水力学第6章明渠流动

1、n6.1 概述概述 n6.2 明渠均匀流明渠均匀流n6.3 无压圆管均匀流无压圆管均匀流n6.4 明渠流动状态明渠流动状态n6.5 跌水与水跃跌水与水跃n6.6 棱柱形渠道中渐变水面曲线分析棱柱形渠道中渐变水面曲线分析n6.7 棱柱型渠道中渐变流水面曲线的计算棱柱型渠道中渐变流水面曲线的计算 明渠流动明渠流动(open-channel flow)，是指在河、，是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流，这种渠等水道中流动，具有自由表面的水流，这种水道称为明渠。明渠流动具有自由表面，表面水道称为明渠。明渠流动具有自由表面，表面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，所上各点受大气压强作用，其相对

2、压强为零，所以又称为无压流。以又称为无压流。天然河道和人工渠道是典型的明渠。当液天然河道和人工渠道是典型的明渠。当液体不能充满管道断面时，管中的水流具有自由体不能充满管道断面时，管中的水流具有自由表面，也属于明渠流（如无压涵管，下水道中表面，也属于明渠流（如无压涵管，下水道中的水流）。的水流）。 明渠流动根据其运动要素是否随时间变化明渠流动根据其运动要素是否随时间变化分为恒定流与非恒定流。明渠流又可根据流线分为恒定流与非恒定流。明渠流又可根据流线是否为平行直线分为均匀流与非均匀流。是否为平行直线分为均匀流与非均匀流。 明渠流动明渠流动(open-channel flow)由于自由表面由于自由表

3、面不受约束，一旦受到降水、河渠建筑物等因素不受约束，一旦受到降水、河渠建筑物等因素的影响，便往往形成非均匀流。的影响，便往往形成非均匀流。在实用上，如铁道、公路、给排水和水利在实用上，如铁道、公路、给排水和水利工程的河渠输水能力的计算，常按明渠均匀流工程的河渠输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。处理。对于诸如在桥渡勘测设计时，预测建桥后对于诸如在桥渡勘测设计时，预测建桥后墩台对河流的影响，以及在河上筑坝取水时，墩台对河流的影响，以及在河上筑坝取水时，确定由于水位抬高所造成的水库淹没范围，则确定由于水位抬高所造成的水库淹没范围，则必须按明渠非均匀流处理。必须按明渠非均匀流处理。一、明渠的底坡一、

4、明渠的底坡(the slope of the channel bottom) 明渠渠底与纵剖面的交线称为底线。底线明渠渠底与纵剖面的交线称为底线。底线的坡度称为底坡，以符号的坡度称为底坡，以符号 i 表示。表示。 lzzi21sin 。 图6-1 明渠的底坡1h12llxz1z22一、明渠的底坡一、明渠的底坡(the slope of the channel bottom)渠底线高程沿程降低，称为顺坡或正坡；底线渠底线高程沿程降低，称为顺坡或正坡；底线水平水平, 称为平坡；底线高程沿程上升，称为逆坡或称为平坡；底线高程沿程上升，称为逆坡或负坡。负坡。 lzzi21sin 。 图6-1 明渠的底

5、坡1h12llxz1z22一、明渠的底坡一、明渠的底坡(the slope of the channel bottom) 通常渠道底坡很小，即通常渠道底坡很小，即角很小，为便于量测角很小，为便于量测和计算，以水平距离和计算，以水平距离lx代替流程长度代替流程长度l，同时以铅，同时以铅垂断面作为过水断面，以铅垂深度垂断面作为过水断面，以铅垂深度h作为过水断面作为过水断面的水深的水深 图6-1 明渠的底坡1h12llxz1z22二、明渠的断面形状形式二、明渠的断面形状形式(channel cross sections) bmhhbbhb2hdhh1h2h3b（a）（b）（c）（d）（e）图6-3

6、明渠断面形式二、明渠的断面形状形式二、明渠的断面形状形式(channel cross sections) 明渠断面以梯形最具代表性，其几何要素可分明渠断面以梯形最具代表性，其几何要素可分为基本量和导出量。基本量有：底宽为基本量和导出量。基本量有：底宽b、水深、水深h、边、边坡 系 数坡 系 数 m 。 边 坡 系 数。 边 坡 系 数 m 表 示 边 坡 倾 斜 程 度 ，表 示 边 坡 倾 斜 程 度 ，m=a/h=cot,其值的大小取决于渠壁岩土的稳定性其值的大小取决于渠壁岩土的稳定性 bmhhbbhb2hdhh1h2h3b（a）（b）（c）（d）（e）图6-3 明渠断面形式各种岩土的边坡

7、系数各种岩土的边坡系数m 岩 土 种 类 边坡系数m 岩 土 种 类 边坡系数m 细粒沙土 砂壤土或松散土壤 密实沙壤土、轻粘壤土 3.03.5 2.02.5 1.52.0 砾石、砂砾石土 重土壤、密实黄土、普通粘土 密实重粘土 各种不同硬度的岩石 1.5 1.01.5 1.0 0.51.0 明渠断面导出量明渠断面导出量 水面宽 b=b+2mh 过水断面面积 hmhba)( 湿周 =b+2h21m 水力半径 ar bmhhbbhb2hdhh1h2h3b（a）（b）（c）（d）（e）图6-3 明渠断面形式三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道 (regular and irre

8、gular cross section) 凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。棱柱形渠道为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。棱柱形渠道过水断面面积过水断面面积a仅随水深仅随水深h而变化，即而变化，即a= f (h)。 图6-4 棱柱形渠道1122mb1-1m1b2-22 三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道 (regular and irregular cross section) 非棱柱形渠道过水断面面积不仅随水深变化，非棱柱形渠道过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的位置而变化，过水断面

9、面积而且还随着各断面的位置而变化，过水断面面积a=f(h，s)。例如非棱柱形梯形渠道，其底宽。例如非棱柱形梯形渠道，其底宽b，边，边坡坡m沿程变化。沿程变化。1122m1-1m2-212bb图6-5 非棱柱形渠道三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道三、棱柱形渠道与非棱柱形渠道 (regular and irregular cross section) 人工渠道多为棱柱形渠道，天然河道形人工渠道多为棱柱形渠道，天然河道形状复杂不规则，通常为非棱柱形渠道；但在实状复杂不规则，通常为非棱柱形渠道；但在实际计算时，对于断面形状和尺寸沿程变化较小际计算时，对于断面形状和尺寸沿程变化较小的河道顺直段，可按棱柱形渠

10、道来处理。的河道顺直段，可按棱柱形渠道来处理。 一、明渠均匀流的水力特征一、明渠均匀流的水力特征(hydraulic characteristics) （1）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变。）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变。（2）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水面）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水面线）与渠道底线互相平行。也就是说，其水力坡线）与渠道底线互相平行。也就是说，其水力坡度度j，测压管坡度，测压管坡度jp和底坡和底坡 i 彼此相等，即彼此相等，即 j=jp= i 图6-1 明渠的底坡1h12llxz1z22二、明渠均匀流的形成条件二、明渠均匀流的形成条件（1）流量

11、沿程不变；）流量沿程不变；（2）顺坡（）顺坡（i 0）、且底坡沿程不变的棱柱形渠）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；道；（3）壁面粗糙系数）壁面粗糙系数n沿程不变沿程不变;（4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。 由上述条件可知，只有在顺坡渠道中才可能由上述条件可知，只有在顺坡渠道中才可能形成均匀流，平坡和逆坡渠道中不可能形成均匀形成均匀流，平坡和逆坡渠道中不可能形成均匀流。这是因为只有在顺坡渠道中重力在水流方向流。这是因为只有在顺坡渠道中重力在水流方向的分力与水流阻力方向相反，两者才可能互相平的分力与水流阻力方向相反，两者才可能互相平衡，使水流保持等速流动

12、。衡，使水流保持等速流动。三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（1）基本公式基本公式谢才公式谢才公式(chezy equation) k的单位与流量的单位与流量q相同，称为流量模数。相同，称为流量模数。v=cjr v=cri q=acri=ki k=acr 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（1）基本公式基本公式 v=cri q=acri=ki k=acr 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（1）基本公式基本公式（2）正常水深正常水深(normal depth) 明渠均匀流时的水深称为正常水深，用符明渠均匀流时的水深称为正常水深，用符号号h0表示，以区别

13、于明渠非均匀流时的水深。表示，以区别于明渠非均匀流时的水深。由于过水断面面积由于过水断面面积a和水力半径和水力半径r均为水深的函均为水深的函数，已知数，已知q 、i、n和断面形状及尺寸，即可确和断面形状及尺寸，即可确定正常水深定正常水深h0。 v=irn321 q=airn321 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（3）粗糙系数）粗糙系数n的选定的选定 明渠水力计算中常用到粗糙系数明渠水力计算中常用到粗糙系数n，其大，其大小综合反映明渠壁面（包括渠底）粗糙程度小综合反映明渠壁面（包括渠底）粗糙程度和其它一些因素对水流阻力的影响。对于一和其它一些因素对水流阻力的影响。对于一般工程计

14、算，可选用表般工程计算，可选用表6-2或有关手册中的或有关手册中的数值。数值。 表 6-2 各种不同粗糙面的粗糙系数 n 等级 渠壁种类 n 1/n 1 涂覆珐琅或釉质的表面；极精细刨光而拼合良好的木板。 0.009 111.1 2 刨光的木板；纯粹水泥的粉饰面。 0.010 100.0 3 水泥（含 1/3 细沙）粉饰面；安装和接合良好（新）的陶土、铸铁管和钢管。 0.011 90.9 4 未刨的木板，而拼合良好；在正常情况下内无显著积垢的给水管；极洁净的排水管；极好的混凝土面。 0.012 83.3 5 琢石砌体；极好的砖砌体；正常情况下的排水管；略微污染的给水管；非完全精密拼合的未刨的木

15、板。 0.013 76.9 6 “污染”的给水管和排水管；一般的砖砌体；一般情况的混凝土面。 0.014 71.4 7 粗糙的砖砌体；未琢磨的石砌体；有洁净修饰的表面，石块安置平整；极污垢的排水管。 0.015 66.7 8 普通块石砌体；其状况满意的旧破砖砌体；较粗糙的混凝土面；光滑的开凿得极好的崖岸。 0.017 58.8 9 覆有坚厚淤泥层的渠道；用致密黄土和致密卵石做成而为整片淤泥薄层所覆盖的良好渠道。 0.018 55.6 10 很粗糙的块石砌体；用大块石的干砌体；碎石铺筑面；纯由岩山中开筑的渠道；用黄土、卵石和致密泥土做成而为淤泥薄层所覆盖的渠道（正常情况） 。 0.020 50.

16、0 11 尖角的大块乱石铺筑；表面经过普通处理的岩石渠道；致密粘土渠道；用黄土、卵石和泥土做成而为非整片的（有些地方断裂的）淤泥薄层所覆盖的渠道；大型渠道受到中等以上的养护。 0.0225 44.4 12 大型土渠受到中等养护；小型土渠受到良好的养护；在有利条件下的小河和溪涧（自由流动无於塞和显著水草等） 。 0.025 40.0 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（3）粗糙系数）粗糙系数n的选定的选定 n值的正确选取对渠道水力计算结果和值的正确选取对渠道水力计算结果和工程造价影响很大。在渠道设计中，若选取工程造价影响很大。在渠道设计中，若选取的的n值偏大，则高估了渠道的阻力，为

17、通过既值偏大，则高估了渠道的阻力，为通过既定的设计流量，就要求加大设计断面，从而定的设计流量，就要求加大设计断面，从而增加了工程量；若取的增加了工程量；若取的n值偏小，则设计的渠值偏小，则设计的渠道断面偏小，实际过流能力不能满足设计要道断面偏小，实际过流能力不能满足设计要求。因此，一些重要的河渠工程，其求。因此，一些重要的河渠工程，其n值要通值要通过试验或实测来确定。过试验或实测来确定。 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（4）明渠均匀流水力计算问题明渠均匀流水力计算问题 明渠均匀流的水力计算，主要有以明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种基本问题，现以最常见的梯形断下三种基本问题

18、，现以最常见的梯形断面为例分述如下。面为例分述如下。（4）明渠均匀流水力计算问题明渠均匀流水力计算问题 验算渠道的输水能力。验算渠道的输水能力。 这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算其输水能力。从明渠均匀流的基计算，特别是验算其输水能力。从明渠均匀流的基本关系式看出，各水力要素间存在着以下的函数关本关系式看出，各水力要素间存在着以下的函数关系，即系，即 验算渠道的输水能力。验算渠道的输水能力。 当渠道已定，已知渠道断面的形状及尺寸，并当渠道已定，已知渠道断面的形状及尺寸，并已知渠道的土壤或护面材料种类以及渠底坡度，即已知渠道的土壤或护

19、面材料种类以及渠底坡度，即已知已知m、b、h0、n和和i，求其输水能力求其输水能力q。在这种情。在这种情况下，可根据已知值求出况下，可根据已知值求出a、r及及c，再求出流量，再求出流量q。 （4）明渠均匀流水力计算问题明渠均匀流水力计算问题 决定渠道底坡决定渠道底坡 在设计渠道的底坡时，一般已知设计流量、在设计渠道的底坡时，一般已知设计流量、土壤或护面材料种类以及断面的形状及尺寸，土壤或护面材料种类以及断面的形状及尺寸，即已知即已知q、n、m、b和和h0，求所需要的底坡，求所需要的底坡i。 计算时，先算出流量模数计算时，先算出流量模数k ，再求出渠道底，再求出渠道底坡坡 i =q2/k2 。

20、（4）明渠均匀流水力计算问题明渠均匀流水力计算问题 决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸 这是一类设计问题，一般已知设计流量、土这是一类设计问题，一般已知设计流量、土壤或护面材料种类，即已知壤或护面材料种类，即已知q、n、m，求渠道断，求渠道断面尺寸面尺寸b和和h0。 （4）明渠均匀流水力计算问题明渠均匀流水力计算问题 决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸 有许多组有许多组b和和h0的数值能满足的数值能满足q= ac(ri)0.5 。为了使这。为了使这个问题的解能够确定，必须根据具体工程的要求，先个问题的解能够确定，必须根据具体工程的要求，先给定渠道底宽给定渠道底宽b，或水深，或水深h0，或宽深比，或

21、宽深比=b/ h0，或流速，或流速v。以下便分四种情况说明。以下便分四种情况说明。 决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸a a给定正常水深给定正常水深h0，求底宽，求底宽b 假设一系列底宽假设一系列底宽b ，按，按q=ac(ri)0.5计计算出相应的流量算出相应的流量q ，满足，满足q =q的的b 即为即为所求的底宽所求的底宽b。b给定底宽给定底宽b，求正常水深，求正常水深h0 假设一系列水深假设一系列水深h ，按，按q=ac(ri)0.5计计算出相应的流量算出相应的流量q ，满足，满足q =q的的h 即为即为所求的正常水深所求的正常水深h0。 决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸c 给定宽深比给定宽

22、深比，求正常水深，求正常水深h0和底宽和底宽b 宽深比为渠道底宽与水深之比，即宽深比为渠道底宽与水深之比，即=b/h0，可以根据后面介绍的水力最优断，可以根据后面介绍的水力最优断面条件或实用经济断面条件来确定。与上面条件或实用经济断面条件来确定。与上述两种情况相似，此处给定述两种情况相似，此处给定值这一补充值这一补充条件后，问题的解就确定了。条件后，问题的解就确定了。 决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸d给定流速给定流速v, 求正常水深求正常水深h0和底宽和底宽b 当允许流速成为设计渠道的控制条件时，就需当允许流速成为设计渠道的控制条件时，就需要采用这一方法计算。要采用这一方法计算。 决定渠道断

23、面尺寸决定渠道断面尺寸 d给定流速给定流速v, 求正常水深求正常水深h0和底宽和底宽b 由由a=q/v，r=(nv/i0.5)3/2和和 =a/r算得算得a与与 值代值代入入(1)、(2)，可解出，可解出h0和和b 例例6-1 一路基排水沟，底坡一路基排水沟，底坡i=0.002,水沟断面采水沟断面采用梯型，并用小片石干砌护面（用梯型，并用小片石干砌护面（n=0.020）,边坡边坡系数系数m=1.0,底宽底宽b=0.4 m,正常水深正常水深h0=0.6 m。试。试求流速、流量模数求流速、流量模数k和流量和流量q。 例例6-1 一排水沟，一排水沟，i=0.002, 梯型断面，梯型断面，n=0.02

24、0，m=1.0 ，b=0.4 m ，h0=0.6 m。试求流速、流量模数。试求流速、流量模数k和流量和流量q。 例例 梯型排水沟，梯型排水沟，i=0.002, n=0.020，m=1.0，b=0.4 m，h0=0.6 m。试求流速、流量模数。试求流速、流量模数k和流量和流量q。 例例6-2 在土层开挖引水渠道，断面为梯形，边在土层开挖引水渠道，断面为梯形，边坡系数坡系数m=1.0，粗糙系数，粗糙系数n=0.020，根据地形，根据地形,底坡采用底坡采用i=0.0002，设计流量，设计流量q=40m3/s, 选定选定底宽底宽b=6 m, 若要求断面超高为若要求断面超高为0.5 m，试确定，试确定断

25、面的开挖深度断面的开挖深度h。 例例6-2 梯形渠道，梯形渠道，m=1.0，n=0.020，i=0.0002，q=40 m3/s, b=6 m, 断面超高断面超高0.5 m，试确定开挖深，试确定开挖深度度h。 例例6-2 梯形渠道，梯形渠道，m=1.0，n=0.020，i=0.0002，q=40 m3/s, b=6 m, 断面超高断面超高0.5 m，试确定开挖深，试确定开挖深度度h。 例例6-2 梯形渠道，梯形渠道，m=1.0，n=0.020，i=0.0002，q=40 m3/s, b=6 m, 断面超高断面超高0.5 m，试确定开挖深，试确定开挖深度度h。 例例6-2 梯形渠道，梯形渠道，m

26、=1.0，n=0.020，i=0.0002，q=40 m3/s, b=6 m, 断面超高断面超高0.5 m，试确定开挖深度，试确定开挖深度h。 例例6-2 梯形渠道，梯形渠道，m=1.0，n=0.020，i=0.0002，q=40 m3/s, b=6 m, 断面超高断面超高0.5 m，试确定开挖深度，试确定开挖深度h。 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（5）水力最优断面与实用经济断面水力最优断面与实用经济断面 (best hydraulic cross section and practical economical cross section) 修建渠道往往涉及大量建筑材料、

27、土石方修建渠道往往涉及大量建筑材料、土石方量，工程投资很大，因此，如何从水力条件量，工程投资很大，因此，如何从水力条件出发，选择输水性能最优的过水断面具有重出发，选择输水性能最优的过水断面具有重要意义。在设计渠道时，底坡要意义。在设计渠道时，底坡i一般随地形条一般随地形条件而定，粗糙系数件而定，粗糙系数n取决于渠壁的材料，于是，取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力渠道输水能力q值取决于断面大小和形状。值取决于断面大小和形状。 当当i、n及及a大小一定时，使渠道所通过的大小一定时，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。（5）best hyd

28、raulic cross section and practical economical cross section当当i、n及及a大小一定时，使渠道所通过的流大小一定时，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。量最大的那种断面形状称为水力最优断面。 从均匀流的基本关系式从均匀流的基本关系式看出：当看出：当i、n及及a给定时，水力半径给定时，水力半径r最大、即湿最大、即湿周周 最小的断面能通过最大的流量。最小的断面能通过最大的流量。 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（5）水力最优断面与实用经济断面水力最优断面与实用经济断面 (best hydraulic cro

29、ss section and practical economical cross section) 梯形断面边坡系数梯形断面边坡系数m已知，在水力最优已知，在水力最优条件下宽深比为条件下宽深比为 ）（mmhbm212 水力最优断面（水力最优断面（a/am=1.00）和实用经济断面的宽深比）和实用经济断面的宽深比 a/amh/hm m0.00.51.01.52.03.01.001.01 1.04 1.0000.8230.683 2.0002.9854.463 1.2362.0913.374 0.8281.7293.080 0.6061.6423.198 0.4721.6893.516 0.32

30、51.9614.418 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算（6）渠道的允许流速渠道的允许流速 在渠道设计中，除了考虑上述水力最优条在渠道设计中，除了考虑上述水力最优条件及经济因素外，还应使渠道流速既不会大件及经济因素外，还应使渠道流速既不会大到使渠床遭受冲刷，也不会小到使水中悬浮到使渠床遭受冲刷，也不会小到使水中悬浮的泥沙发生淤积，即在不冲、不淤的流速范的泥沙发生淤积，即在不冲、不淤的流速范围内围内 vmax v vmin 不冲允许流速不冲允许流速vmax的大小取决于土质情况或渠的大小取决于土质情况或渠道的衬砌材料，以及流量因素。不淤允许流道的衬砌材料，以及流量因素。不淤允许流速

31、速vmin的大小主要与水流的挟沙能力有关。的大小主要与水流的挟沙能力有关。 渠道的不冲允许流速渠道的不冲允许流速 渠道的不冲允许流速渠道的不冲允许流速 例例6-3 梯形断面浆砌石渠道的底坡梯形断面浆砌石渠道的底坡i=0.002，壁，壁面粗糙系数面粗糙系数n=0.025，边坡，边坡m=0.25，现要求通过流，现要求通过流量量q=9m3/s，试按水力最优条件设计断面尺寸。若，试按水力最优条件设计断面尺寸。若不冲允许流速不冲允许流速vmax=3.5m/s，不淤允许流速，不淤允许流速vmin=0.6m/s，试校核渠道流速是否在允许范围内。，试校核渠道流速是否在允许范围内。 例例6-3 梯形渠道梯形渠道

32、i=0.002，n=0.025，m=0.25，q=9m3/s，试按水力最优条件设计断面尺寸。，试按水力最优条件设计断面尺寸。 max=3.5m/s， min=0.6 m/s，试校核渠道流速。，试校核渠道流速。 例例6-3 梯形渠道梯形渠道i=0.002，n=0.025，m=0.25，q=9m3/s，试按水力最优条件设计断面尺寸。，试按水力最优条件设计断面尺寸。 max=3.5m/s， min=0.6 m/s，试校核渠道流速。，试校核渠道流速。 例例6-3 梯形渠道梯形渠道i=0.002，n=0.025，边坡，边坡m=0.25，q=9m3/s，试按水力最优条件设计断面尺寸。若，试按水力最优条件设

33、计断面尺寸。若 max=3.5m/s， min=0.6 m/s，试校核渠道流速。，试校核渠道流速。 例例6-4 根据不冲允许流速设计某土渠的断面尺根据不冲允许流速设计某土渠的断面尺寸。已知渠道流量寸。已知渠道流量 q = 6m3/s，由土质条件确定边坡，由土质条件确定边坡m=1.5，粗糙系数，粗糙系数n = 0.025，不冲允许流速，不冲允许流速vmax=0.8 m/s，根据地形选定，根据地形选定 i =0.0005。 例例6-4 根据不冲允许流速设计土渠断面尺寸。已根据不冲允许流速设计土渠断面尺寸。已知知q=6m3/s，m=1.5，n=0.025，vmax=0.8m/s，i=0.0005。

34、例例6-4 根据不冲允许流速设计土渠断面尺寸。已根据不冲允许流速设计土渠断面尺寸。已知知q=6m3/s，m=1.5，n=0.025，vmax=0.8m/s，i=0.0005。 三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算(7) 断面周界上粗糙度不同的渠道断面周界上粗糙度不同的渠道 修建渠道需要因地制宜，有时渠底渠壁采用修建渠道需要因地制宜，有时渠底渠壁采用不同的材料，形成断面周界上粗糙度不同的明渠不同的材料，形成断面周界上粗糙度不同的明渠断面。断面。 n3n1n2图6-7三、明渠均匀流的水力计算三、明渠均匀流的水力计算(7) 断面周界上粗糙度不同的渠道断面周界上粗糙度不同的渠道 综合的粗糙

35、系数综合的粗糙系数 n3n1n2图6-7kkknnnn 212211（8） 复式断面渠道复式断面渠道 由于地质、土壤条件或施工、养护要求，大由于地质、土壤条件或施工、养护要求，大型渠道常设计成复式断面。天然河道中的主槽型渠道常设计成复式断面。天然河道中的主槽和边滩也形成复式断面。复式断面由于水深不和边滩也形成复式断面。复式断面由于水深不一，各部分流速差别较大，不能将全断面作为一，各部分流速差别较大，不能将全断面作为一个整体按一个整体按 进行计算，否则会导致不进行计算，否则会导致不符合实际情况的结果。符合实际情况的结果。 洪水位中水位q1,1,r1q2,2,r2q3,3,r3图6-8r ri i

36、a ac cq q （8） 复式断面渠道复式断面渠道 解决的方法是在边滩内缘作铅垂线，把主槽解决的方法是在边滩内缘作铅垂线，把主槽和边滩分开，认为每个部分都符合和边滩分开，认为每个部分都符合 ；又因为整个断面上的水面是水平的，所以各部分又因为整个断面上的水面是水平的，所以各部分流股在单位长度流程上的水头损失是相等的，即流股在单位长度流程上的水头损失是相等的，即j=j1 1=j2 2=j3 3=i，则总流量，则总流量q就是各部分流量之和。就是各部分流量之和。洪水位中水位q1,1,r1q2,2,r2q3,3,r3图6-8r ri ia ac cq q （8） 复式断面渠道复式断面渠道计算湿周长度时

37、不要将垂直分界线考虑在内。计算湿周长度时不要将垂直分界线考虑在内。 洪水位中水位q1,1,r1q2,2,r2q3,3,r3图6-8ikricaq1111ikricaq2222ikricaq3333ikkkqqqq)(321321 例例6-5 一顺直河道的平均断面，已知洪水位时一顺直河道的平均断面，已知洪水位时主槽平均水深为主槽平均水深为5m，水面宽，水面宽100m，粗糙系数，粗糙系数n2 2=0.025，边滩平均水深为，边滩平均水深为3m，粗糙系数，粗糙系数n1 1= n3 3=0.035，滩地上两防洪堤相距，滩地上两防洪堤相距1200m，河道底坡，河道底坡i=0.0003，求该河道的泄洪量。

38、，求该河道的泄洪量。q1,a1,r1q2,a2,r2q3,a3,r3中水位洪水位图6-8 例例6-5 洪水位时主槽平均水深为洪水位时主槽平均水深为5m，水面宽，水面宽100m，n2 2=0.025，边滩平均水深为，边滩平均水深为3m，n1 1= n3 3=0.035，两防，两防洪堤相距洪堤相距1200m，i=0.0003，求该河道的泄洪量。，求该河道的泄洪量。q1,a1,r1q2,a2,r2q3,a3,r3中 水 位洪 水 位图 6-8 例例6-5 洪水位时主槽平均水深为洪水位时主槽平均水深为5m，水面宽，水面宽100m，n2 2=0.025，边滩平均水深为，边滩平均水深为3m，n1 1= n

39、3 3=0.035，两防洪，两防洪堤相距堤相距1200m，i=0.0003，求该河道的泄洪量。，求该河道的泄洪量。q1,a1,r1q2,a2,r2q3,a3,r3中 水 位洪 水 位图 6-8 例例6-5 洪水位时主槽平均水深为洪水位时主槽平均水深为5m，水面宽，水面宽100m，n2 2=0.025，边滩平均水深为，边滩平均水深为3m，n1 1= n3 3=0.035，两防洪，两防洪堤相距堤相距1200m，i=0.0003，求该河道的泄洪量。，求该河道的泄洪量。q1,a1,r1q2,a2,r2q3,a3,r3中 水 位洪 水 位图 6-8 例例6-5 洪水位时主槽平均水深为洪水位时主槽平均水深

40、为5m，水面宽，水面宽100m，n2 2=0.025，边滩平均水深为，边滩平均水深为3m，n1 1= n3 3=0.035，两防洪，两防洪堤相距堤相距1200m，i=0.0003，求该河道的泄洪量。，求该河道的泄洪量。q1,a1,r1q2,a2,r2q3,a3,r3中水位洪水位图6-8 在给排水工程和环境工程中，广泛采用无压圆管，如在给排水工程和环境工程中，广泛采用无压圆管，如城市中污水管道、雨水管道等。这类管道内的流动具有城市中污水管道、雨水管道等。这类管道内的流动具有自由表面，且表面压强为大气压强。对于长直的无压圆自由表面，且表面压强为大气压强。对于长直的无压圆管，当其底坡管，当其底坡i、

41、粗糙系数、粗糙系数n及管径及管径d均沿程保持不变时，均沿程保持不变时，管中流动可以认为是明渠均匀流。管中流动可以认为是明渠均匀流。ohd一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征ohd一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征ohd一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征ohd一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征一、无压圆管均匀流的水力特征 00.20.80.60.40.21.0图6-100.40.6v q0.81.01.2 v qohd=0.95

42、=0.95时时,q,q最大最大, q/q, q/q0 0=1.087=1.087=0.81=0.81时时,v,v最大最大, v/v, v/v0 0=1.16=1.16 二、无压圆管的计算问题二、无压圆管的计算问题 由上式可知，由上式可知，q=f(d,n, i) 。可见无压管道水力计算的基。可见无压管道水力计算的基本问题分为下述三类。本问题分为下述三类。（1）检验过水能力，即已知管径）检验过水能力，即已知管径d，充满度，充满度、管壁粗糙系数管壁粗糙系数n及及底坡底坡i，求流量，求流量q。（2）已知通过流量）已知通过流量q及及d、和和n，要求设计管底的坡度，要求设计管底的坡度i。（3）已知通过流量

43、）已知通过流量q及及、n和和i，要求决定管径要求决定管径d。 在实际工作中，常用预先制作好的图表来进行计算。在实际工作中，常用预先制作好的图表来进行计算。二、无压圆管的计算问题二、无压圆管的计算问题 在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有关标准，如关标准，如室外排水设计规范室外排水设计规范中规定：中规定：（1）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按表表6-7采用。采用。二、无压圆管的计算问题二、无压圆管的计算问题 在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有关标准，如关

44、标准，如室外排水设计规范室外排水设计规范中规定：中规定： （1）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按表度按表6-7采用。采用。 （2）雨水管道和合流管道应按满流计算。）雨水管道和合流管道应按满流计算。 二、无压圆管的计算问题二、无压圆管的计算问题 在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有在进行无压圆管水力计算时，还要根据国家有关标准，如关标准，如室外排水设计规范室外排水设计规范中规定：中规定： （1）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满）污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按表度按表6-7采用。采用。 （2）雨水管道和合流管道应按满流计算。）雨水管道和合流管道应按满流计算。 （3）排水管的最大设计流速：金属管为）排水管的最大设计流速：金属管为