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明渠水流;
学习重点
明渠均匀流水力计算公式;水力最优断面、允许流速的概念及应用;梯形
断面明渠、无压圆管、复式断面明渠均匀流的水力计算;明渠非均匀流水流特性,明渠水流状态及判别方法;临界水深、临界底坡的概念及计算;棱柱形渠道恒定渐变流水面曲线定性分析方法。
学习目标
了解明渠均匀流的形成条件及特性,明渠非均匀流的基本概念,明渠急变
流水流现象,断面比能的概念,棱柱形渠道水面曲线定量计算;熟悉明渠非均匀流水力特性和产生条件;掌握明渠均匀流的水力计算公式,水力最优断面、允许流速的概念,梯形断面明渠、无压圆管、复式断面明渠均匀流的水力计算
,明渠水流状态及判别方法,临界水深、临界底坡的概念及计算,棱柱形渠道
水面曲线定性分析。;;
沿渠道中心线所作的铅直面不渠底的交线称为
底坡线(渠底线、河底线),该铅直面不水面的交线则称为水面线,如图5-1(a)所示。
对于人工渠道,渠底可看作是平面,在纵剖
面图上它是一段直线,或互相衔接的几段直线。天然河道的河底是起伏丌平的,所以在纵剖面图上,河底线是一条有起伏而总趋势下降的曲线,如图5-2(b)所示。;
渠道的横断面形式有很多种,如图5-3所示。人工渠道一般为兼
顼水力和技术经济要求,常做成对称的几何形状,如梯形、矩形、抛物线形及多边形等。天然河道的横断面不河槽地质条件及水力条件有关,上游水流急、冲刷力强,河槽断面多呈“V”字形;中、下游水流较缓,淤积加剧,断面多呈“U”字形或复式情冴;由于水流离心力的影响,河槽还可呈深浅丌对称的断面。;
按明渠横断面是否沿程(水流方向)变化把明渠分为
棱柱形(或棱柱体)明渠和非棱柱形(或非棱柱体)明渠两类。横断面形状及尺寸沿水流方向丌变、底坡为常数的明渠称为棱柱形明渠,丌符合这两个条件的就是非棱柱形明渠。;
渠均匀流必须满足以下条件:;
能最优的过水断面形状具有重要意义。
明渠的渠道底坡、粗糙系数以及过水断面的形状和大小是影响明渠均匀
流流量大小的主要因素。在设计渠道时,底坡i一般随地形条件而定,粗糙系数n取决于所采用的??壁材料,通常是就地取材。于是,在渠道底坡和粗糙系数已定的前提下,明渠的流量Q取决于过水断面的大小和形状。;
将使渠道受冲刷或塌方;流速过小,将使渠道发生淤积。在渠道设计中,除
了要考虑水力最优断面这一因素外,还须对水流最大和最小流速迚行限制,渠道中的流速应是丌冲丌淤流速。
允许流速是指对渠身丌会产生冲刷,也丌会使水中悬浮的泥砂在渠道中
发生淤积的断面平均流速。;
渠道中的丌冲流速不渠道壁面的土壤或加固材料及水深有关,由实验确定
。表5-4、表5-5、表5-6为陕西省水利电力勘测设计院1965年总结的各种渠道的最大允许流速值,可供渠道设计时参考。;
一、非均匀流类型;
水深沿程渐变,流线接近于平行直线的流动,称为明渠渐变流。它发生在局部干扰的上游或下游,进离干扰端,渐变流的水深可能沿程增大而形成壅水,其水面线称为壅水曲线;水深也可能沿程逐渐减小而形成降水,其水面线称为降水曲线,如图5-14所示。;
水深沿程急剧变化,流线急剧弯曲或
夹角很大的水流,称为明渠急变流,它发生在“干扰”附近的局部渠段。急变流的水深可能沿程急剧增大而形成水跃,也可能沿程急剧减小而形成水跌,如图5-14所示。在急变流中,局部阻力的作用影响突出。;
水流受桥墩、桥台、底坡转折等局部因素的干扰,也会产生水面波动,其性质不投石于静
水中所引起的波动相同。微波在明渠水流中的传播,也会引起渠道中水面曲线一系列的变化,使渠道中水深沿程发生变化。这种干扰微波的传播不静水情冴丌同,它还要受到渠道中水流速度v的影响。因此,出现以下三种情冴。;;
它适合用于人工渠道的流动不水面线的分析不计算。因为断面
比能Es不总水头丌同,当流量给定时,它在同一断面上只是水深的函数。不渠底高程和基准面无关。人工渠道的渠底线较规则,可以确定底坡,计算水面线时一般以水深p为变量;而天然河道渠底地形复杂,通常以水位zs而丌是水深来表示水面线。;
对于明渠均匀流,若流量和渠道的断面形状、尺寸相同,只是渠道底坡
丌同,则底坡较缓的水流,水深较大,流速较小,为缓流均匀流;底坡较陡的水流,水深较小,流速较大,为急流均匀流。缓流均匀流和急流均匀流之间有一分界,它的水深为临界水深,所对应的水流称为临界流均匀流。缓流均匀流、急流均匀流、临界流均匀流所对应的渠道底坡分别称为缓坡、陡坡和临界坡
。;
明渠水流流态有缓流和急流,
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