明渠恒定均匀流.ppt

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第五章 明渠恒定均匀流
水力学
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202X
天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。
当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。
明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。
主要内容：
明渠的几何特性
明渠均匀流的特性
明渠均匀流的计算公式
明渠均匀流的水力计算
水力最佳断面及允许流速
复式断面明渠的水力计算
明渠的几何特性
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明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。
底坡线
水面线
底坡线
θ
i > 0
顺坡、正坡
i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦，即i=sinθ。
i = 0
平坡
i < 0
逆坡、负坡
顺坡（或正坡）明渠
按底坡分类： 平坡明渠
逆坡（或负坡）明渠

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垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线称为明渠的横断面。
主槽
滩地
梯形断面
河道断面
矩形断面
反映断面的形状特征值称为断面水力要素。
b
h
1
α
m
B
底宽
水深
边坡系数
水面宽
过水断面面积
湿周
水力半径
断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称为棱柱体渠道。
断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。
棱柱体
棱柱体
非棱柱体
2 2
3 3
1—1
2—2
3—3
1
1
明渠均匀流的特性
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Ff = Gs
均速运动
Ff < Gs
加速运动
充分长直的棱柱体顺坡(i > 0)明渠
加速运动
、尺寸及水深沿程不变。
、断面平均流速沿程不变；因此，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。
、水面线及底坡线三者相互平行，即
，即Gs=Ff 。
产生均匀流的条件：
水流应为恒定流。流量应沿程不变，即无支流。
渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。
明渠均匀流的计算公式
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明渠均匀流的水力计算
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以梯形断面为例：
已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量Q。
已知渠道的断面尺寸b、m、h及设计流量Q、粗糙系数n，求底坡i。
已知渠道的断面尺寸b、m、h及通过的流量Q、底坡i，求粗糙系数n。
已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求正常水深h0。
已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m和粗糙系数n，求底宽b。
例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s ，边坡系数m=，底坡i=，粗糙系数n= ，底宽b=1m 。
求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。
解：根据谢才—满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有
设h=，，，计算相应的Q值如下表
h(m)
Q(m3/s)
h(m)
Q(m3/s)









从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=。
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水力最佳断面
从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为水力最佳断面。
所以水力最佳断面是湿周最小的断面。
工程中多采用梯形断面，在边坡系数m已定的情况下，同样的过水面积A，湿周的大小因底宽与水深的比值b/h而异。
b
h
1
α
m
B
可以证明：梯形水力最佳断面的宽深之比为
此时，
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允许流速
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设计渠道时，断面的平均流速应结合渠道所担负的生产任务（灌溉渠道、水电站引水渠道、航运渠道等）、渠道建筑材料的类型、水流中含沙量的多少及其他运用管理上的要求而选定。
′，以保证渠道免遭冲刷。
″，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠槽中。
，渠中流速还应满足某些技术经济条件及应用管理方面的要求。