《明渠恒定流土木》PPT课件

1,第七章明渠恒定流,1概述2明渠均匀流特性及水力计算3明渠均匀流水力计算中的几个问题4明渠恒定非均匀流的基本概念5明渠非均匀急变流水跃与水跌6明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程7棱柱体渠道恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析8明渠恒定非均匀渐变流水面曲线定量计算,2,教学基本要求,1、了解明渠水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明渠底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。2、了解明渠均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明渠均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率n值。4、掌握明渠均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。,3,5、在恒定流情况下，明渠非均匀渐变流的水流要素沿流程的变化规律，主要研究明渠水深(或水位)沿流程的变化规律，也就是要分析研究关于水面曲线的变化及其计算，以便恰当地确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等等。,4,基本概念,明渠:人工渠道、天然河道、水流未充满全断面的管道的统称,明渠水流：具有自由液面的水流，水流的表面压强为大气压强,明渠水流在自然界中是常见的，例如：水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压隧洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流。,管道中的水流?,5,A-A,A-A,有压管流,明渠流,具有自由水面重力起主导作用水面不受固体边界约束,6,引水工程,输水涵洞施工,小河沟渡槽,土耳其渡槽,渠道工程,二滩泄洪洞,第七章明渠恒定流,7,工程上的许多实际问题都必须在掌握了明渠水流运动规律以后才能予以解决。,8,从明渠恒定均匀流取一段水流外力平衡：,均匀流动水压强服从静水压强分布规律断面面积沿程不变，则,可得,9,河道的横断面，则常呈不规则的形状。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。土渠:一般为梯形涵管、隧洞:一般为圆形混凝土渠道或渡槽可能是矩形或半圆形,一、明渠的横断面,7.1概述,第七章明渠恒定流,10,思考,明渠横断面与过水断面有何区别?,根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水力要素。,边坡系数m,水力半径R,湿周,11,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：A=(b+mh)h,水力半径：,湿周：,12,常见的过水断面的水力要素,第七章明渠恒定流,13,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的正弦,即i-dz/ds=sin。-即渠底高程沿水流方向单位距离的降落值,二、明渠的分类(一)顺坡、平坡和逆坡渠道,顺坡(正坡)：i0平坡：i=0逆坡(反坡)：i0)；3、渠道中没有建筑物的局部干扰；4、明渠中的水流必须是恒定的，沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变。,明渠均匀流产生的条件：,只有在人工渠道才可能满足,讨论1,18,二、明渠均匀流水力计算的基本公式,明渠均匀流计算的基本公式是谢才公式和曼宁公式，即,K是流量模数，即当底坡i1时渠道中通过均匀流的流量，它综合反映了明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。,也可表示为：,糙率的准确性非常重要,第七章明渠恒定流,19,三、明渠均匀流水力计算的基本类型,对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系:,一般情况下，边坡系数m及粗糙系数n是根据渠道护面材料的种类，用经验方法来确定。,第七章明渠恒定流,20,对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h确定Q;,一、验算渠道的输水能力,面积,湿周,水力半径,流量,第七章明渠恒定流,21,二、已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b，边坡系数m和粗糙系数n。求水深h,三、已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h，边坡系数m和粗糙系数n。求渠道底宽b。,一般均采用试算图解法,第七章明渠恒定流,22,四、确定渠道的底坡已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知n，Q和b，m，h各量，确定渠道的底坡I:,第七章明渠恒定流,23,五、确定渠道的断面尺寸已知流量Q、流速v、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽b和水深h。,第七章明渠恒定流,24,例2某水电站引水渠为梯形断面，中等密实粘土，使用期中岸坡已生杂草，边坡系数m=1.5，底宽b=34m，糙率n=0.03,底坡i为1/6500，渠底至堤顶高差为3.2m。若电站引用流量Q为67m3/s。现要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为0.5m的条件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。,第七章明渠恒定流,25,当超高为0.5m时，渠中水深h=2.7m,求保证超高0.5m时的流量，并校核是否发生冲刷,解:,第七章明渠恒定流,26,在保证电站引用流量条件下，渠道能供给工业用水量为：,由表查得，渠道土质为粘土时为0.85m/s，当R为2.35m时：,第七章明渠恒定流,27,例3有一矩形断面混凝土渡槽(n=0.014)，底宽b1.5m,槽长L116.5m。进口处槽底高程=52.06m，当通过设计流量Q7.65m3/s时，槽中均匀流水深h0=1.7m，试求渡槽出口的底高程2？,解：,第七章明渠恒定流,28,例4某引水渠道，边坡系数m=1.0，底坡i=1/800，底宽b=6m，糙率n=0.025，设计流量Q=70m3/s。试计算渠道水深。,由,解：,显然，在上式中Q，b，m，n，i为已知，仅水深h为未知。但上式为h的高次方，直接求解h是很困难的。可采用试算图解法或查图法求解。,第七章明渠恒定流,29,（1）试算图解法,可假设一系列h值，代入上式计算相应的Q值，并绘成hQ曲线，然后根据已知流量，在曲线上即可查出要求的h值。,设h=2.5，3.0，3.5，4.0m，计算相应的A、R、C及Q值如下表,由上表绘出hQ曲线。从曲线查得：当Q为70m3/s时，h=3.3m,第七章明渠恒定流,30,（2）查图法,显然，上述计算方法比较繁杂，为简化计算，可利用已制成的曲线，见附录2，先求：,第七章明渠恒定流,31,由附录2，当时，在m=1的曲线上查得,故,第七章明渠恒定流,32,例6一圆形混凝土导流隧洞，已知：直径d=2m，底坡i=0.005，试求洞中均匀流水深h=1.50m时的流速及流量。,例7某梯形断面引水渠道，已知：底宽b=8m，边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.025,底坡i=0.0009，通过设计流量Q=15m3/s，试求渠中均匀流水深。,第七章明渠恒定流,33,7.3明渠均匀流水力计算的几个问题,指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。,一、水力最佳断面,对于明渠均匀流：,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。,i，n，A给定时，湿周最小的断面是圆形断面，即圆管为水力最佳断面。,34,1、梯形过水断面渠道的水力最佳断面,湿周,天然土渠开挖,梯形面积,水力最佳断面的条件,第七章明渠恒定流,35,梯形水力最佳断面的宽深比值为：,此时：,上式表明：梯形水力最佳断面的b/h值仅与边坡系数m有关；其水力半径等于水深的一半。,天然土渠开挖,36,矩形断面，m=0，则：,即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两倍,2、矩形断面的水力最佳断面,第七章明渠恒定流,37,允许流速是为了保持渠道安全稳定运行,在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。,二、允许流速,式中：,不冲允许流速（m/s），根据壁面材料定。,不淤允许流速（m/s）。(同时考虑避免渠中滋生杂草，一般流速应大于0.5m/s),第七章明渠恒定流,38,例1某梯形断面浆砌石（糙率n=0.025）渠道,底坡i为1/1000,要求按水力最佳断面设计。取底宽b=3.0m，边坡系数m为0.25，堤顶超高d=0.4m，试求流量Q及渠底至堤顶高度H。,解题思路：,流量Q,堤顶高程,A,第七章明渠恒定流,39,例1某梯形断面浆砌石（糙率n=0.025）渠道,底坡i为1/1000,要求按水力最佳断面设计。取底宽b=3.0m，边坡系数m为0.25，堤顶超高d=0.4m，试求流量Q及渠底至堤顶高度H。,解：水力最佳断面的宽深比为,所以渠中水深为,渠底至堤顶高度,第七章明渠恒定流,40,按谢才公式计算流量，先求过水断面面积：,水力半径,浆砌石的糙率n=0.025，由曼宁公式求谢才系数,于是流量,第七章明渠恒定流,41,第七章明渠恒定流,例2某梯形土渠设计流量Q为2m3/s，渠道为重壤土，粗糙系数n为0.025，边坡系数m为1.25，底坡i为0.0002。试设计一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速为0.4m/s）,解：将已知条件代入基本公式，并用曼宁公式计算谢才系数，整理后可得：,当为水力最佳断面时：,42,可得：,校核渠中流速是否满足不冲不淤的条件：由表查得R1m时的不冲允许流速,对所设计的水力最佳断面,则不冲允许流速,第七章明渠恒定流,43,已知不淤流速。渠中断面平均流速为,故,所设计断面满足不冲刷不淤积的条件。,第七章明渠恒定流,44,三、复式断面的水力计算,一般由两个或三个单式断面组成，如天然河道的主槽和边滩。在人工渠道中，由于施工、水力、地质等条件，较大渠道常采用复式断面，能更好控制淤积，减少开挖量。,采用分别计算的方法，将复式断面划分成几个部分，使每一个部分的湿周不致因水深的略微增大而产生急剧的增加。,第七章明渠恒定流,45,则通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，即：,计算中，应遵循下列两条原则作为同一条渠道，渠道整体和各部分的水力坡度、水面坡度、渠底坡度均相等。这是水面在同一过流断面上形成水平水面的保证。否则将出现交错的水面。各部分的湿周仅考虑水流与固体壁面接触的周界。各单式断面间的水流交接线在计算时不记入湿周。,第七章明渠恒定流,46,四、粗糙度不同的明渠的水力计算,渠道底部与边壁的材料或土质不同,断面周界上各部分的糙率n值不同,沿山坡修建的引水渠,为了防渗,渠壁用混凝土敷面,而渠底则为砌石,解决办法,谢才公式和谢才系数中的糙率用综合糙率代替,综合糙率有不同的计算方法,47,根据各糙率所占周长,按加权平均求得,根据各不同糙率的湿周上的阻力之和等于整个断面湿周上的总阻力的假定导出如下公式:,48,例5一复式断面如图5-17，已知b与b为6m，b为10m；h与h为1.8m；m与m均为1.5，m为2.0；n为0.02及i为0.0002求Q及v。,第七章明渠恒定流,49,解：,各部分的湿周,各部分流量模数,第七章明渠恒定流,50,于是，由复式断面的流量由公式得到,复式过水断面的平均流速为,第七章明渠恒定流,51,讨论1：请从能量观点分析，在i=0和in2，其它条件均相同；（2）底宽b1b2，其它条件均相同；（3）底坡i1i2，其它条件均相同；试问：这两条渠道中的均匀流水深哪个大，为什么？,53,7.4明渠恒定非均匀流的基本概念,简要回顾：明渠均匀流发生的条件？,几个工程问题,54,人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点:-流线不是相互平行的直线-同一条流线上各点的流速不同(包括大小和方向)-明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。,55,明渠非均匀渐变流-若流线是接近于相互平行的直线-流线间夹角很小-流线的曲率半径很大明渠非均匀急变流,明渠非均匀流分类,明渠均匀流水深-正常水深h0明渠非均匀流水深-h,运动要素如断面水深、平均流速、压强等沿程变化,56,7.4.1明渠水流的三种流态,水流流速v小，遇到障碍物时，水面变化情况-在障碍物处跌落-上游普遍壅高，一直影响到上游较远处,水流湍急，遇到障碍物时，水面变化情况-在障碍物处跃起-对上游较远处水流不发生影响,明渠中障碍物对水流的影响,缓流,急流,57,水流流速v小于扰动产生的波速c，则-干扰波能向上游传播-也能向下游传播,水流流速v小于扰动产生的波速c，则-干扰波只能向上游传播-不能向下游传播,扰动水流所产生的波动-与水流受障碍物干扰在性质上是一致的,缓流,急流,58,现象:在静水和流动的水中垂直丢入一个石块,会发生什么现象?,静水,水流速度,波动速度,59,波动速度,水流速度,缓流,60,急流,波动速度,水流速度,61,临界流,波动速度,水流速度,62,从水流现象上可以描述缓流和急流，但是缓流和急流这两种流动状态的本质是什么？用什么标准来判别？,两个方面：缓流和急流的运动学分析：缓流和急流的能量分析：-断面比能,波速,波的传播,Froude数,63,1、微波干扰波波速,平底矩形棱柱体明渠,对1-1和2-2断面建立连续方程和能量方程,静水中微波波速,忽略摩擦阻力,64,对于任意形状明渠断面,为断面平均水深,根据现场观测和实验,更准确的矩形明渠的波速公式为,对于速度为v的水流中的波速,65,明渠水流流态的判别依据是弗汝德数,当Fr1，水流是缓流，当Fr=1，水流是临界流，当Fr1，水流为急流。,对于临界流,断面平均流速恰好等于微波相对波速,重要,2、弗汝德数,66,第五章明渠恒定非均匀流,过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方。,力学意义：代表水流的惯性力和重力两种作用的对比关系,弗汝德数越大,平均动能所占的比例越大,67,7.4.2断面比能,断面比能、比能曲线断面比能Es是以通过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体所具有的总机械能，可表示为：,Es也就是渠底坡线与总水头之间的铅直距离。Es与E的关系：E=ES+ZO,68,单位机械能E和断面比能Es的区别,Es只是E中反映了水流运动状况的那一部分能量,两者差一个渠底高程。计算各断面的E值时，应取同一基准面，而计算Es时则以各断面最低点为基准。,由于有能量损失，E总是沿流减小，即dE/dsho且hhk2区：h0hhk或h0hhk3区：h0）,a、在1区内的水面曲线，为M1型壅水曲线(hhohk)b、在2区内的水面曲线，为M2型降水曲线(hohhc)c、在3区内的水面曲线，为M3型壅水曲线(hohch),113,2、陡坡渠道（iik0）,a、在1区内的水面曲线，为S1型壅水曲线。（hhkh0）b、在2区内的水面曲线，为S2型降水曲线。（h0hhk）c、在3区内的水面曲线，为S3型壅水曲线。（hkh0h）,114,3、临界渠道（i=ik）,流动只有在1区和3区，只存在C1型壅