水利基础分析计算 4

模块3

输水建筑物水力计算学习情境描述明渠是地球上最为生动、最富有创造力的生命纽带，川流不息的水流系统成就了人类文明和自然界万物生灵的繁茂。长江黄河学习情境描述

长江是中华民族的母亲河，全长6363km，是中国第一大天然河，也是亚洲最长的河流，世界第三大河。长江经济带是“一带一路”的主要交汇地带。长江经济带覆盖11个省市，约占1/5国土面积，聚集的人口占全国40％以上。经济的快速增长、流域的大规模开发，造成局部水环境质量降低、水生态系统受损、水土流失加剧、重要湿地萎缩，环境污染风险加大。

2016年1月5日，习近平总书记在重庆召开的推动长江经济带发展座谈会上，全面深刻阐述了推动长江经济带发展的重大战略思想，提出实施长江经济带发展战略。当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发。学习情境描述

明渠水流的运动是在重力作用下形成的。在流动过程中，自由水面不受固体边界的约束（这一点与管流不同），因此，在明渠中如有干扰出现，例如，底坡的改变、断面尺寸的改变、粗糙系数的变化等，都会引起自由水面的位置升降，即水面随时空变化，这就导致了运动要素发生变化，使得明渠水流呈现出比较多的变化。在一定流量下，由于上下游控制条件的不同，同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。正因为明渠水流的上边界不固定，故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。明渠恒定均匀流的水力计算任务1任务2明渠恒定非均匀流的水力计算学习指导（1）明确明渠水流的特点，会根据发生条件判断明渠恒定均匀流。（2）会进行明渠恒定均匀流各参数的水力计算。（3）掌握明渠恒定均匀流三种流态的判定方法。（4）了解水跌和水跃的概念，会计算水跃长度和能量损失。（5）掌握各种坡度的概念，会判断水面线类型，计算水面曲线。任务1

明渠恒定均匀流的水力计算

3.1.1任务导入

京杭大运河，沿用隋大运河改道并裁弯取直，是世界上里程最长、工程最大的古代运河，也是最古老的运河之一，与长城、坎儿井并称为中国古代的三项伟大工程，并且使用至今，是中国古代劳动人民创造的一项伟大工程，是中国文化地位的象征之一。3.1.1任务导入

京杭大运河全长1794千米，是中国仅次于长江的第二条“黄金水道”，价值堪比长城。它是世界上开凿最早、长度最长的一条人工河道，长为苏伊士运河（190千米）的9倍，巴拿马运河（81.3千米）的22倍。大运河南起余杭（今杭州），北到涿郡（今北京），全程可分为七段：通惠河；北运河；南运河；鲁运河；中运河；里运河；江南运河。

京杭大运河从公元前486年始凿，距今已有2500多年的历史。大运河开掘于春秋时期，完成于隋朝，繁荣于唐宋，取直于元代，疏通于明清。漫长的岁月里，经历三次较大的兴修过程。最后一次的兴修完成才称作“京杭大运河”。3.1.1任务导入古代功能漕运：南粮北运、物资调配、经济命脉。防洪排涝：疏导洪水、减轻水患。灌溉：引水灌溉沿线农田。军事：运兵、运粮、巩固边防。2.现代功能（水利类重点）南水北调东线：大运河是输水主通道，年调水约15亿立方米。航运：山东济宁以南全年通航，年货运量3.5亿吨（煤炭、建材）。生态补水：2024年补水15.36亿立方米，改善水质、回补地下水。防洪排涝：承担沿线排涝、调洪任务。3.1.1任务导入习近平总书记在党的二十次全国代表大会上的报告中指出：中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。人与自然是生命共同体，无止境地向自然索取甚至破坏自然必然会遭到大自然的报复。我们坚持可持续发展，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，像保护眼睛一样保护自然和生态环境，坚定不移走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，实现中华民族永续发展。三四十年前，在大运河沿线，工厂废水、生活污水直排运河，搞得河水发黑发臭，河段遭受严重污染，受地理、气候等因素影响，有些河段几度干涸断流。这些年来，随着国家有关部门和运河沿线省市持续加大生态保护力度，干涸的河段重新过水，黑臭的河水逐渐变清。如今，岸绿、水美、人和、业兴的运河生态重现，使凝聚中华文明的大运河重获新生。3.1.1任务导入任务：2002年，原本只负责通航的京杭大运河被纳入了“南水北调”三线工程之一，成为中国南水北调东线工程的重要环节和通道，通过它长江下游的水得以送到北部缺水的山东和河北等地。水利部2023年3月启动京杭大运河全线贯通补水工作，在2022年京杭大运河实现百年来首次全线水流贯通基础上，进一步发挥南水北调东线工程综合效益，持续推进华北地区河湖生态环境复苏和地下水超采综合治理，助力大运河文化保护传承利用。如何计算京杭大运河的输水流量？3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析一、明渠和明渠水流

明渠是一种具有自由表面水流的渠道，明渠包括人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等。

明渠中流动的水流为明渠水流，具有自由水面。自由水面上各点绝对压强均等于大气压强，相对压强为零，所以明渠水流又称为无压流动。与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。天然河道、人工修建的渠道、无压隧洞及渡槽中的水流都属于明渠水流。3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析（一）明渠横断面及水力要素常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆形。边坡系数m：反映渠道两侧倾斜程度。水力半径：：断面面积：湿周天然河道的横断面常呈不规则形状。A3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析（二）明渠的底坡及分类明渠渠底线（即渠底与纵剖面的交线）上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡，用i表示。(a)正坡明渠(b)平坡明渠(c)逆坡明渠3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析二、明渠恒定均匀流（一）明渠恒定均匀流的概念明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流动和非恒定流动。明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。（二）明渠恒定均匀流的特点1、均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别是水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深。

2、过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。

3、总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Jp=i。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法一、明渠恒定均匀流的基本公式明渠均匀流流量公式式中C为谢才系数，可用曼宁公式计算单位为

为流量模数，单位为（m3/s），它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法二、渠槽中的允许流速

允许流速是为了保持渠道安全稳定运行,在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。

3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法三、水力最佳断面和实用经济断面

指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。对于明渠均匀流：

具有水力最佳断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R最大，即湿周χ最小的断面能通过最大的流量。

i，n，A给定时，湿周χ最小的断面是圆形断面，即圆管为水力最佳断面。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法1.梯形水力最佳断面的宽深比值为：

上式表明：梯形水力最佳断面的b/h值仅与边坡系数m有关