《明渠均匀流》PPT课件.ppt

Transportation College, Southeast University 第七章第七章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 水力学多媒体课件讲稿水力学多媒体课件讲稿Transportation College, Southeast University 一、概述 有压管流：①具有封闭的湿周； ②压力是流动 的主要动力明渠流： ①具有自由水面（即水面压强 为大气压）； ②重力是流动的主要动力； ③明渠水面线即测压管水头线Transportation College, Southeast University （一）明渠的底坡l底坡：底坡：渠底高程沿水流方向单位距离的渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡，以降落值称为底坡，以i i表示l底坡线：底坡线：沿渠道中心线所作的铅直面和沿渠道中心线所作的铅直面和渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线）渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线）l水面线：水面线：沿渠道中心线所作的铅直面与水面沿渠道中心线所作的铅直面与水面的交线则称为水面线。

的交线则称为水面线Transportation College, Southeast University 水面线水面线底坡线底坡线θi > 0顺坡、正坡顺坡、正坡 i = 0平坡平坡 i < 0逆坡、负逆坡、负坡坡Transportation College, Southeast University 垂直于渠道中心线作铅垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交垂面与渠底及渠壁的交线称为线称为明渠的横断面明渠的横断面主槽主槽滩地滩地梯形断面梯形断面河道断面河道断面矩形断面矩形断面反映断面的形状特征值称为反映断面的形状特征值称为断面水力要素断面水力要素bh1αmB底宽底宽水深水深边坡边坡系数系数水面宽水面宽过过水断面面积水断面面积湿周湿周水力半径水力半径（二）明渠的横断面（二）明渠的横断面Transportation College, Southeast University 梯形断面明渠梯形断面明渠是最常见的人工渠道其基本几何参数为水深是最常见的人工渠道其基本几何参数为水深h h、、底宽底宽b b和边坡系数和边坡系数mm边坡系数边坡系数 ，由土壤的力学性质决定。

由土壤的力学性质决定过水断面面积过水断面面积水面宽水面宽湿周湿周水力半径水力半径 当m=0m=0，，为矩形断面为矩形断面Transportation College, Southeast University 棱柱体棱柱体非棱柱体2 23 31—12—23—311（三）棱柱体明渠和非棱柱体明渠1、、断面形状断面形状、、尺寸尺寸及及底坡底坡沿程不变，同时又沿程不变，同时又无弯曲无弯曲的渠道，的渠道，称为称为棱柱体渠道棱柱体渠道2、、断面形状断面形状、、尺寸尺寸或或底坡底坡沿程改变的渠道，称为沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道非棱柱体渠道A=A(h), 多为人工渠道A=A(h,s)Transportation College, Southeast University 二、明渠均匀流的特性和形成条件F Ff f = G Gs s匀速运动匀速运动F Ff f < < G Gs s加速运动加速运动充分长直的棱柱体正坡充分长直的棱柱体正坡(i > 0)(i > 0)明渠明渠加速运动加速运动产生均匀流的条件：产生均匀流的条件：v水流应为水流应为恒定流恒定流。

流量流量应沿程不变，即无支流应沿程不变，即无支流v渠道必须是长而直的渠道必须是长而直的棱柱棱柱体体顺坡顺坡明渠，明渠，糙率系数糙率系数沿程沿程不变另外渠道中不变另外渠道中无无水工建筑物的水工建筑物的局部局部干扰1. 1.过水断面的形状、尺寸及过水断面的形状、尺寸及水深水深沿程不变沿程不变2.2.过水断面上的过水断面上的流速分布、断面平均流速流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，水流沿程不变；因此，水流的动能修正系数及的动能修正系数及流速水头流速水头也沿程不变也沿程不变3.3.总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即i=Jp=JTransportation College, Southeast University 明渠均匀流的形成条件明渠均匀流的形成条件①①恒定流恒定流Q Q =const; =const;②②棱柱体渠道棱柱体渠道; ;③③正坡正坡i＞＞0;④④棱柱体明渠足够长；棱柱体明渠足够长；⑤⑤糙率糙率n沿程不变；沿程不变；⑥⑥没有建筑物的干扰没有建筑物的干扰Transportation College, Southeast University 三、明渠均匀流水力计算三、明渠均匀流水力计算l明渠水流一般属于紊流粗糙区（阻力平方区），明渠水流一般属于紊流粗糙区（阻力平方区），h hf f ∝∝v v2 2 其基本公式有三个：其基本公式有三个：①①连续方程连续方程②②谢才谢才( (ChezyChezy) )公式公式③③曼宁曼宁(Manning)(Manning)公式公式Transportation College, Southeast University n明渠均匀流的水力计算有3种类型：1 1）验算已设计好渠道的输水能力：）验算已设计好渠道的输水能力：2 2）确定渠道的底坡：已知流量和渠道的断面形状、尺）确定渠道的底坡：已知流量和渠道的断面形状、尺寸。

寸以上两种方法均可直接用公式以上两种方法均可直接用公式Transportation College, Southeast University 3)3)设计渠道断面尺寸设计渠道断面尺寸 这一类型分这一类型分3 3种情况，都种情况，都必须必须试算试算（以梯型断面为例：（以梯型断面为例：流量、糙率、底坡、边坡系流量、糙率、底坡、边坡系数均已知）数均已知） 1)(1)已知已知h h0 0 ，，求求b bn设设b b计算计算Q Q，点绘曲线，内插求，点绘曲线，内插求b Transportation College, Southeast University （（2 2）已知）已知b b，，求求h h0 0试算方法同（试算方法同（1 1））设设h h0 0计算计算点绘曲线，内点绘曲线，内插求插求h h0 0Transportation College, Southeast University (3) (3) 已知已知 求求 b b 和和 h h0 0方法同前，设方法同前，设b b（（或或h h0 0），），由计算由计算h h0 0（（或或b b），），点绘曲点绘曲线，内插线，内插h h0 0（（或或b b）。

上述问题也可以通过上述问题也可以通过图解法图解法来求得具体见来求得具体见附录附录A ATransportation College, Southeast University 例：某梯形断面渠道例：某梯形断面渠道,已知流量已知流量Q=3m3/s ，，边坡系数边坡系数m=1.0，，底坡底坡i=0.0049，，粗糙系数粗糙系数n=0.0225 ，，底宽底宽b=1m 求：均匀流动时的正常水深求：均匀流动时的正常水深h0（（简称正常水深简称正常水深h0）解：根据谢才解：根据谢才—曼宁公式，并代入梯形断面水力要素，有曼宁公式，并代入梯形断面水力要素，有设设h=0.5m，，0.75m，，1.0m，，计算相应的计算相应的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从从曲线上查得：当曲线上查得：当Q=3m3/s时，时，h0=0.86mTransportation College, Southeast University 四、其他问题四、其他问题 （一）（一）水力最佳断面（水力最优断面）水力最佳断面（水力最优断面）n所以除所以除 外，外，Q的大小取决于断面的形状和尺寸。

的大小取决于断面的形状和尺寸 底坡底坡i i根据地形条件或技术上的考虑选定根据地形条件或技术上的考虑选定糙率糙率n取决于渠壁材料或土质取决于渠壁材料或土质n由谢才公式知：由谢才公式知：Q Q与与 及断面形状和尺寸有关及断面形状和尺寸有关Transportation College, Southeast University 水力最佳断面水力最佳断面 从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在在通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大过的流量最大符合这种条件的断面，其工程量最小，符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为水力最佳断面过水能力最强，称为水力最佳断面 所以水力最佳断面是所以水力最佳断面是湿周最小湿周最小的断面 工程中多采用工程中多采用梯形梯形断面，在断面，在边坡系数边坡系数m m已定的已定的情况下，情况下，同样的过水面积同样的过水面积A A，，湿周的大小因底宽与水深的比值湿周的大小因底宽与水深的比值b/hb/h而异。

而异何种过水断面湿周最小何种过水断面湿周最小???? 圆形圆形Transportation College, Southeast University 证明梯形水力最佳断面的宽深比证明梯形水力最佳断面的宽深比根据水力最佳断面的条件根据水力最佳断面的条件 即而而将将A、、χ分别对分别对h求一阶导，并使之为零求一阶导，并使之为零上二式中消去上二式中消去db/dh后后，解得，解得Transportation College, Southeast University 水力最优梯形断面水力最优梯形断面bh1αmBn最优宽深比最优宽深比 n最优湿周最优湿周n最优水力半径最优水力半径 n最优断面面积最优断面面积Transportation College, Southeast University 梯形断面的边坡系数梯形断面的边坡系数 m m 梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌，梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌，边坡的稳定性及边坡系数边坡的稳定性及边坡系数mm选择由土壤力学性质决定选择由土壤力学性质决定Transportation College, Southeast University 水力最优断面存在的问题水力最优断面存在的问题 当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比b/h是唯一的。

水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的m0(矩) 0.51.01.52.02.52.01.2360.8280.6060.4720.385Transportation College, Southeast University （二）渠道的允许流速③ ③ 技术经济要求：根据渠道所担负的任务技术经济要求：根据渠道所担负的任务① ① 不冲不淤流速要求：不冲不淤流速要求：v v″″＜＜v v＜＜v v′ ′ 不冲流速不冲流速v v′ :′ :由土壤的种类、粒径、密实度等决定；由土壤的种类、粒径、密实度等决定；不淤流速不淤流速v v″ ″ ：由水流挟沙量决定由水流挟沙量决定② ② 最小流速要求：最小流速要求：南方清水渠道：南方清水渠道：v>0.5m/sv>0.5m/s北方结冰渠道：北方结冰渠道：v>0.6m/sv>0.6m/sTransportation College, Southeast University （三）复式断面渠道的水力计算n由于断面各部分流速差异很大，常采用分算法：l渠道横断面上边坡、深度或底宽有突然变化者，就称为复式断面h′hoQⅠⅡⅢTransportation College, Southeast University （四）湿周上糙率不同的渠道水力计算② nmax/nmin＜2.0，n介绍几个综合糙率公式。

介绍几个综合糙率公式n假定：总阻力假定：总阻力= =各部分阻力之和各部分阻力之和1 1）巴普洛夫斯基公式）巴普洛夫斯基公式:(:(n nmaxmax/ /n nminmin＞＞2.0)2.0)2 2）别洛康）别洛康··爱因斯坦公式：爱因斯坦公式：① ① n nmaxmax/ /n nminmin＞＞2.02.0，，Transportation College, Southeast University 小结：小结：明渠的几何特性明渠的几何特性明渠均匀流的特性明渠均匀流的特性明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算水力最佳断面及允许流速水力最佳断面及允许流速复式断面明渠的水力计算复式断面明渠的水力计算。