《水力学》 第五章 明渠恒定均匀流

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1、第五章明渠恒定均匀流明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流水面上各点压强都等于大气压强，相对压强为零，所以又称为无压流。明渠水流分类：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均匀流明渠非均匀流1在明渠均匀流中:25.1明渠的类型及其对水流运动的影响明渠的断面形状、尺寸、底坡等对水流的影响。一、明渠的横断面人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。3当明渠修在土质地基上肘，往往作成梯形断面，其两侧的倾斜程度用边坡系数m(m＝cotα)表示，m的

2、大小应根据土的种类或护面情况而定(如表5.1)。材料的坚硬程度越高，m越小。矩形断面常用于岩石中开凿或两侧用条石砌筑面成的渠道；混凝土渠或木渠也常作成矩形。圆形断面通常用于无压隧洞。4第五章明渠恒定均匀流工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下：水面宽度：B=b+2mh过水断面面积：湿周：水力半径：5二、明渠的底坡底坡：明渠渠底倾斜的程度称为底坡。以符号i表示，i等于渠底线与水平线夹角口的正弦即i＝Sinθ。6二、明渠的底坡明渠有三种底坡：顺坡、平坡和逆坡顺坡：i>0，明槽槽底沿程降低者称为正

3、坡或顺坡。平坡：i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。7在平底渠道中i＝0，流段重力在顺流方向分力Gsinθ＝0；在逆坡渠道中，流段重力的分力Gsinθ与摩阻力Ff的方向一致，因而都不可能满足Gsinθ＝Ff的平衡条件，故在平底及逆坡渠段中，不可能产生均匀流动，只有在顺坡渠道中，才有可能产生均匀流。85.2明渠均匀流特性及其产生条件一、明渠均匀流的特性：1、均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别是水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深。2、过水断面上的流速分

4、布和断面平均流速沿流程不变。3、水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。故总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Js=i。9二、明渠均匀流产生的条件：1、明渠中的水流必须是恒定流；2、流量沿程不变。即，无水流的汇入、汇出；3、 底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形顺坡渠道；4、渠道中没有建筑物的局部干扰（如，闸、坝等建筑物）。10实际工程中的渠道并不是都能严格满足上述要求的，特别是许多渠道中总有这种或那种建筑物存在，因此，大多数明渠中的水流都是非均匀流。但是，在顺直棱柱体渠道中的恒定流，当流量沿程不变时

5、，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，水流仍近似于均匀流。115.3明渠均匀流的计算公式均匀流方程，亦即谢才公式对于明渠均匀流来风因为J＝i，所以谢才公式可以写成如明渠均匀流的流量公式125.3明渠均匀流的计算公式明渠均匀流水力计算的基本公式讨论:谢才系数是反应断面形状尺寸和壁面粗糙程度的一个综合系数。根据R对C的影响远比n对C的影响小得多,因此，根据实际情况正确地选定粗糙系数，对明渠的计算将有重要的意义135.3明渠均匀流的计算公式明渠表面材料愈光滑，粗糙系数愈小，相应的水流阻力

6、也小，在其它条件不变的情况下，通过的流量就愈大。在应用曼宁公式时，最困难之处在于确定粗糙系数的数值，因为至今没有一个选择精确值的方法，而实用计算中，确定粗糙系数就意味着对渠道中的水流阻力做出估计，这一工作主要依靠经验。145.3明渠均匀流的计算公式如果则设计的渠道断面尺寸必然偏小，影响渠道的过流能力，可能造成水流漫溢，另一方面，渠道中的实际流速将小于设计流速，可能引起渠道淤积。如苏北的淮沭河在规划时选用的n值为0.02，竣工后实测的n值为0.0225，两者之差为0.0025，结果比原设计的河道过水能力减小11%

7、，为了保证能通过设计流量，又重新加高堤岸。155.3明渠均匀流的计算公式如果则势必增大渠道断面尺寸，增加工程量，造成浪费，同时，渠道中的实际流速将大于设计流速，可能引起土质渠道的冲刷。16第五章明渠恒定均匀流5.4水力最佳断面及允许流速一、水力最佳断面在底坡及粗糙系数已定的前提下，渠道的过水能力则决定于渠道的横断面形状及尺寸，从经济观点上来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知的设计流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，称为水力最佳断面。17第五章明渠恒定均匀流

8、5.4水力最佳断面及允许流速把曼宁公式代入明渠均匀流的基本公式可得：18讨论：1）具有水力最佳断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R最大，即湿周最小的断面能通过最大的流量。2）i，n，A给定时，湿周最小的断面是圆形断面，因为半圆形的过水断面断面与圆形断面的水力半径相同，所以，在明渠的各种断面形状中，半圆形断面是水力最佳的。193、梯形过水断面渠道的水力最佳断面根据水力最佳断面