水力学系统讲义第七章(1)-明渠恒定流

第七七章章明明渠渠恒恒定定流流§7-1明渠渠均均匀匀流流§7-2明渠渠恒恒定定流流的的流流动动类类型型及及其其判判别别§7-3水跌跌与与水水跃跃§7-1明渠渠均均匀匀流流明渠渠流流：水水面面与与大大气气接接触触的的渠渠槽槽中中的的水水流流运运动动称称为为明明渠渠水水流流。。特点点：：具具有有自自由由表表面面。。自自由由表表面面上上受受大大气气压压作作用用，，相相对对压压强强为为零零，，又又称称为为无无压压流流。。水在在渠渠道道、、无无压压管管道道以以及及江江河河中中的的流流动动都都是是明明渠渠流流动动。7.1.1基本本概概念念均匀匀流流与与非非均均匀匀流流过水水断断面面形形状状、、尺尺寸寸以以及及过过水水断断面面上上的的流流速速分分布布沿沿程程不不变变且且流流线线为为平平行行直直线线的的流流动动称称为为明渠渠均均匀匀流流动动，否否则则为为非均均匀匀流流动动。在明明渠渠非非均均匀匀流流中中，，根根据据水水流流过过水水断断面面的的面面积积和和流流速速沿沿程程变变化化的的程程度度，，分分为为渐变变流流动动和急变变流流动动。底坡坡渠底底与与水水平平面面夹夹角角的的正正弦弦，，或或者者沿沿渠渠底底单单位位距距离离上上渠渠底底高高程程的的降降低低或或升升高高值值称称为为底底坡坡，，记记为为i。明渠渠的的分分类类（1）顺底底坡坡、、平平底底坡坡与与反反底底坡坡顺底底坡坡：：渠渠底底沿沿程程降降低低的的底底坡坡，，i＞0；平底底坡坡：：渠渠底底水水平平的的底底坡坡，，i＝0;反底底坡坡：：渠渠底底沿沿程程上上升升的的底底坡坡，，i<0.规则则断断面面有有矩矩形形、、梯梯形形、、U形和和圆圆形形断断面面等等，，其其断断面面形形状状及及几几何何要要素素见见表表7.1.1。非非规规则则断断面面如如天天然然河河道道的的断断面面。。（2）规则则断断面面和和非非规规则则断断面面（3）棱柱柱形形渠渠道道与与非非棱棱柱柱形形渠渠道道断面面形形状状、、尺尺寸寸和和底底坡坡沿沿程程不不变变的的渠渠道道称称为为棱棱柱柱形形渠渠道道，，上上述述三三者者之之一一沿沿程程变变化化的的渠渠道道称称为为非非棱棱柱柱形形渠渠道道。。明渠均匀匀流的特特点1.总能线、、测压管管水头线线及底坡坡线三者者平行；；2.作用在水水流上的的重力在在流动方方向上的的分量与与明槽壁壁面上的的摩擦力力相等；；3．渠底高程程的降低低值等于于沿程水水头损失失。均匀流运运动的能能源来自自渠底高高程的降降低,平底坡和反底底坡渠道中不不能产生均匀匀流。明渠均匀流产产生的条件1.沿程流量不变变的恒定流；；2.棱柱形、正底底坡、渠中无无建筑物的长长渠道中；3.沿程粗糙系数数n不变。明渠均匀流的的基本公式谢才公式曼宁公式水力最佳断面面指在流量、底底坡、粗糙系系数已知时，，要求设计的的过水断面具具有最小的面面积；或者说，在过过水断面面积积、底坡和粗粗糙系数等已已知时，能使使渠道通过的的流量为最大大，这种断面面就是水力最最佳断面。当渠床的粗糙糙系数n、底坡i及过水断面积积A一定时，湿周周χ愈小流量Q愈大。梯形断面的水水力最佳断面面水力最佳断面面的条件：过过水断面面积积A为常数和湿周周χ最小。梯形断面水力力最佳断面的的宽深比取边坡系数m＝0，得最佳矩形断断面的宽深比比一般只适用于于流量或水深深较小的渠道道。实际设计除了了考虑水力最最佳条件以外外，还要综合合考虑经济等等其它方面的的多种因素。。均匀流的解法法1.直接解法（1）当其他量已已知，求流量量或底坡或粗粗糙系数时，，可直接由均均匀流渠道中中的流量表达达式求解。（2）宽矩形断面面渠道求正常常水深h0。（3）当已知渠道道的宽深比时时，求渠中的的正常水深。。对梯形断面渠道道：2.试算法或图解解法（1）当已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b）时，由于此时时需要求解关关于h0和b的非线性方程程，不能直接接求解，只能能采用试算法法，或者应用用附图Ⅰ的图解曲线求求解。（2）当已知宽深深比β=b/h0或者最佳宽深深比βm，可以用附图Ⅰ图解曲线求解解。3.联解（1）当限制渠中中流速v和水深h0（或b）求底坡i和底宽b（或h0）时；（2）当限制渠中中流速v和底坡i求水深h0和底宽b时。7.1.3渠道设计中的的若干问题1.渠道设计中的的典型问题（1）已知底坡、过水断面参数数（包括形状状、尺寸）及及渠底材料等等，求该渠道道可能通过的的流量大小；；（2）已知底坡、、渠床材料及及要求通过的的流量，求应应有的过水断断面参数；（3）已知要求通通过的流量、、过水断面参参数及渠底材材料，要求确确定底坡。2.边坡系数与底底坡的确定渠道的边坡系系数由渠床土土壤的性质确确定。水力学角度认认为底坡应该该尽量小，这这样沿程水头头损失小。施工角度要求求底坡尽量与与地形坡度一一致，这样易易于使挖方与与填方平衡，，降低施工造造价。一般而言山区区渠道和排水水渠道的底坡坡陡些，而平平原渠道和灌灌溉渠道的底底坡缓些。一一般土渠的底底坡变化范围围大约为i＝0.0001～0.001。3.不冲不淤流速速—允许流速渠道中的设计计流速为v，不淤允许流速速为v``，不冲允许流速速v`为，则要求设设计流速应该该满足不淤允许流速速查表7.1.4由表中查得的的流速需乘以系系数k不冲允许流速速v`4.综合粗糙系数数渠道断面由三三种护面组成成：混凝土，，光滑岩面和和粗糙岩面。。设它们的粗粗糙系数和湿湿周分别为n1，χ1；n2，χ2；n3，χ3，则整个断面的的综合粗糙系系数按下面计计算5.复式断面由折线边坡组组成的过水断断面称为复式式断面，由主主河槽与滩地地组成。特点：主河槽槽的水力半径径大、粗糙系系数小，而滩滩地的水力半半径小，粗糙糙系数大。7.1.4圆形断面内的的无压均匀流流圆管中的流动动具有自由表表面，表面压压强为大气压压强时，当管管路为坡度沿沿程不变的直直线管路时，，管路内的流流动就是无压压均匀流。过水断面面积积湿周水力半径水面宽度管中最大流量量和最大流速速并不发生在在满管时。例7.1.1有一浆砌石护护面的梯形断断面渠道,边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.025,底坡i=0.0004,底宽b=5m,渠中通过的流流量Q=8m3/s,该渠道的不冲冲允许流速v`=3m/s,试求:（1）渠道中的正正常水深h0;（2）该渠道是否满满足不冲不淤淤条件。（1）正常水深h0的计算a.试算法b.图解法利用附图I进行图解。然后由横坐标标轴7.35处向上作垂线线交m=1.5直线上于一点点,再由此点向左左引水平线与与坐标轴的交交点即为所求求。(2)不冲不淤检查查该渠道满足不不冲不淤条件件。例7.1.2欲修一混凝土土护面的梯形形断面渠道,已知底坡i=0.001,边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.017,要求渠道中通通过的流量Q=5m3/s,试按水力最佳佳断面设计此此渠道的断面面尺寸。(1)正常求解(2)用附图I求解例7.1.3有一圆形混凝凝土污水管，，已知底坡i＝0.005，粗糙系数n=0.014，充满度α=0.75时流量Q=0.25m3/s，试求：该管的的管径d。§7-2明渠恒定流的的流动类型及及其判别明渠均匀流产产生的条件1.沿程流量不变变的恒定流；；2.棱柱形、正底底坡、渠中无无建筑物的长长渠道中；3.沿程粗糙系数数n不变。非均匀流产生生的原因（1）渠道的断面面形状、尺寸寸、粗糙系数数及底坡i沿程有变化；；（2）渠道较短或或者渠中有水水工建筑物存存在。明渠非均匀流流的特点（1）水深h和断面平均流流速v沿程变化；（2）流线间互相相不平行；（3）水力坡度线线、测压管水水头线和底坡坡线彼此间不不平行。研究非均匀流流的主要任务务（1）定性分析水水面曲线；（2）定量计算水水面曲线。明渠恒定流的的三种流动类类型缓流急流临界流缓流的特点：缓流中水深深较大，流速速较小，干扰扰波既能向上上游传播也能能向下游传播播。急流的特点：急流中水深深较浅，流速速较大，急流流渠道中干扰扰波只能向下下游传播。波速c的计算公式假设一平底坡坡棱柱形渠道道，渠内静水水深为h，水面宽为B，过流断面面积积为A，如用直立薄板板向左拨动一一下，使水面面产生一个波波高为△h的微波，以速速度c传播。流动类型的判判别波速法弗劳德（W.Froude）数法断面比能法水深法底坡法1.波速法波速法是通过过渠中的断面面平均速度v与干扰波在静静水中的传播播速度c对比来确定流流动类型。一般断面渠道道静水中波速速c为2.弗劳德（W.Froude）数法通过渠中的断断面平均速度度v与干扰波在静静水中的传播播速度c之比来确定流流动类型。弗劳德数流动类型的判判别3.断面比能法单位重量水体体相对于过水水断面最低点点处的水平面面的总能量定定义为断面比比能，也称为为断面单位能能量，记为Es。断面比能断面比能函数数的特点当流量、断面面形状及尺寸寸一定时，断断面比能Es只是水深h的函数当h→0时A→0，于是Es→∞，即断面比能能函数曲线与与水平轴渐近近相切；当h→∞时A→∞，于是Es→h，即断面比能曲曲线与过坐标标原点的45°线渐近相切。。断面比能函数数曲线临界水深4.水深法临界水深时对对应的断面比比能最小临界方程临界方程的求求解（1）对于一般断断面形状的渠渠道可以通过过试算法求得得临界水深。。（2）矩形、梯形形及圆形断面面明渠中的临临界水深可以以用附图Ⅱ的图解曲线求求解。（3）对于矩形断断面5.底坡法在流量、断面面形状及尺寸寸一定的棱柱柱形渠道中，，均匀流水深深恰巧等于临临界水深时的的渠底坡度定定义为临界坡坡度，记为icr。将正常水深h0满足的均匀流流方程和hcr满足的临界方方程联立求解解就可以得到到临界坡度。。临界坡度（1）当渠道实际际的坡度小于于某