明渠恒定流的流动类型及其判别.ppt

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1、第七章明渠恒定流§7-1明渠均匀流§7-2明渠恒定流的流动类型及其判别§7-3水跌与水跃§7-1明渠均匀流明渠流：水面与大气接触的渠槽中的水流运动称为明渠水流。特点：具有自由表面。自由表面上受大气压作用，相对压强为零，又称为无压流。水在渠道、无压管道以及江河中的流动都是明渠流动。7.1.1基本概念均匀流与非均匀流过水断面形状、尺寸以及过水断面上的流速分布沿程不变且流线为平行直线的流动称为明渠均匀流动，否则为非均匀流动。在明渠非均匀流中，根据水流过水断面的面积和流速沿程变化的程度，分为渐变流动和急变流动。底坡渠底与水平面夹角的正弦，或者沿渠底单位距离上渠底高程

2、的降低或升高值称为底坡，记为i。明渠的分类（1）顺底坡、平底坡与反底坡顺底坡：渠底沿程降低的底坡，i＞0；平底坡：渠底水平的底坡，i＝0;反底坡：渠底沿程上升的底坡，i<0.规则断面有矩形、梯形、U形和圆形断面等，其断面形状及几何要素见表7.1.1。非规则断面如天然河道的断面。（2）规则断面和非规则断面（3）棱柱形渠道与非棱柱形渠道断面形状、尺寸和底坡沿程不变的渠道称为棱柱形渠道，上述三者之一沿程变化的渠道称为非棱柱形渠道。明渠均匀流的特点1.总能线、测压管水头线及底坡线三者平行；2.作用在水流上的重力在流动方向上的分量与明槽壁面上的摩擦力相等；3．渠底高程

3、的降低值等于沿程水头损失。均匀流运动的能源来自渠底高程的降低,平底坡和反底坡渠道中不能产生均匀流。明渠均匀流产生的条件1.沿程流量不变的恒定流；2.棱柱形、正底坡、渠中无建筑物的长渠道中；3.沿程粗糙系数n不变。明渠均匀流的基本公式谢才公式曼宁公式水力最佳断面指在流量、底坡、粗糙系数已知时，要求设计的过水断面具有最小的面积；或者说，在过水断面面积、底坡和粗糙系数等已知时，能使渠道通过的流量为最大，这种断面就是水力最佳断面。当渠床的粗糙系数n、底坡i及过水断面积A一定时，湿周χ愈小流量Q愈大。梯形断面的水力最佳断面水力最佳断面的条件：过水断面面积A为常数和湿周

4、χ最小。梯形断面水力最佳断面的宽深比取边坡系数m＝0，得最佳矩形断面的宽深比一般只适用于流量或水深较小的渠道。实际设计除了考虑水力最佳条件以外，还要综合考虑经济等其它方面的多种因素。均匀流的解法1.直接解法（1）当其他量已知，求流量或底坡或粗糙系数时，可直接由均匀流渠道中的流量表达式求解。（2）宽矩形断面渠道求正常水深h0。（3）当已知渠道的宽深比时，求渠中的正常水深。对梯形断面渠道：2.试算法或图解法（1）当已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b）时，由于此时需要求解关于h0和b的非线性方程，不能直接求解，只能采用试算法，或者应用附图Ⅰ的图解曲线求解

5、。（2）当已知宽深比β=b/h0或者最佳宽深比βm，可以用附图Ⅰ图解曲线求解。3.联解（1）当限制渠中流速v和水深h0（或b）求底坡i和底宽b（或h0）时；（2）当限制渠中流速v和底坡i求水深h0和底宽b时。7.1.3渠道设计中的若干问题1.渠道设计中的典型问题（1）已知底坡、过水断面参数（包括形状、尺寸）及渠底材料等，求该渠道可能通过的流量大小；（2）已知底坡、渠床材料及要求通过的流量，求应有的过水断面参数；（3）已知要求通过的流量、过水断面参数及渠底材料，要求确定底坡。2.边坡系数与底坡的确定渠道的边坡系数由渠床土壤的性质确定。水力学角度认为底坡应该尽量

6、小，这样沿程水头损失小。施工角度要求底坡尽量与地形坡度一致，这样易于使挖方与填方平衡，降低施工造价。一般而言山区渠道和排水渠道的底坡陡些，而平原渠道和灌溉渠道的底坡缓些。一般土渠的底坡变化范围大约为i＝0.0001～0.001。3.不冲不淤流速—允许流速渠道中的设计流速为v，不淤允许流速为v``，不冲允许流速v`为，则要求设计流速应该满足不淤允许流速查表7.1.4由表中查得的流速需乘以系数k不冲允许流速v`4.综合粗糙系数渠道断面由三种护面组成：混凝土，光滑岩面和粗糙岩面。设它们的粗糙系数和湿周分别为n1，χ1；n2，χ2；n3，χ3，则整个断面的综合粗糙系

7、数按下面计算5.复式断面由折线边坡组成的过水断面称为复式断面，由主河槽与滩地组成。特点：主河槽的水力半径大、粗糙系数小，而滩地的水力半径小，粗糙系数大。7.1.4圆形断面内的无压均匀流圆管中的流动具有自由表面，表面压强为大气压强时，当管路为坡度沿程不变的直线管路时，管路内的流动就是无压均匀流。过水断面面积湿周水力半径水面宽度管中最大流量和最大流速并不发生在满管时。例7.1.1有一浆砌石护面的梯形断面渠道,边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.025,底坡i=0.0004,底宽b=5m,渠中通过的流量Q=8m3/s,该渠道的不冲允许流速v`=3m/s,试求:（1

8、）渠道中的正常水深h0;（2）该渠道是否满足不冲不淤