明渠流.doc

明渠流 - 正文 　　具有显露于大气中的自由水面的水流，如天然河道、人工渠道中的水流。明渠的流量、断面形式、坡度、糙率等的变化，都会引起自由水面的变化，相应地也使水深和流速变化。自由水面的计算是工程中需解决的一个重要问题，如引水或排水渠道的合理断面尺寸和流速大小的决定，拦河筑坝以后水库淹没范围的估算，都归结为明渠流水面曲线的绘制。 　　明渠的渠身形状和大小保持不变的长直渠道称为棱柱形渠道；断面形状和大小沿程变化的渠道称为非棱柱形渠道。 　　明渠恒定均匀流?　在顺直棱柱形长渠道中可形成渠中水深、流速沿程不变的均匀流。均匀流水力计算式： 式中Q为流量；v为流速；A为过水断面面积；R为水力半径（过水断面面积与断面固体周长,即湿周之比）；C为谢才系数，通常采用C＝R 1/6/n；n为糙率，表示渠壁的“粗糙”情况；i为底坡,即渠道底线与水平线夹角的正弦。 　　在工程设计中,有时要求在给定断面面积A的条件下，使渠道通过最大的流量。从上式看出,当n、A、i一定时，要使流量Q极大，必须水力半径R极大，即湿周极小。使渠道水力半径为极大的断面，称为水力最佳断面。通常渠道的断面为梯形。梯形水力最佳断面满足如下条件： 式中m为梯形断面边坡比;h为水深；b为梯形断面的底边。矩形水力最佳断面的水力半径R＝h/2。 　　无压管道（如下水道）具有某些水力特点。如直径为b的圆形断面管道,并非刚刚充满管道时的流量或流速为最大，而是水深h＝0.95b时的流量最大；h＝0.81b时的流速最大。这是因为过水断面面积A及水力半径R与水深h的关系并非单调变化所引起。 　　明渠恒定非均匀流?　在渠道底坡、断面或糙率等沿程变化的渠道中，必然形成水深、流速沿程变化的非均匀流。 　　棱柱形渠道非均匀渐变流水深h沿流程s的变化，可由伯努利方程和连续性方程得到如下的规律： 式中B为断面上水深为h时的水面宽度。用Fr2表示分母中的 Q2B/ɡA3＝v2/ɡh，称为弗劳德数。当Fr＜1时,渠道某处水流(如水深)的变化可影响该处上下游，这种水流称为缓流；当Fr＞1时,某处水流的变化只波及下游而不影响上游，这种水流称为急流。对上式积分，即可求出水深沿流程的分布，即水面曲线，相应可求各断面的流速。求得水深及流速沿程的变化，即可解决有关工程问题。非棱柱形渠道的水面曲线可用差分法解伯努利方程及连续性方程得到。 　　水跃?　是明渠水流从急流过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象（图1，hK为临界水深）。 　　水跃前后的水深分别为h′及h，两者的关系在矩形断面棱柱形平底渠道中为 水跃中的水头损失为 由此看出，水跃前的弗劳德数愈大，即水流愈急，水头损失愈大。 　　消能?　在堰闸下游,陡坡渠道的尾端，桥涵出口,跌水处等水流的流速很大,会冲刷河床,危及建筑物的安全。为了把引起冲刷的水流能量在较短的区域内消除，设计有各种消能的措施，如增加渠底粗糙度的人工粗糙（图2）和利用水跃消能而建的消力池（图3）等。 ? 　　明渠非恒定流?　基本特征是流量Q和水位Z等，都是时间t和位置s的函数。描述明渠非恒定渐变流的圣维南方程组为 　　　　 联解该方程组并使其符合初始条件和边界条件，即可求出非恒定流的变量Q＝Q(s，t)和Z＝Z(s，t),以解决实际工程问题，如洪水坡的演进等。 河水通过专门修建的渠道导向下游的施工导流方式。明渠导流多用于河床外导流，适用于河谷岸坡较缓，有较宽阔滩地或有溪沟、老河道等可利用的地形，且导流流量较大的情况。与隧洞导流比较，因明渠的过流能力较大，施工较方便，造价相对较低，在地形条件和枢纽布置允许时，用明渠导流的较多。在河床内用分期导流方式修建混凝土坝的初期导流阶段，也常采用明渠导流。在中期和后期导流阶段，可用其他泄水建筑物或在明渠内设底孔或缺口导流，以便使明渠所占的坝段可以施工升高。 　　布置导流明渠时须考虑：①轴线位置，在地形上尽量利用垭口、溪沟、旧河道等，并力求布置在河湾凸岸的滩地；②明渠进水口要使水流顺畅，距围堰一定距离，防止冲刷坡脚；③进出口高程要根据流量、通航、过木、冲刷或淤积等条件综合比较确定；④明渠断面形式可采用矩形、梯形或复式断面，坡度大于临界坡度，并尽量减小渠道糙率，当渠底为软基时要防止渗漏。 　　截至1985年，世界上最大的导流明渠是印度乌开堆石坝工程的明渠,设计导流流量45000m3/s。该渠长1372m，渠底最大宽度235m，渠道水深18.25～21m。巴西伊泰普水电站导流明渠宽100～150m，长约2000m，最大导流流量35000m3/s。 教学目的：了解什么是水力最佳断面；明渠允许流速，综合糙率，复式断面等概念，掌握相关计算 教学重点：水力最佳断面和复式断面 教学难点：水力最佳断面 复习检查：明渠水力计算的类型有几