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1、第2章水力学基本知识§2-1明渠均匀流明渠均匀流是流体具有自由表面的流动，所以这种流动的相对压强为零，是无压流动。常见的明渠流现象，如天然河道、人工渠道的水流、屋面天沟的排水、城市排水管道中的水流等等。渠道底坡或比降明渠渠底沿程单位长度的降低值称为底坡i,一般底坡都很小底坡可分为:顺坡(i>0),平坡(i=0),逆坡(i<0)常见的断面形状过流断面的几何要素底宽b,水深h,边坡系数m(表示边坡倾斜程度的系数)水面宽过流断面面积湿周水力半径明渠均匀流的形成条件1.渠底必须是顺坡，平坡和逆坡渠道中不可能产生均匀流。2.渠道必须是棱柱形长直渠
2、道；因为非棱柱形渠道会导致非均匀流。3.底坡及粗糙系数沿程不变，且渠中无弯道、阀门、滚水坝等障碍物。4.水流为恒定流，流量沿程不变。明渠均匀流计算式在明渠均匀流计算中，主要应用谢才公式、曼宁公式和连续性方程。式中，K流量模数，C谢才系数，n为粗糙系数，它的大小综合反映了河、渠道面对水流阻力的大小，是明渠水力计算的主要因素之一。无压圆涵均匀流的水力计算无压圆涵均匀流的特征所谓无压圆涵，是指不满流的圆形断面管道。在环境工程和给排水工程中不满流的圆形管道，诸如城市排水管道的污水管道、雨水管道及无压涵管中的流动，因为这些管道的排水流量时有变化，
3、为避免在流量增大时，管道承压，污水涌出排污口，污染环境，所以排水管道通常为非满流管流，此种管道中的流动具有自由液面，无压圆管均匀流是一种特定断面形式的明渠流动,它的形成条件、水力特征和明渠一样。所以常用明渠均匀流的基本公式进行计算。过流断面的几何要素d--管径h--水深α--充满度,α=h/dθ--充满角,水深h所对应的圆心角。由几何关系可得水力要素导出量：过水面积湿周水力半径流速流量输水性能最优充满度从上式可知,在水深很小时,水深增加,水面增宽,过流断面面积增加很快,接近管轴处增加最快，水深超过半管后，水深增加，水面宽减小，过流断面面
4、积增加减慢，在满流前增加最慢。湿周随水深的增加与过流断面面积不同，接近管轴处增加最慢，在满流前增加最快，由此可知，在满流前，输水能力达到最大值，相应的充满度为最优充满度。设以分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径，不同充满度的相应值用表示。则令无量纲参数的水力计算图对应不同的α值,有不同的A,B值,把它们的关系绘制出关系曲线，如下图所示。从上图可见：当时，，则此时通过的流量最大，为恰好满管流时流量的1.087倍。当时，，则此时通过的流速最大，为恰好满管流时流速的1.16倍。无压圆管的水力计算可分为三类问题:1.验算输水能力2.确
5、定管道底坡3.计算管道直径在进行无压管道的水力计算时，还要遵从一些有关规定：1.污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按下表采用。2.雨水管道和合流应按满流管计算。3.排水管的最小设计流速：对污水管道(在设计充满度时)，当管径d≤500mm时，为0.7m/s；当管径d＞500mm时，为0.8m/s。补例1某圆形污水管，管径d=600mm，管壁粗糙系数n=0.014管道底坡i=0.0024，求最大设计充满度时的流速和流量。补例2圆形管道的管径d=1m，底坡i=0.0036，粗糙系数n=0.013，要求水深h=0.7m时的流量和流速。复式
6、断面渠道的水力计算由于地形、地质条件限制和施工的要求，渠道断面形式比较复杂，需要将断面设计成两个或两个以上单式断面组成的复式断面，如左图所示为两个梯形断面组合。而天然河床断面往往由于不规则，也可简化成复式断面，如右图所示为不规则曲线的河床，可近似用两个矩形来表示。在进行复式断面明渠均匀流的水力计算时，常将复式断面先分割成若干个单式断面，然后分别对这些单式断面作均匀流计算，然后再进行叠加，得到整个复式断面流量。如上右图的复式断面，其总流量的计算为：式中：在计算时，应注意不要把分割线计入湿周内，各部分n值不同，应分别用不同的n值进行计算。补
7、例3求如图所示复式断面渠道的流量。已知渠道底坡i=0.00064，n1=0.025，n2=n3=0.040，m1=1.0，m2=m3=2.0，其它尺寸如图示。§2-2明渠非均匀流人工渠道和天然河道中的均匀流动，如果某种因素的变化，如渠道底坡的变化，过水断面的几何型状或尺寸的改变，壁面粗糙程度的变化，或在明渠中修建人工构筑物（闸门、桥梁、坝、堰、涵洞等），都将变成非均匀流动。明渠非均匀流动的特点1.各流线已不再是相互平行的直线；2.同一条流线上各点的流速大小和方向不同；3.明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。如下图所示。非均匀渐变
8、流和急变流在明渠非均匀流中，若流线是近似于相互平行的直线，或流线之间的夹角很小，流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。反之，则为明渠非均匀急变流。渐变流水深的变化局限在一个流区内，水流属同一流态
