《明渠恒定均匀流》课件.ppt

第六章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的，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均为明渠水流。明渠水流是无压流，有自由表面。,水力学,第一节概述,当明渠中水流的运动要素不随时间而变时，称为明渠恒定流。明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，称为明渠恒定均匀流；否则，称为明渠非均匀流。,水力学,第六章明渠恒定均匀流,明渠断面形状、尺寸、底坡对水流运动有重要影响。因此，要了解明渠水流运动的规律，首先必须了解明渠类型及其水力要素等。,1.矩形断面,常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠混凝土渠木渠,二.明渠的横断面常见的人工明渠横断面有梯形、矩形、圆形和马蹄形等。,河道横断面,天然河道的横断面形状不规则，由主槽与滩地组成。其一般是非棱柱体；若断面变化不大，又较平顺，可近似作为棱柱体渠道。,三、渠道底坡,沿水流方向单位渠道长度，对应的渠底高程降落值，其表示渠底纵向倾斜程度，以符号i表示。,式中：渠底与水平面夹角dl：两断面的间距dz：两断面的渠底高程差,dz,l,棱柱体渠道,非棱柱体渠道,一.明渠均匀流的特征,过水断面形状、尺寸、水深沿程不变,第二节明渠均匀流的特性及发生条件,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,设想在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCD进行分析，则作用于流段上所有外力杂流动方向的分量必须相互平衡，即因FP1=FP2则有,水力学,因此从力学意义上说明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力相平衡。即,因此只能在正坡渠道才可能形成均匀流。,渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）,二.明渠均匀流的形成条件,水力学讲义,三.明渠均匀流的计算公式,流量公式,实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期,第三节明渠均匀流的水力公式及有关问题,一.基本公式由谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式,1769年,在总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢才公式，以后又有确定谢才系数的满宁公式、巴普洛甫斯基公式。,谢才,综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度为1时的流量（当i=1时，Q=K）,单位：（m3/s）,某渠设计时选n=0.015，竣工后实测0.016。设计水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大，可能造成水漫渠顶事故。,水力学,第三节明渠均匀流的水力计算问题,一.水力最佳断面当渠道的底坡、粗糙系数及过水断面积一定时，通过流量最大；或当底坡、粗糙系数及流量一定时，所需的过水断面积最小时的断面。,当Q=一定，要求：AAmin,当A=一定，要求：QQmax,最佳断面形状：半圆形原因：由几何学，面积相同图形中，周界最小的断面为圆形。因此，明渠最佳断面形状是半圆形。例如，预制钢筋混凝土、钢丝网水泥渡槽等，但土渠难挖成半圆形，且两岸边坡不稳定。从地质和施工条件考虑，工程中接近圆形断面形状的为梯形断面,梯形水力最佳断面条件,i、n、A及mConst,m和m的关系为,推论：矩形断面的水力最佳断面,=2,水力学,二.允许流速,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。,不冲允许流速,不淤允许流速,6.2.4.2允许流速,6.2.4.2允许流速,不淤流速v渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。,渠道中杂草可滋生的临界流速一般约0.5m/s。,渠水冬季结冰的临界流速（北方地区）约0.6m/s,电站引水渠、航运渠道中的流速还应满足技术经济要求及管理运动要求，参照有关规范选定。,水力学,例题1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,可得,水力学,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,水力学,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。,水力学,例如，边坡为混凝土护面，底部为浆砌卵石的渠道,明渠断面周界上糙率不同的明渠均匀流,一些渠道，断面周界各段糙率不同,例如，边坡一侧由山石开凿而成，另侧由浆砌石筑成。,水力计算：,把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量,例如，用垂线把断面划分成三部分,复式断面明渠均匀流的水力计算,第四节渠道水力计算的类型,一电站已建引水渠为梯形断面，m=1.5，底宽b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤顶高程差为3.2m，电站引水流量Q=67m3/s。因工业发展需要，要求渠道供给工业用水。试计算超高0.5m条件下，除电站引用流量外,还能供给工业用水若干？,例一矩形断面渡槽，b=2.0m，槽长l=120.m进口处槽底高程z1=50.0m，槽身为预制混凝土n=0.013，设计流量Q=10.0m3/s，槽中水深为h=1.8m。试求：（1）求渡槽出口底部高程z？（2）当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深随底坡的变化规律。,当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深随底坡的变化规律。求hi的关系曲线（流量一定）,迭代计算,试算图解（计算器、Excel、Matlab等）,4.求底宽,已知渠道设计流量Q、i、n，h、m，求b方法与求h的相同，采用迭代法、试算图解法,例一矩形断面渡槽，为预制钢筋混凝土n=0.013，设计流量Q=31m3/s，i=1/1000，h=3.5m，计算b。,将Q=31m3/s，i=0.001，h=3.5m，n=0.013代入得,简化,故b=3.35m,解：用迭代法计算,图解试算法计算,例一梯形渠道，流量Q=19.6m3/s，流速=1.45m/s，m=1.0，糙率n=0.02，i=0.0007，试求渠道断面b及h。,选择题,2.水力最优断面是：A.造价最低的渠道断面；B.壁面粗糙系数最小的端面；C.对一定的流量具有最大断面积的断面；D.对一定的面积具有最小湿周的断面。,1.明渠均匀流可能发生在：A.平坡棱柱形渠道；B.顺坡棱柱形渠道；C.逆坡棱柱形渠道；D.都有可能。,3水力最优的矩形断面，宽深比是：A.0.5；B.1.0；C.2；D.4。,B,D,C,1.试从力学观点分析，明槽均匀流