水力学系统讲义第七章(3)-明渠恒定流

第七七章章明明渠渠恒恒定定流流§7-5棱柱柱形形渠渠道道中中渐渐变变流流水水面面曲曲线线的的定性性分分析析§7-6明渠渠渐渐变变流流水水面面曲曲线线的的定定量量计计算算§7-5棱柱柱形形渠渠道道中中渐渐变变流流水水面面曲曲线线的的定定性性分分析析水面面曲曲线线定定性性分分析析的的理理论论基基础础:明渠渠恒恒定定渐渐变变流流的的基基本本微微分分方方程程对于于正正底底坡坡渠渠道道i>0对于于平平底底坡坡渠渠道道i=0对于于反反底底坡坡渠渠道道i<0dh/ds取不不同同值值时时的的几几何何意意义义dh/ds>0时，，水水深深沿沿程程增增加加，，产产生生雍雍水水曲曲线线;dh/ds<0时，，水水深深沿沿程程减减少少，产生生降降水水曲曲线线;dh/ds→→0时，，水水深深趋趋于于正正常常水水深深，，即即水水面面线线与与均均匀匀流流水水面面线线渐渐近近相相切切;dh/ds→+∞∞时，，水水深深突突然然增增大大，，即即渠渠中中产产生生水水跃跃;dh/ds→-∞∞时，，水水深深突突然然减减小小，即渠渠中中产产生生水水跌跌;dh/ds→→i时，，水水面面线线与与水水平平线线渐渐近近相相切切。。正底底坡坡棱棱柱柱形形渠渠道道,水深深沿沿程程变变化化的的影影响响因因素素对于于一一定定底底坡坡的的棱棱柱柱形形渠渠道道，，水水深深沿沿程程的的变变化化规规律律与与h0与h之比比，，临临界界水水深深hcr与h之比比有有关关。。①N-N线：：以以正正常常水水深深h0绘出出的的均均匀匀流流水水面面线线。。②K-K线：：以以临临界界水水深深hk绘出出的的水水面面线线。。N-N线与与K-K线以以上上的的区区域域为为a区；；水面面曲曲线线的的分分区区N-N线与与K-K线之之间间的的区区域域为为b区；；N-N线与与K-K线以以下下的的区区域域为为c区。。不同同底底坡坡渠渠道道的的分分区区正底底坡坡i>0平底底坡坡i=0反底底坡坡i<0缓坡坡、、陡陡坡坡和和临临界界坡坡能发发生生均均匀匀流流不能能发发生生均均匀匀流流不能能发发生生均均匀匀流流既有有N-N线也也有有K-K线，，除除临临界界坡坡外外均均有有三三个个分分区区没有有N-N线有有K-K线，，有有两两个个分分区区不同同水水面面曲曲线线依依次次加加脚脚标标1、2、3、0、`以示示区区别别。。定性性分分析析水水面面曲曲线线根据据已已知知水水深深h在具具体体渠渠道道中中所所处处的的区区，，确确定定水水面面曲曲线线的的类类型型；；指出出dh/ds的极极限限情情况况，，即即水水面面曲曲线线两两端端的的变变化化趋趋势势。。壅水水曲曲线线还还是是降降水水曲曲线线，，是是哪哪种种类类型型的的壅壅水水曲曲线线和和哪哪种种类类型型的的降降水水曲曲线线；；缓坡坡(i<icr)上a区的的水水面面曲曲线线a1型壅壅水水曲曲线线在上游游水面面线线与与N-N线渐渐近近相相切切在下游游水面面线线与与水水平平线线渐渐近近相相切切缓坡坡(i<icr)上a区的的水水面面曲曲线线两两端端变变化化趋趋势势b1型降水水曲曲线线缓坡坡(i<icr)上b区的的水水面面曲曲线线在上游游水面面线线与与N-N线渐渐近近相相切切在下游游水面面线线产产生生水水跌跌缓坡坡(i<icr)上b区的的水水面面曲曲线线两两端端变变化化趋趋势势c1型壅水水曲曲线线缓坡坡(i<icr)上c区的的水水面面曲曲线线在上游游，，始始于于某某一一控控制制水水深深。。在下游游水面面线线产产生生水水跃跃缓坡坡(i<icr)上c区的的水水面面曲曲线线两两端端变变化化趋趋势势a2型壅壅水水曲曲线线陡坡坡(i>icr)上a区的的水水面面曲曲线线在上游游产生生水水跃跃在下游游水面面线线与与水水平平线线渐渐近近相相切切陡坡坡(i>icr)上a区的的水水面面曲曲线线两两端端的的变变化化趋趋势势b2型降降水水曲曲线线陡坡坡(i>icr)上b区的的水水面面曲曲线线在上游游产生生水水跌跌在下游游与N-N线渐渐近近相相切切陡坡坡(i>icr)上b区的的水水面面曲曲线线两两端端的的变变化化趋趋势势c2型壅壅水水曲曲线线陡坡坡(i>icr)上c区的的水水面面曲曲线线在上游游，，始始于于某某一一控控制制水水深深。。在下游游与N-N线渐渐近近相相切切陡坡坡(i>icr)上c区的的水水面面曲曲线线两两端端的的变变化化趋趋势势临界界底底坡坡(i=icr)上的的水水面面曲曲线线N-N线与与K-K线重重合合，，即即没没有有b区，，只只有有a区和和c区，，也也即即只只有有a3型和和c3型水水面面曲曲线线。。a3型曲曲线线的的变变化化规规律律介介于于a1和a2之间间，，c3型曲曲线线的的变变化化规规律律介介于于c1和c2之间间，，即即a3和c3曲线线只只能能是是两两条条水水平平线线。。平底底坡坡(i=0)上的的水水面面曲曲线线不存存在在正正常常水水深深h0，即没没有有N-N线，，不不存存在在a区，，只只存存在在b区和和c区，，故故只能能产产生生b0和c0水面面曲曲线线。水深深在在b区b0型降降水水曲曲线线在上游游在下游游产生生水水跌跌平底底坡坡(i=0)上的的水水面面曲曲线线水深深在在c区c0型壅壅水水曲曲线线在下游游产生生水水跃跃在上游游，，始始于于某某一一控控制制水水深深。。反底底坡坡(i<0)上的的水水面面曲曲线线水深深在在b区b`型降降水水曲曲线线在上游游在下游游产生生水水跌跌反底底坡坡(i<0)上的的水水面面曲曲线线水深深在在c区c`型壅壅水水曲曲线线在下游游产生生水水跃跃在上游游，，始始于于某某一一控控制制水水深深。。水面面曲曲线线的的基基本本变变化化规规律律a、c区的的水水面面曲曲线线恒恒为为壅壅水水曲曲线线;a区一定定是是缓缓流流，，c区一一定定是是急急流流;b区的的水水面面曲曲线线恒恒为为降降水水曲曲线线;只有有陡陡坡坡（（i>icr）上的的b区是是急急流流，，其其余余底底坡坡的的b区是是缓缓流流;与N-N相邻邻的的水水面面线线，，都都与与N-N线渐渐近近;与K-K相邻邻的的水水面面线线，，都都趋趋向向与与K-K线正正交交;在i>0的三三种种底底坡坡上上，，可可发发生生均均匀匀流流，，也也可可发发生生非非均均匀匀流流;①发生生在缓坡坡上的均均匀流，，必为缓缓流均匀匀流；②发生生在陡坡坡上的均均匀流，，必为急急流均匀匀流；③发生生在临界界坡上的的均匀流流，必为为临界均均匀流。。在i≤0的底坡上上，不能能发生均均匀流，，但可发发生缓流流，也能能发生急急流。由断面比比能解释释水面曲曲线的变变化规律律以横断面面最低点点的水平平面为基基准面时时，压能能与动能能之和就就是断面面比能；；均匀流特特点：断断面比能能沿程不不变。均匀流时时，渠底底高程的的降低值值等于沿沿程水头头损失a区的水面面曲线恒恒为壅水水曲线a区的水深深大于均均匀流水水深，流流速小于于均匀流流流速，，所以流流动中的的沿程水水头损失失小于均均匀流时时的沿程程水头损损失断面比能能沿程增增加a区的流动动是缓流流，断面面比能增增加对应应着水深深增加，，于是形形成壅水水曲线。。c区的水面面曲线恒恒为壅水水曲线c区的水深深小于均均匀流水水深，流流速大于于均匀流流流速，，所以流流动中的的沿程水水头损失失大于均均匀流时时的沿程程水头损损失断面比能能沿程减减小c区的流动动是急流流，：断断面比能能减小对对应着水水深增加加，于是是形成壅壅水曲线线。水面曲线线的衔接接由缓流向向急流过过渡时产产生水跌跌由上渠的的均匀流流水深h01过渡到下下渠的均均匀流水水深h02水面曲线线总的变变化趋势势是降水水。关键是确确定连接接断面M-M处的水深深。由急流向向缓流过过渡时产产生水跃跃由上渠的的均匀流流水深h01过渡到下下渠的均均匀流水水深h02水面曲线线总的变变化趋势势是壅水水，由急急流向缓缓流过渡渡还要产产生水跃跃。关键问题是在在上渠中中壅水还还是在下下渠中壅壅水。取取决于水水跃发生生的位置置，水跃跃发生的的位置取取决于的的共共扼水深深与与之之间的对对比关系系。在下渠的的c区将产生生远驱式式水跃，，水跃前前有一c1壅水曲线线，跃后后断面的的水深为为h02，其后为均均匀流，，整个上上渠为均均匀流。。在上渠中中产生水水跃，跃跃前水深深为h01，水跃前为为均匀流流，水跃跃后有一一a2壅水曲线线，整个个下渠为为均匀流流。水跃就发发生在M-M断面处。。由缓流向向缓流过过渡时只只影响上上游，下下游为均均匀流。。壅水曲线线，关键键是在上上渠壅水水还是在在下渠壅壅水，还还是两渠渠中均壅壅水，取取决于M-M断面处的的水深。。上渠中产产生a1壅水曲线线，下渠渠中为均均匀流。。由急流向向急流过过渡时只只影响下下游，上上游为均均匀流。。由水深h01过渡到h02时总的趋趋势是降降水。上渠中为为均匀流流，下渠渠中产生生b2降水曲线线。临界底坡坡渠道中中的流动动型态将将取决于于相邻渠渠道底坡坡的陡缓缓。如果上（（或下））游相邻邻渠道的的底坡是是缓坡，，则为由由缓流过过渡到缓缓流，如如果上（（或下））游相邻邻渠道的的底坡是是陡坡，，则为由由急流过过渡到急急流。平底坡和和反底坡坡渠道可可视为缓缓坡渠道道，水库库中的流流动可视视为缓流流。一平底坡坡与缓坡坡连接的的渠道。。当上渠渠中的水水深大于于临界水水深时，，上渠中中只能发发生b0降水曲线线，且在在M-M断面的衔衔接水深深只能是是h02，下渠中为为均匀流流。定性分