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工程流体力学（水力学）讲稿 第七章明渠流

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第七章 明渠流

【教学基本要求】

1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。

2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。

3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率n值。

4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。

5、掌握明渠水流三种流态（急流、缓流、临界流）的运动特征和判别明渠水流流态的方法，理解佛汝德数Fr的物理意义。

6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性，掌握矩形断面明渠临界水深hk的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。

7、了解水跃和水跌现象，掌握共轭水深的计算，特别是矩形断明渠面共轭水深计算。

8、能进行水跃能量损失和水跃长度的计算。

9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律，能正确进行水面线定性分析，了解水面线衔接的控制条件。

10、能进行水面线定量计算。

【学习重点】

1.明渠均匀流水力计算；

2.明渠水流三种流态的判别；

3.明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这部分也是本章的难点；

4.水跃的特性。

【内容提要和学习指导】

这一章是工程水力学部分内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。

本章有4个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判别；明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这部分也是本章的难点；水跃的特性和共轭水深计算。学习中应围绕这4个重点，掌握相关的基本概念和计算公式。

§7－1 概 述

人工渠道，天然河道及水流未充满全断面的管道等统称为明渠。明渠水流是一种具有自由液面的水流，水流的表面压强为大气压强，即相对压强为零。因此，明渠水流也称为无压流，而管流中的水流充满全断面，没有自由表面。

在研究明渠水流运动规律之前，必须对明渠的几何特性有所了解。

明渠的底坡

沿渠道中心线所做的铅直面与渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线），该铅直面与水面的交线则称为水面线。

图7-1

对人工渠道，渠底可看作是平面，在纵剖面图上它是一段直线或互相衔接接的几段直线。无然河道的河底是起伏不平的，所以在纵剖面图上，河底线是一条起伏不平的而总趋势下降的曲线。（如上图7-1）

渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡，以表示。

（7.1）

为渠底线与水平线之间的夹角。

正坡：渠底高程沿水流方向降低的底坡。（）

平坡：渠底高程沿水流方向不变的底坡。（）

负坡：渠底高程沿水流方向增加的底坡。()

人工渠道中这三种底坡均可能出现。天然河道中底坡沿程变化，一般在一段河道内取底坡的平均值作为计算值。

二、明渠的横断面

垂直于渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线构成明渠的横断面。

天然河道的横截面多为不规则形状，而人工渠道横截面均为规则形状，绝大多数土渠为梯形断面，而涵管，隧洞则多为圆形断面，也有做成马蹄形或蛋形的；混凝土渠道或渡槽断面则可能是矩形或半圆形的。

注意：明渠横断面是指渠道的轮廓，它与过水断面不同，过水断面是指与流向垂直的断面，除了包括渠道轮廓，还包括水面轮廓。一般而言，过水断面与渠底垂直，因而与铅直面之间成一夹角。

以后分析计算中常用的过水断面的几何要素，以梯形要素为例，说明如下：

图5-2

水深——过水断面上渠底最低点到水面的距离，从表示。

底宽——梯形断面的渠底宽度，以表示。

边坡系数——边坡倾角的余切以表示，即，它的意义是边坡上高差为１m的两点之间的水平距离。当时，边坡线为铅直线，选用值取决于渠道的土壤性质。

过水面积——按梯形面积计算。

(7.2)

湿周——按梯形几何关系有：

（7.3）

水力半径——按定义为：

（7.4）

当水深小于管道直径时，如输水隧洞，城市地下排水管等，它的断面要素（如右图7-3）可按下式计算：

水深：

过水面积：

水面宽：

湿周：

水力半径：

以上各式的均以rad（弧度）计。

三、明渠的分类

1.按渠道横断面形状和尺寸是否沿程变化

棱柱体渠道：凡断面形状和尺寸沿程不改变，其过水断面的面积仅随水深的变化而变化的长直渠道。

非棱柱体渠道：横断面面积或（和）尺寸沿程不断改变的渠道。

2.按渠道横断面形状的不同

规则断面渠道：横断面的各水力要素（ 等）在水深 的全部变化范围内，均为水深的连续函数的渠道；

不规则断面渠道：即横断面的各水力要素，在水深的全部变化范围内，不为水深的连续函数的渠道；

3.按渠道底坡的不同

顺坡（正坡）渠道：

平坡渠道：

负坡（逆坡