第8章明渠恒定流

1、第八章 明渠恒定流,第八章 明渠恒定流 概述 明渠:人工修建的渠道或天然形成的河道。 特征:明渠流具有自由表面,又称无压流。 恒定均匀流 非恒定均匀流 恒定非均匀流 非恒定非均匀流(专题） 本章:明渠恒定均匀流 研究内容: 明渠水流特征、 明渠输水能力的计算、 明渠设计 应用：排水渠道、排水管道。,8.1 明渠的类型 1.按纵向几何条件划分: 棱柱型渠道: 断面形状、尺寸、底坡沿程不变的渠道。 非棱柱型渠道: 断面形状沿程改变，断面尺寸改变，或底坡沿程改变的渠道。,2.按底坡的变化划分 底坡 , 土渠,一般底坡很小（ ）,所以 (1)顺坡渠道: (正坡渠道) (2)平坡渠道: (3)逆坡渠道:

2、 (倒坡渠道) 水流的过流断面取铅垂面,水深 在铅垂线上量测。,3.按横向几何条件 梯形断面渠道、矩形断面渠道、复式断面渠道 （梯形渠道、矩形渠道）,4.明渠水力要素 底宽: 水深: 边坡系数 水面宽度: 过流断面面积: 湿周: 水力半径:,边坡系数表,8.2 明渠均匀流的特征及形成条件 8.2.1 明渠均匀流的特征 (1) 过流断面面积 ,水深 沿程不变。 (2) 过流断面平均流速 及断面流速分布沿程不变。 （3）底坡线、总水头线、水面线三线平行。 即：,（4）水体重力沿水流方向分力等于固体边壁对水流的摩阻力。 即 8.2.2 明渠均匀流产生的条件 (1) 恒定流，无支流流出或汇入。 (2)

3、 长直棱柱形渠道,且糙率 不变. (3) 顺坡渠道,即,8.3 明渠均匀流基本公式 满足连续性方程: （8-7） 满足动力方程: (8-8) 式(8-8)为谢齐公式, C 为谢齐系数, R 为水力半径, J 为水力坡度. 令 ，代入达西公式 对于均匀流, ,流量公式： 令 -流量模数 则 （1）满宁公式: （ 以米计） （2）巴甫洛夫斯基公式: 式中 -粗糙系数,(表5-3，查相关资料),谢齐系数,8.4 水力最优断面与允许流速 8.4.1 水力最优断面 定义:在底坡 、糙率 、过流断面 一定的前提 下，明渠输水能力最大的那种断面（形状、尺寸）。 分析： 湿周最小的几何形状： (圆形？矩形？梯

4、形？）,对于梯形断面渠道： 二阶导数 令 水力最优宽深比,说明： （1）在边坡系数 m 确定后，宽深比满足上式条件 的渠道，为水力最优。 （2）按水力最优断面设计的渠道属窄深型渠道，施 工、维护困难。水力最优断面是根据流体力学 原理建立的，工程上不一定最优。 （3）水力最优断面适合小型渠道。 （4）大、中型渠道不宜采用。有通航要求的渠道，还要考虑通航对水深的要求。,8.4.2 允许流速 不冲流速: 渠道免遭冲刷的最大流速。 不淤流速: 渠道免遭淤积的最小流速。 应用时，查表（8-3）（8-4）（8-5）和相关手册。,8.5 明渠均匀流水力计算 上式有6个变量,一般边坡系数m、糙率n可预先知道。

5、再根据工程条件确定3个量，求1个未知量。,8.5.1 校核渠道输水能力 一般是对已成工程进行校核性计算，已知条件:b、h、 、n、m 解析法， 8.5.2 确定渠道的底坡 此类问题为设计渠道的底坡,已知条件: Q、b、h、m、n，求解底坡。,8.5.3 确定渠道的断面尺寸 此类问题为设计渠道的断面，已知条件:Q、n、m、 。 该方程有6个变量，4个已知量，2个未知量，方程有多组解。 方法是，根据工程条件，先确定底宽 b或水深h，求水深 h 或底宽 b。 此类问题无解析法，只能用试算图解法或图解法。,（1）确定渠道的正常水深 (a) 试算图解法: 依工程条件确定底宽b，试算水深h。 画图（ 曲线

6、）求水深 。,例 某输水渠道，梯形断面，土质为沙壤土，底宽b=2m，通过流量0.8m3/s，岸边有杂草，粗糙系数n=0.027，底坡为0.0012，边坡系数m=2.2，求正常水深？ 解：用试算图解法，设一系列水深，列表计算,由上表数据绘制 的关系曲线， 根据已知流量在图中求出正常水深 。,(b) 图解法,(2)确定渠道的底宽 依工程条件确定水深h ，试算底宽b。 (方法与确定渠道的水深相同),8.6 管道无压流的水力计算 管道无压流也属明渠水流，对于长直的排水管道，亦为均匀流，具有均匀流的水力特征，此外还具有另一特征，即，在达到满管流之前，流速达到最大值，流量也达到最大值。,水力要素： -充满角 -充满度 当 时， 当 时，,管道无压流的水力计算公式: 过流断面积: 以弧度计 湿周: 水力半径: 充满度: 水力计算类型: (1)已知 、 、 、 ，求输水能力Q。 (2)已知 Q、 、 、 ，求管道底 。 (3)已知 、 、 、 ，求 。,本讲重点： 1. 明渠的