水力学-第七章 明渠课件

1、 明渠明渠：是人工渠道、天然河道以及不满是人工渠道、天然河道以及不满 流管道统称为明渠。流管道统称为明渠。第七章第七章 明渠均匀流明渠均匀流 Steady Uniform Flow in Open Channels长江三峡长江三峡长江三峡 长江，我国的第一大河，全长长江，我国的第一大河，全长6300余公里。它流余公里。它流经四川盆地东缘时冲开崇山峻岭，夺路奔流形成经四川盆地东缘时冲开崇山峻岭，夺路奔流形成了壮丽雄奇、举世无双的大峡谷了壮丽雄奇、举世无双的大峡谷长江三峡。长江三峡。 长江三峡西起重庆奉节的白帝城，东到湖北宜昌长江三峡西起重庆奉节的白帝城，东到湖北宜昌的南津关，是的南津关，是瞿塘峡

2、、巫峡和西陵峡瞿塘峡、巫峡和西陵峡三段峡谷的三段峡谷的总称总称 三峡工程特选址于西陵峡中段的湖北省宜昌市境三峡工程特选址于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的内的三斗坪三斗坪。 长江三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、长江三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅养殖、旅 游、保护生态、净化环境、开发性移民、游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北南水北 调、供水灌溉等调、供水灌溉等 十大效益，是世界上任何十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！巨型电站都无法比拟的！ 研究内容：研究内容：7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 明渠均匀流的特性及其产生条件明渠均匀流的特性及其产生条件

3、7.3 7.3 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算7.1 7.1 概述概述 7.1.1.7.1.1.定义定义 明渠明渠：是人工渠道、天然河道以及不满是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。流管道统称为明渠。 常见明渠类型常见明渠类型 ：输水渠道、无压隧洞、：输水渠道、无压隧洞、渡槽、涵洞、天然河道。渡槽、涵洞、天然河道。明渠水流：明渠水流：明渠水流是无压流，有自由明渠水流是无压流，有自由 表面。表面。 应用：应用：灌溉引水、通航、筑坝、建闸、灌溉引水、通航、筑坝、建闸、 修电站，上游形成水库，壅水状况修电站，上游形成水库，壅水状况明渠水流特点：明渠水流特点：1) 1) 明渠水流是无

4、压流，有自由表面；明渠水流是无压流，有自由表面； 2 2）重力是流体流动的动力，为重力流（管流）重力是流体流动的动力，为重力流（管流 则是压力流）；则是压力流）； 3 3）渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度）渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度 增大，则流速增大增大，则流速增大 ，水深减小；，水深减小； 4 4）边界突然变化时，影响范围大。）边界突然变化时，影响范围大。 明渠水流分类明渠水流分类（Flow ClassificationFlow Classification） 恒定流恒定流：明渠中的水流运动要素不随时间而变。：明渠中的水流运动要素不随时间而变。 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流：明

5、渠恒定流中，如果流线是一簇：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沿程平行直线，水深、断面平均流速及流速分布沿程不变。不变。 7.2.2.7.2.2.明渠的几何特性明渠的几何特性 1.1.底坡底坡 （ bed slopbed slop） 底坡底坡i i渠底高程沿水流方向单位距离的降落值渠底高程沿水流方向单位距离的降落值 正坡（positiveslope）：i0，渠底高程沿程降低者称为正坡或顺坡. 平坡（horizontalbed）：i=0，渠底高程沿程不变者称为平坡。 负坡（adverseslope）：i0，渠底高程沿程沿程升高者称为负坡或逆坡。 2.2. 明渠的横

6、断面（明渠的横断面（Cross SectionCross Section）：）： 垂直于渠底（渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线）垂直于渠底（渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线）的横截面，构成明渠的横断面的横截面，构成明渠的横断面 。 梯形梯形 （TrapeziumTrapezium）：常用的断面形状）：常用的断面形状 矩形（矩形（RectangleRectangle） ：用于小型灌溉渠道当中：用于小型灌溉渠道当中 圆形（圆形（CircleCircle） ：为水力最优断面，常用于城市：为水力最优断面，常用于城市 的排水系统中的排水系统中 复式（复式（Compound SectionComp

7、ound Section） ：常用于丰、枯水量：常用于丰、枯水量 悬殊的渠道中悬殊的渠道中 过水断面（过水断面（Cross SectionCross Section）：）： 渠道的轮廓与水面轮廓构成，并垂直于流向渠道的轮廓与水面轮廓构成，并垂直于流向的断面的断面 。 过水断面的几何要素过水断面的几何要素(以梯形为例以梯形为例)(1) 水深水深 h：过水断面上渠底最低点到水面的距离过水断面上渠底最低点到水面的距离6coshhh (2)、 b底宽底宽 B水面宽水面宽;(3) 边坡系数边坡系数 m 边坡倾角的余切边坡倾角的余切 m=ctan m越大，边坡越缓；越大，边坡越缓；m越小，边坡越陡；越小，

8、边坡越陡； m=0 时是矩形断面。时是矩形断面。 m根据边坡岩土性质及设计范围来选定根据边坡岩土性质及设计范围来选定mhbB2 212)(mhbhmbhAR212mhb (4) (4) A A过水断面面积过水断面面积; ; (5)(5) 过水断面湿周过水断面湿周; ; (6) (6) R R水力半径水力半径. . hmhbA)( 212mhb212mhb )(hAA ),(shAA 棱柱形渠道与非棱柱形渠道棱柱形渠道与非棱柱形渠道反之，反之，非棱柱形渠道非棱柱形渠道non-prismatic channelnon-prismatic channel棱柱形渠道棱柱形渠道prismatic cha

9、nnelprismatic channel ：横断面形状横断面形状和尺寸沿水流方向不变，底坡为常数的长直明和尺寸沿水流方向不变，底坡为常数的长直明渠。渠。)(hAA 过水断面面积 7.2 明渠均匀流的特性及其产生条件明渠均匀流的特性及其产生条件7.2.17.2.1、明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 恒定流恒定流：明渠中的水流运动要素不随时间而变。：明渠中的水流运动要素不随时间而变。 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流：明渠恒定流中，如果流线是一簇：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沿程平行直线，水深、断面平均流速及流速分布沿程不变。不变。 7.2.27.2.2、明渠均匀流

10、的水力特性、明渠均匀流的水力特性 （均匀流对应点的速度大小方向相等，断面平均（均匀流对应点的速度大小方向相等，断面平均流速也相等，流线平行，水面渠底面都是流线）流速也相等，流线平行，水面渠底面都是流线）1 1 断面平均流速沿程不变。断面平均流速沿程不变。2 2 水深沿程不变，过水断面的形状和尺寸沿程不变。水深沿程不变，过水断面的形状和尺寸沿程不变。3 3 总水头线、测压管水头线和底坡三线互相平行。总水头线、测压管水头线和底坡三线互相平行。 pJiJ fFGsin7.2.37.2.3、明渠恒定均匀流形成的条件、明渠恒定均匀流形成的条件明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平明渠均匀流中摩阻

11、力与水流重力在流动方向的分力平衡。衡。 设想在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCDABCD进行分析，则作用于流段上所有外力在流动方向的分量必须相互平衡，即：fFGsin 因F FPIPI=F=FP2 P2 。上式表明明渠均匀流中摩阻力Ff f与水流重力在流动方向上的分力相平衡。 0sin21fppFFGF _ Hydraulicradiusforwidechannels _ 1、流量不变，保证无分支均匀流的基本条件必须改变。保证对应点流速大小方向沿程不变 2、正坡，底坡不变重力分力与阻力相平衡（正坡）；底坡变化，出现折点，流线偏折，与均匀流流线平行矛盾。无法保证对应点流速大小方向沿程

12、不变3、棱柱体渠道，各断面形状尺寸不变。流量不变，保证断面平均流速不变。保证对应点流速大小方向沿程不变4、长直，无水工建筑物。如弯曲流线将弯，非均匀流。有水工建筑物阻碍，非均匀流。 7.3 7.3 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算7.3.1 计算公式计算公式iJ iKRiCAQRiCViKiRACQiRCVhh0000000, 3/202/13/502/13/2003/202/13/202/13/2011niAiRAnQniAiRnV明渠均匀流明渠均匀流则则引入正常水深引入正常水深或或7.3.27.3.2、 明渠均匀流的基本水力计算明渠均匀流的基本水力计算讨论讨论1）、粗糙率系数）、粗

13、糙率系数n: a、粗糙率系数、粗糙率系数n取大，流量取大，流量Q偏小、土方量不偏小、土方量不 足，足， 需返工。需返工。 b、粗糙率系数、粗糙率系数n取小，流量取小，流量Q偏大、土方量过大，偏大、土方量过大， 浪费人力、物力。浪费人力、物力。),(0bhminfQ nQ13/202/13/50niAQ 2） 底坡底坡i 由地形、地质条件定由地形、地质条件定a、 渠道底坡渠道底坡i大，大， 陡、流速大，挟沙，要防冲刷陡、流速大，挟沙，要防冲刷b 、渠道底坡、渠道底坡i小，小， 缓、流速小，防淤积缓、流速小，防淤积),(0bhminfQ 计算类型计算类型试算法：试算法：图解法：图解法：连同边坡系数连同边坡系数m，查表得，查表得 ho/b边坡系数边坡系数m=1.0，查表，查表1. 1. 水力最佳断面水力最佳断面7.3.37.3.3、 明渠均匀流的水力计算的其它问题明渠均匀流的水力计算的其它问题2012mhb00mhhAb200012mhmhhA0minhbg hb0之比为最佳宽深比与时，因为因为则则22000012)(mmhhmhbdhd200122mmhbdhd020202hbdhd220012m