水深

1、第六章 明渠恒定均勻流 明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常見(jiàn)的，例如：水電站引水渠、灌溉渠、排水渠、運(yùn)河、無(wú)壓隧洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流均為明渠水流。明渠水流是無(wú)壓流，有自由表面。,水力學(xué),當(dāng)明渠中水流的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變時(shí)，稱為明渠恒定流。明渠恒定流中，如果流線是一簇平行直線，水深、斷面平均流速及流速分布均沿程不變，稱為明渠恒定均勻流；否則，稱為明渠非均勻流。,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流

2、,第六章 明渠恒定均勻流第一節(jié) 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 明渠的渠身及其沿流動(dòng)方向的傾斜程度( 稱作底坡 )，是水流邊界的幾何條件。一定形式的邊界幾何條件，給予水流運(yùn)動(dòng)一定的影響。所以為了了解水流運(yùn)動(dòng)的特征，必須先對(duì)影響明渠水流運(yùn)動(dòng)的邊界幾何條件進(jìn)行分析。,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流一.明渠的橫斷面 常見(jiàn)的人工明渠橫斷面有梯形、矩形和圓形。邊坡系數(shù)m：反映渠道兩側(cè)傾斜程度 水力半徑： ，

3、A：斷面面積 ：濕周,水力學(xué),天然河道的橫斷面常呈不規(guī)則形狀。,第六章 明渠恒定均勻流工程中應(yīng)用最廣的是梯形渠道，其過(guò)水?dāng)嗝娴人σ仃P(guān)系如下： 水面寬度： 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e 濕周： 水力半徑：,水力學(xué),水力學(xué),常見(jiàn)的過(guò)水?dāng)嗝娴乃σ?斷面形狀,水面寬度 B,過(guò)水?dāng)嗝娣e A,濕 周 x,水力半徑 R,*式中 以弧度計(jì),第六章 明渠恒定均勻流,第六章 明渠恒定均勻流,

4、水力學(xué),斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，同時(shí)又無(wú)彎曲渠道，稱為棱柱體渠道。,,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,明渠渠底縱向傾斜的程度稱為底坡。以符號(hào)i表示，等于渠底線與水平線夾角的正弦，,只有在順坡明渠中才有可能產(chǎn)生均勻流。,二.明渠的底坡,順坡： i>0，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。,平坡： i=0，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。 逆坡： i<0，明槽槽底沿程增高者稱為反坡或逆坡。,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻

5、流,第六章 明渠恒定均勻流第二節(jié) 明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件一.明渠均勻流的特性： 1.均勻流過(guò)水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸沿流程不變?2.過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植己蛿嗝嫫骄魉傺亓鞒滩蛔儭?3.總水頭線坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等， 即水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。,水力學(xué),水力學(xué),從力學(xué)意義上說(shuō)明渠均勻流中摩阻力與水流重力在流動(dòng)方向的分力相平衡。即,第六章 明渠恒定均勻流,因此只

6、能在正坡渠道才可能形成均勻流。,二.明渠均勻流的發(fā)生條件,1．水流必須是恒定流。 2．流量應(yīng)沿程不變，即無(wú)支流的匯入或分出。,3．渠道必須是長(zhǎng)而直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變。4．渠道中無(wú)閘、壩或跌水等建筑物的局部干擾。,水力學(xué)講義,第六章 明渠恒定均勻流,三.明渠均勻流的計(jì)算公式,流量公式,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,為流量模數(shù)，單位為（m3/s），它綜合反映明渠斷面形狀、尺寸和粗糙程度對(duì)過(guò)水能力的影響。,第四

7、 明渠均勻流的水力計(jì)算問(wèn)題,一.水力最佳斷面 當(dāng)渠道的底坡、粗糙系數(shù)及過(guò)水?dāng)嗝娣e一定時(shí)，通過(guò)流量最大；或當(dāng)?shù)灼?、粗糙?水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,數(shù)及流量一定時(shí)，所需的過(guò)水?dāng)嗝娣e最小時(shí)的斷面。,上式表明：梯形水力最佳斷面的 b / h 值僅與邊坡系數(shù) m 有關(guān)。,因?yàn)?水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,梯形水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半。,矩形水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半，而底寬是水深的二倍。,水力學(xué),第

8、六章 明渠恒定均勻流,二.允許流速,允許流速是為了保持渠道安全穩(wěn)定運(yùn)行在流速上的限制，包括不沖流速、不淤流速和其它運(yùn)行管理要求的流速限制。在實(shí)際明渠均勻流計(jì)算中必須結(jié)合工程要求進(jìn)行校核。,— 不沖允許流速,—不淤允許流速,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,例題1 某梯形土渠設(shè)計(jì)流量 Q 為2 m3/s，渠道為重壤土，粗糙系數(shù) n 為0.025，邊坡系數(shù) m 為1.25，底坡 i 為0.0002。試設(shè)計(jì)一水力最佳斷面，并校核渠中流

9、速（已知不淤流速 為0.4m/s）,解：將已知條件代入基本公式，并用曼寧公式計(jì)算謝才系數(shù)，整理后可得,當(dāng)為水力最佳斷面時(shí),可得,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),校核渠中流速是否滿足不沖不淤的條件：由表查得 R ＝ 1 m 時(shí)的不沖允許流速,對(duì)所設(shè)計(jì)的水力最佳斷面,則不沖允許流速,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,已知不淤流速 。渠中斷面平均流速為,故,所設(shè)計(jì)斷面滿足不沖刷不淤積的條

10、件。,水力學(xué),水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,第五節(jié) 渠道水力計(jì)算類型,,對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著下列函數(shù)關(guān)系,一般情況下，邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)n是根據(jù)渠道護(hù)面材料的種類，用經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)確定。因此，工程實(shí)踐中所提出的明渠均勻流的水力計(jì)算問(wèn)題，主要有下列幾種類型：,第六章 明渠恒定均勻流,1.已知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系數(shù)n，求通過(guò)的流量（或流速）。 2.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、底寬b、邊坡系

11、數(shù)m和粗糙系數(shù)n，求水深h。 3.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、水深h、邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)n，求渠道底寬b。 4.已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q，水深h、底寬b、粗糙系數(shù)n及邊坡系數(shù)m，求底坡i。,水力學(xué),水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,5.已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)m，要求設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。,第六節(jié) 復(fù)式斷面的水力計(jì)算,復(fù)式斷面明渠均勻流的流量一般按下述方法計(jì)算：即先將復(fù)式斷面劃分成幾個(gè)部分，使

12、每一個(gè)部分的濕周不致因水深的略微增大而產(chǎn)生急劇的增加。如下圖所示：,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,顯然，通過(guò)復(fù)式斷面渠道的流量，應(yīng)為通過(guò)各部分流量的總和，即：,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),例題2：某水電站引水渠，為梯形端面，邊坡系數(shù) 邊坡系數(shù)m=1.5 ，底寬b=34m，糙率n=0.03底坡i為 ，渠底至堤頂高差為3.2 m。見(jiàn)圖,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),,若電站引用流量 Q 為 67 m3/s。今因工業(yè)發(fā)展需

13、要，要求渠道供給工業(yè)用水，試計(jì)算渠道在保證超高為0.5m的條件下，除電站引用流量外，尚能供給工業(yè)用水若干？并校核此時(shí)渠中是否發(fā)生沖刷。解: 求保證超高0.5m 時(shí)的流量，并校核是否發(fā)生沖刷當(dāng)超高為0.5m 時(shí)，渠中水深h = 2.7m,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),在保證電站引用流量條件下，渠道能供給工業(yè)用水量為,由表查得，渠道土質(zhì)為粘土?xí)r 為0.85m/s，當(dāng)R為2.35m,例題3有一矩形斷

14、面混凝土渡槽(n=0.014)，底寬b＝1.5m,槽長(zhǎng)L＝116.5m。進(jìn)口處槽底高程▽=52.06m，當(dāng)通過(guò)設(shè)計(jì)流量Q＝7.65m3/s時(shí)，槽中均勻流水深h0=1.7m，試求渡槽出口的底高程▽2？,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),解：,,,,,,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),例題4 某引水渠道，邊坡系數(shù) m=1.0 ，底坡i= ，底寬b=6m ，糙率 n = 0.025，設(shè)計(jì)流量Q=70 m3/s。試計(jì)算渠道水深。,由,顯然

15、，在上式中Q，b，m，n，i 為已知，僅 水深h 為未知。但上式為h的高次方，直接求解 h 是很困難的?？刹捎迷囁悖瓐D解法或查圖法求解。,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),可假設(shè)一系列 h 值，代入上式計(jì)算相應(yīng)的 Q 值，并繪成 h ～Q曲線，然后根據(jù)已知流量，在曲線上即可查出要求的 h 值。,設(shè) h =2.5，3.0，3.5，4.0 m，計(jì)算相應(yīng)的 A、χ、R、C 及 Q 值如下表,（1）試算－圖解法,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué)

16、,由上表繪出h～Q曲線。從曲線查得：當(dāng)Q為70m3/s時(shí)，h=3.3m,（2）查圖法,顯然，上述計(jì)算方法比較繁雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可利用已制成的曲線，見(jiàn)附錄2，先求,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),由附錄2，當(dāng) 時(shí)，在 m = 1的曲線上查得 故,第六章 明渠恒定均勻流,水力學(xué),例題5：　一復(fù)式斷面如圖5-17，已知bⅠ與bⅢ為6m，bⅡ?yàn)?0m；hⅠ與hⅢ為1.8m；mⅠ與mⅢ均為1.5，mⅡ?yàn)?.0；n為0.0