，解析法，8.5.2 8.5.2 确定渠道的底坡确定渠道的底坡 此类问题为设计渠道的底坡此类问题为设计渠道的底坡, ,已知条件已知条件: : Q Q、、b b、、h h、、m m、、n n，，求解底坡求解底坡。

8.5.3 8.5.3 确定渠道的断面尺寸确定渠道的断面尺寸 此类问题为设计渠道的断面，已知条件此类问题为设计渠道的断面，已知条件: :Q Q、、n n、、m m、、 ∵ ∵ 该方程有该方程有6 6个变量，个变量，4 4个已知量，个已知量，2 2个未知量，方程有个未知量，方程有多组解 ∴ ∴方法是，根据工程条件，先确定底宽方法是，根据工程条件，先确定底宽 b b或水深或水深h h，，求水深求水深 h h 或底宽或底宽 b b 此类问题无解析法，只能用试算图解法或图解此类问题无解析法，只能用试算图解法或图解法（（1 1）确定渠道的正常水深）确定渠道的正常水深 ( (a) a) 试算图解法试算图解法: : 依工程条件确定底宽依工程条件确定底宽b b，，试算水深试算水深h h 画图（画图（ 曲线）求水深曲线）求水深 。

aa-------------------------bb-------------------------cc-------------------------例例 某输水渠道，梯形断面，土质为沙壤土，底宽某输水渠道，梯形断面，土质为沙壤土，底宽b=2m，，通过通过流量流量0.8m3/s，，岸边有杂草，粗糙系数岸边有杂草，粗糙系数n=0.027，，底坡为底坡为0.0012，边坡系数，边坡系数m=2.2，，求正常水深？求正常水深？解：用试算解：用试算—图解法，设一系列水深，列表计算图解法，设一系列水深，列表计算 0.3m0.789m2 3.450 m0.231 29.01 0.385 0.41.1523.9340.29330.180.6520.51.5504.4170.31531.110.990由上表数据绘制由上表数据绘制 的关系曲线，的关系曲线，根根据据已已知知流流量量在在图图中中求求出出正正常常水水深深  ( (b) b) 图解法图解法(2)(2)确定渠道的底宽确定渠道的底宽 依工程条件确定水深依工程条件确定水深h h ，，试算底宽试算底宽b b。

( (方法与确定渠道的水深相同方法与确定渠道的水深相同) )8.6 8.6 管道无压流的水力计算管道无压流的水力计算 管道无压流也属明渠水流，对于长直的排水管道，管道无压流也属明渠水流，对于长直的排水管道，亦为均匀流，具有均匀流的水力特征，此外还具有亦为均匀流，具有均匀流的水力特征，此外还具有另一特征，即，在达到满管流之前，流速达到最大另一特征，即，在达到满管流之前，流速达到最大值，流量也达到最大值值，流量也达到最大值 水力要素：水力要素： --- ---充满角充满角 --- ---充满度充满度当当 时，时，当当 时，时，管道无压流的水力计算公式管道无压流的水力计算公式: : 过流断面积过流断面积: : 以弧度计以弧度计 湿周湿周: : 水力半径水力半径: : 充满度充满度: : 水力计算类型水力计算类型: : (1) (1)已知已知 、、 、、 、、 ，求输水能力，求输水能力Q Q。

(2) (2)已知已知 Q Q、、 、、 、、 ，，求管道底求管道底 (3) (3)已知已知 、、 、、 、、 ，求，求 本讲重点：本讲重点： 1. 1. 明渠的分类棱柱形渠道的概念明渠的分类棱柱形渠道的概念 2. 2. 矩形渠道、梯形渠道的水力要素矩形渠道、梯形渠道的水力要素 3. 3. 明渠均匀流的特征和形成条件明渠均匀流的特征和形成条件 4.  4.  掌握均匀流计算公式掌握均匀流计算公式 5. 5. 糙率糙率n n、、允许流速、水力最优断面的概念允许流速、水力最优断面的概念 6. 6. 明渠均匀流水力计算明渠均匀流水力计算。