第六章 明渠水流.ppt

第六章 明渠水流 6-1 明渠几何特征与容许流速 6-2 明渠均匀流特性 6-3 明渠均匀流基本公式 6-4 明渠均匀流水力计算基本问题 6-5 明渠非均匀流 6-6 急流、缓流及临界流的判别标准 6-7 明渠三种流动状态的水力特性 6-8 明渠急变流 6-9 明渠恒定渐变流基本微分方程 6-10 明渠恒定渐变流基本微分方程 6-11 明渠恒定渐变流水面曲线计算 6-1 明渠几何特征与容许流速 概述 定义：明渠——开敞式水槽，亦称渠道。 明渠水流——渠道中的水流，简称明渠流。 明渠水流特性 过水断面形状可有多种类型（如图6-1）。 具有自由表面，又称无压流（pγ=0）。 流量变化可导致水深流速变化。 泄流量及流速除与水深流速有关外，还与底坡有关。 需满足防冲刷、通航、灌溉等要求。 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠水流特性 可有恒定流与非恒定流，均匀流与非均匀流，渐变流与急变流等类型。 水力计算基本问题：水面曲线分析面与计算，即沿程水深流速计算。 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠断面水力要素 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠断面水力要素 梯形断面 过水面积 水面宽度 湿 周 水力半径 边坡系数 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠断面水力要素 圆形断面 过水面积 水面宽度 湿 周 水力半径 充满度 6-1 明渠几何特征与容许流速 渠道类型 棱柱形渠——断面形状及尺寸沿程不变的渠道。 非棱柱形渠——断面形状及尺寸沿程变化的渠道。 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠底坡计算 定义——渠道沿程单位长度内渠底高程的变化值，工程界称比降。 计算图式： 6-1 明渠几何特征与容许流速 明渠底坡计算 底坡计算公式 规定：渠底沿程下降时（ ） ，称为顺坡，故 6-1 明渠几何特征与容许流速 底坡实用公式 因 时，可取 有 底坡类型（如图6-3） i＞0，称为顺坡 i＝0，称为平坡 i＜0，称为逆坡 6-1 明渠几何特征与容许流速 6-1 明渠几何特征与容许流速 渠道容许流速 定义——不冲刷、不淤积的渠中流速。 容许流速类型（试验研究成果，附录Ⅰ） vmax——容许不冲刷流速（附录Ⅰ） vmin——容许不淤积流速（有经验公式） 渠中容许流速控制 vmin v vmax （6-5） 6-2 明渠均匀流 水力特性 明渠渐变流的极限状态 流线平行直线，等深、等速运动 总水头线、测管水头线及底坡三者平行 产生条件 水力图式：图6-4 6-2 明渠均匀流 产生条件 理论分析方法——如图6-4，列前后动量方程有 得 结论 重力沿流向分力与摩擦阻力平衡 重力作功与阻力作功相等 6-2 明渠均匀流 产生条件 明渠阻力——由公式（4-12）及（4-42）得 T 随 l 增大 距干扰端以远，T 将能满足公式（6-8） 距干扰端以远足够长渠段中将有明渠均匀流（理论上在无穷远处） 明渠均匀流发生条件 恒定流，沿程流量不变 棱柱形长渠段，i 0 n、i 沿程不变 6-3 明渠均匀流基本公式 基本公式 6-3 明渠均匀流基本公式 基本公式应用 h0 图解法： 按公式（6-10）绘制 h0-K 曲线（如图6-5a） 由 在图中可得h0 h0 数解法 按公式（6-11）解得h0 - K（h0）关系 当 时，试算可得相应水深 h0i=h0 6-3 明渠均匀流基本公式 6-3 明渠均匀流基本公式 明渠水力最佳断面（形状、尺寸） 梯形及矩形断面 定义：当A、n、i 一定时，流量 Q 最大的断面形状，称为水力最佳断面。 即χ=χmin时，可得Qmax。最佳断面形状，有圆形、半圆或正六边形等。 正六边形断面对土渠有边坡稳定问题，不适用。 6-3 明渠均匀流基本公式 梯形断面最佳宽浅比 m 取决于土质条件，一般：m=1.5~3 6-3 明渠均匀流基本公式 矩形断面（m=0），水力最佳宽深比 经济最佳断面 小型渠道造价只取决于土方量，水力最佳可符合经济最佳条件。 当m 0.75时，bh，断面形状窄而深，取土造价高，虽为水力最佳但非经济最佳。 大型渠道取决于取土条件，常取β=3~4，成宽而浅形状。 6-3 明渠均匀流基本公式 明渠水力最佳断面（形状、尺寸） 无压圆管（不满管流，如图6-1c） 最佳充满度 ——泄流量最大时的充满度。 6-3 明渠均