45-明渠水流和堰流课件

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一.明渠流动的基本概念bhm1B主槽滩地人工渠道天然河道

水面和大气直接接触的河渠、槽中的流动。1.明渠流动9明渠水流和堰流22.过水断面的形状bhm1B主槽滩地梯形断面天然河道非规则断面规则断面bh矩形断面圆形断面3

断面形状、尺寸及底坡沿程变化的渠道（一）明渠渠身形式分类非棱柱型渠道

断面形状、尺寸及底坡沿程不变的长、直渠道棱柱型渠道3.明渠的分类4流动分类恒定流非恒定流非均匀渐变流急变流均匀非均匀渐变急变均匀（很少）基础（二）5（三）底坡i分类渠底高程zb

沿程变化率i=sin=z/l,为渠底线与水平线夹角底坡i水深h断面实际水深hn，铅垂水深h=hn

/cos

在小底坡情况下，可以认为i=sin=tan,cos=1.0,因此过水断面可近似地取铅垂面，可用水平距离代替沿程长度；用铅垂水深代替实际水深。

明渠底一般是个斜面，在纵剖面上便成一条斜直线，斜线的坡度称渠道底坡i。铅垂水深hhn6反坡(逆坡)i<0平坡i=0正坡(顺坡)i>0底坡i分类渠底高程沿程升高渠底高程沿程降低渠底高程沿程不变7

断面平均流速v和水深h沿程不变。

特征：两个不变、三个相等、两个平衡4.明渠恒定均匀流的特征

水力坡度J（总水头线坡度）、水面坡度Jp（测压管水头线坡度）和渠道底坡i彼此相等。

均匀流的所有运动要素均沿程不变。

均匀流的流速沿程不变，故。

重力在流动方向上的分量和阻碍水流运动的摩擦力相平衡。

均匀流的水深沿程不变，故。8①恒定流②Q

沿程不变③为棱柱型渠④i

和n

沿程不变⑤i>05.明渠均匀流动的形成条件sh1122i>0hcoszb2zb1h’LOO

只有人工渠道才严格满足。9一.明渠均匀流的基本公式连续方程谢才公式基本公式流量流量模数谢才系数量纲

明渠均匀流一般属于紊流的阻力平方区。J=ii=1时渠道中通过的流量，与流量单位相同。9.1明渠均匀流10巴甫洛夫斯基公式谢才系数的确定曼宁公式当R>1m时,y1.3当R<1m时,y1.511

在明渠设计中，糙率

n的准确估值是非常重要的，天然河道中影响糙率n值的因素有：河床表面粗糙断面的不规则、平弯情况、滩地交叉、河道阻碍情况河堤沙坡影响随水深变化糙率

n的确定312糙率

n由实验定或查表求近似值。12

明渠均匀流的流量确定后，必有一个水深与之对应，称为正常水深h0

.只有这个水深才能使渠道发生均匀流。明渠均匀流的正常水深

对于足够长的正底坡渠道，只要断面形状、底坡、渠壁糙率沿程不变，水流总是有形成均匀流的趋势。解释A、R就是对应于h0时的过水断面积、水力半径。13水力最佳断面(besthydraulicsection)流量

过流断面的面积、糙率、底坡一定，通过的流量最大的断面形状。

水力最佳断面

明渠均匀流的过流能力取决于n、i及过水断面的形状、尺寸。

在设计渠道时，n取决于渠壁材料，i一般随地形条件定，故流量Q只取决于断面形状和大小。9.2明渠均匀流的最优断面和允许流速14最佳断面是圆：面积一定,周长最小面积A一定要求R

最大湿周

最小

面积、糙率、底坡一定，流量最大，要求k

最小。流量15

半圆的水力半径和圆的水力半径相同，所以明渠水力最佳断面是半圆。明渠水力最佳断面—半圆

梯形断面是渠道工程中常用的一种断面形式。当边坡系数选定以后，可确定满足水力最佳条件的宽深比m=（b/h)m梯形断面明渠满足水力最佳条件的宽深比

半圆形断面施工困难，工程中用的不多，在土壤开挖的渠道中，一般采用梯形断面。16bhmhm1矩形水力最佳断面：m=b/h=2面积:湿周:梯形断面最佳宽深比17说明

水力最佳断面只是从水力学角度出发导出的。在工程实践中还必须依据造价、施工技术、运转要求、养护条件等各方面情况进行综合考虑和比较，选出最经济合理的过水断面。有时还要考虑航运对水深和水面宽度等方面的要求；

对于小型渠道，其造价基本上由过水断面的土方量决定，其水力最佳断面和经济合理断面比较接近；对于大型渠道，若按照水力最佳条件设计，则渠道成为窄深式，施工不变，养护也困难。

实际设计时，水力最佳条件只是考虑因素之一。18不冲允许流速v:防止冲刷破坏

砂质粘土:1.0m/s

粘土:1.2m/s

草皮护坡:1.6m/s

干砌块石:2.0m/s不淤允许流速v:防止泥沙淤积雨水明渠0.4m/s雨水管道0.75m/s渠道允许流速0.4m<h<1.0m时2.渠道中的允许流速问题一般取v

0.5m/s19三.明渠均匀流水力计算的基本问题bhmhm1

校核已有渠道的输水能力（求流量Q）

确定渠道底坡i

设计新渠道（决定断面形状尺寸b、h）20bhmhm1流量面积湿周水力半径梯形断面的水力计算底宽b水深h边坡系数m基本要素或21Q(校核渠道输水能力)bhmhm1例

-1m,b,h,n,i已知求流量面积湿周水力半径22

i(设计渠槽的底坡)bhmhm1例

-2m,b,h,n,Q已知求流量面积湿周水力半径流量模数底坡23①恒定流②Q

沿程不变③为棱柱型渠道④i

和n

沿程不变⑤i>0

明渠均匀流动的形成条件

只有人工渠道才能严格满足。

实际工程中，经常需要在河渠上架桥、设涵洞、筑坝、建闸和设立跌水等，破坏均匀流的产生条件，形成非均匀流。9.3明渠流的两种流态与佛汝德系数24

断面平均流速v和水深h沿程变化。

明渠非均匀流的特征

水力坡度J（总水头线坡度）、水面坡度Jp（测压管水头线坡度）和渠道底坡i互不相等。

重力在流动方向上的分量和阻碍水流运动的摩擦力不相平衡。均匀流非均匀流25

由于明渠非均匀流的断面平均流速v和水深h沿程变化，所以水面线一般为曲线（称水面曲线）。

研究非均匀流就是定性分析、定量计算水面曲线。

如桥梁勘测设计时，为预计建桥后墩台对河流影响，需计算桥址附近的水位标高；河道上筑坝蓄水，为确定由于水位抬高造成的水库淹没范围，亦要进行水面曲线的计算。

为掌握流动状态的实质，定性分析、定量计算水面曲线之前，首先要确定明渠水流的流动类型及判别。26实验室中缓流现象急流现象

凭直觉，水流有缓、有急，Q一定，h大，v小，水流平缓；h小，v大，水流湍急。27

当渠道中有障碍物产生干扰时，干扰波只能向下游传播。急流

当渠道中有障碍物产生干扰时，干扰波既能向上游传播，又能向下游传播。缓流流动类型

下面介绍五种判别流动类型的方法。

缓流、急流中间存在不稳定的临界流。临界流28一.波速法

v：渠中水流断面平均流速；

c：静水中干扰波的传播速度。

连续方程能量方程矩形断面B：水面宽度；h：渠中平均水深。绝对速度“+”：顺流方向；“-”：逆流方向29绝对速度30二.弗劳德数法重力与惯性力的比值用代替l31三.断面比能法

水流的三种流动类型也可以从能量的角度进行分析判断。

总机械能断面比能：单位重量液体相对于过水断面最低点处水平面的总能量。

32当断面形状、尺寸、流量一定时，Es只是水深h的函数。

当h0，A0，Es，则断面比能曲线与水平轴渐近相切；

当h，A，Esh，则断面比能曲线与Es=h线渐近相切。

临界水深hcr3334四.水深法

关键是确定临界水深。

矩形断面渠道临界水深的计算公式

式中

hcr：临界水深；q：单宽流量。35五.底坡法

明渠中发生均匀流时的水深。正常水深h0

明渠中对应断面比能Es最小的水深。临界水深hcr

水流的正常水深刚好等于临界水深时的渠底坡度。临界底坡icr宽矩形断面渠道36

在一定流量下，若渠道实际坡度i<icr，则h0>

hcr

，此时渠道称缓坡渠道；若渠道实际坡度i=icr，则h0=

hcr

，渠道称临界坡度渠道；若渠道实际坡度i>icr，则h0<

hcr

，渠道称陡坡渠道。均匀流§9.4明渠恒定非均匀渐变流的微分方程9.4.1微分方程

在底坡为

i的明渠中，沿水流方向任取一微分段dS，以O-O为基准面，1-1和2-2断面的伯努利方程为

取，忽略局部水头损失，沿程损失近似采用均匀流公式，即令或化简式中，K、v、C、R采用流段上、下游断面的平均值。当时，，略去高阶项，得两边除以dS，化简得明渠恒定非均匀渐变流基本微分方程。因为对非棱柱体渠道，所以非棱柱体明渠非均匀渐变流微分方程：式中，。对于棱柱体渠道，，所以

由上式可知，水深沿程的变化规律与渠底的坡度i及实际水流的流态有关，应根据不同的底坡和不同的流态具体分析。

（9.17）式主要用于探讨棱柱体渠道水面线的变化规律。9.4.2水面曲线分析简介

1、分析依据

（1）明渠非均匀渐变流微分方程h-水深，S-流程，K-流量模数（2）不同流态明渠流的特性：Fr（3）不同明渠底坡的特性：i（4）研究范围：棱柱体明渠2、水面曲线分类v壅水曲线大坝θv平行底坡直线降水曲线v水跌跌坎3、分析工具（1）三种底坡：

正坡、平坡和逆坡

正坡：缓坡、陡坡和临界坡（2）两条控制线：正常水深控制线：N-N~h0

临界水深控制线：K-K~hk

（3）明渠流场的12个变化区间：不同底坡与控制线的组合

缓坡KKNNh0NNKK陡坡临界坡N（K）N（K）KK平坡逆坡KK正坡渠道（

i>0）4、明渠流的12种基本水面曲线（1）缓坡上的3种水面曲线缓坡：，代入（9.17）式，得c1hkh0b1KNa1NKc1hkh0b1KNa1NKa区：如果水面在a区，，分子为“+”；分母为“+”，所以水深沿程增加，产生壅水，水面线称为a1型水面线。c1hkh0b1KNa1NK曲线的上游端，，以N-N为渐近线；曲线的下游端，，下游端趋近于水平线。

综上分析，为a1型水面线是上游以N-N

线为渐近线，下游为水平线，形状下凹的壅水曲线。b区：如果水面在b区，为缓流。水深沿程减小，水面线称为b1型降水曲线。c1hkh0b1KNa1NK曲线的上游端，以N-N线为渐近线；曲线的下游端，曲线与K-K线正交，发生水跌现象。c1hkh0b1KNa1NKc区：如果水面在c区，为急流。

，水深沿程增加，水面线称为c1型水面线。

综上分析，为b1型水面线是上游以N-N

线为渐近线，下游发生水跌，形状上凸的降水曲线。c1hkh0b1KNa1NK曲线的上游端一般由来流的边界条件定；下游端，与K-K线正交，发生水跃。

综上分析，为c1型水面线是上游由出流条件控制，下游发生水跃，形状下凹的壅水曲线。a1型壅水曲线b1型降水曲线如左图所示

c1型壅水曲线如左图所示（2）陡坡上的3种水面曲线NKNK（hk>h0）陡坡水面线的型式及实例见下图（3）临界坡上的2种水面曲线（N）K（hk=h0）（N）K(4)平、逆坡上的4种水面曲线KKKK平、逆坡上的4种水面曲线及实例见下图①每个流区只可能出现一种水面线②a、c区均为壅水曲线，b

区均为降水曲线5、

水面线变化规律分析（1）分析原则③水面接近K-K线趋于正交，水面接近N-N线，趋于渐近④控制断面：急流在上游；缓流在下游⑤正坡长渠道远端为均匀流（2）水面线连接的规律①缓流向急流过渡：产生跌水②急流向缓流过渡：产生水跃③

缓流缓流只影响上游④

急流急流只影响下游⑤临界坡中,视相邻底坡确定流态例1缓坡连接缓坡，（i1>i2）N1KKN2例2

陡坡连接缓坡:KK例3

缓坡连接陡坡:N1N1N2N2KKb1b2h01h02例4闸孔出流。HLKNK69

流量一定，缓坡渠道中的均匀流一定是缓流，陡坡渠道中的均匀流一定是急流。

在流态转变处，即从缓流到急流或从急流到缓流的过渡处，水面变化剧烈（较大），属于急变流。

急变流的特征：流线弯曲显著；曲率较大；过水断面上压强分布不符合静水压强分布规律。

目前对于急变流的研究在理论上不如渐变流成熟，也无统一的分析方法，一般都是采用动量方程从分析整体运动入手，由实验求得经验、半经验公式确定系数，以满足工程要求。9.6水跃与跌水70一.水跌（跌水）

水流从缓流向急流过渡的局部水力现象，称水跌（跌水）。

水流从缓流向急流过渡将经过临界水深，并且产生水面降落。

由缓坡接陡坡的渠道，缓坡渠道末端有跌坎，以及水库出口接陡坡渠道等一般都将产生水跌现象。71

由缓坡接陡坡的渠道

缓坡渠道末端有跌坎

水库出口接陡坡渠道72自然水跌现象实验水跌现象73二.水跃

水流从急流向缓流过渡时发生的水面突然跃起的局部水力现象，称水跃。

溢流坝泄流形成水跃现象

闸下出流形成水跃现象74

发生水跃过程中，水流内部产生强烈的摩擦、掺混作用，消耗大量机械能，因此水跃是非常有效的消能工。跃前断面：A1跃后断面：A2A1A2h´h´´跃前水深：h跃后水深：hlj共轭水深：h、h跃高：a=h-h跃长lj：跃前、跃后断面的水平距离75水跃的类型

按照水跃发生位置或ht与hc

的对比关系分远驱式水跃临界式水跃淹没式水跃76远驱式水跃临界式水跃淹没式水跃水跃发展过程77一、堰流

为了泄水或引水等目的，常在