水力学课件第6章

第六章明渠恒定流与堰流具有自由表面水流的渠道称为明渠。1§6-1

渠道及明渠流的分类一.明渠的分类：1.明渠的横断面：①.天然河道断面形状：多为“V”形、“U”形或复式断面。②.人工渠道断面形状：有梯形、矩形、圆形及复式断面。2底宽b、水深h、边坡系数m=cot

。③.梯形断面的水力要素：32.棱柱形渠道与非棱柱形渠道：非棱柱形渠道的特征：A=f(h,s)棱柱形渠道的特征：A=f(h)3.顺坡、平坡和逆坡渠道：渠道底坡：断面形状和尺寸沿程不变的长直渠道称为棱柱形渠道。4顺坡渠道i>o；平坡渠道i=0；逆坡渠道i<0。对于土渠，一般底坡都很小，亦很小，有：二.明渠水流的分类：明渠水流亦分为恒定流与非恒定流；在恒定流中也有均匀流与非均匀流之分；在恒定非均匀流中也存在着渐变流与急变流。5§6-2明渠均匀流一.明渠均匀流的特征及其发生条件：1.明渠均匀流的特征：③.水力坡度J、水面坡度Jp和渠道底坡i彼此相等。即：J=Jp=i。①.等速流动（断面平均流速沿程不变，断面流速分布沿程不变）。②.等深流动（水深h沿程不变）。62.明渠均匀流的发生条件：

明渠均匀流只能发生在i、n和Q都不变的长直的棱柱形顺坡渠道中，且渠道上没有修建任何水工建筑物。实际工程中，可将长直的渠道、运河及没有障碍的天然顺直河段中的流动近似看成明渠均匀流。7二.明渠均匀流的基本公式：正常水深(h0)：发生明渠均匀流时，渠中的水深称为正常水深。明渠均匀流的基本公式，即谢才公式：C：谢才系数；R：水力半径；J：水力坡度。事实上谢才公式与达西公式一致。8谢才系数C一般由曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式确定。92.巴甫洛夫斯基公式（经验公式）：上式中：n为粗糙系数，它取决于渠道边壁的粗糙情况，一般由实验确定，可参见表6-1取值。1.曼宁公式（经验公式）：10三.渠道的允许流速：渠道的断面平均流速应满足下述条件：由于谢才系数C在曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式中都与雷诺数Re无关,故曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式都是仅适用于紊流粗糙区的。而工程中的明渠流动一般都在紊流粗糙区，所以谢才公式被广泛采用。11§6-3梯形断面渠道均匀流的水力计算一.水力最优断面：当i、n、A大小一定时,能使流量Q最大的断面形状称为水力最优断面。

基本公式：故：显然：当i、n、A大小一定时,要使流量Q最大，则湿周

应最小。12管道断面通常为圆形，明渠断面应为半圆形？半圆形渠道只适用于钢筋混凝土渠道，土渠一般采用梯形断面。从理论上看，可取接近于半圆的半个圆内接正六边形。

这对于大多数土壤，会造成滑坡。实际情况应根据土壤或护面材料的性质确定m后，再来确定梯形断面的水力最优条件。13二.梯形断面水力最优条件：1.梯形断面基本水力要素：水深h,底宽b,边坡系数m。142.分析梯形断面的水力最优条件：153.矩形断面的水力最优条件：矩形可看成是m=0的梯形，这时：16三.梯形断面的水力计算：对于梯形断面的明渠均匀流，有：1.校核渠道的输水能力：这类问题，一般已知：m、b、h0、i、n，要求Q。可直接代入明渠均匀流的基本公式求解。2.决定渠道底坡：这类问题，一般已知：m、b、h0、n及Q，要求i。亦可直接利用明渠均匀流的基本公式求解。173.设计渠道的断面尺寸：这类问题，一般已知：m、i、n及Q，要求b和h0。①.已知b，求h0：可用牛顿迭代法求解。18方程f(x)=0可用牛顿迭代法求解，迭代式为：②.已知h0，求b：方法同①，令x=b即可。19③.给定宽深比=b/h0，要求相应的b和h0：

(1),(2)联立求解可得出b和h0。