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1、第五章 明渠恒定均匀流 明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的，例如：水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压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为明渠水流。当明渠水流过水断面的平均流速及水深均沿程不变，或更严格地讲，当渠中水流的流线为一簇相互平行的直线时，称为明渠均匀流。否则，称为明渠非均匀流。从力学的观点看，明渠均匀流动是一种直线等速运动。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( 称作底坡 )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先
2、对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下： 水面宽度： B=b+2mh 过水断面面积： A=(b+mh)h 湿周： 水力半径：,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 二、明渠的底坡 底坡：明渠渠底倾斜的程度称为底坡。以符号i表 示，i等于渠底线与水平线夹角口的正弦即iSin
3、。 明渠有三种底坡：顺坡、平坡和逆坡,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 顺坡： i0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。 平坡： i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。 逆坡： i0，明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。,水力学讲义,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 ! In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,欢 迎 提 问,第五章 明渠恒定均匀流 5.2 明渠均匀流特性及其产生条件 一、明渠均匀流的特性： 1、均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别 是水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深
4、。 2、过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不 变。 3、总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J = Js = i。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 从力学意义上来说：均匀流在水流方向上的重力分量 与渠道边界的摩擦阻力相等，因此只能在正坡渠道才 可能形成均匀流。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 二、明渠均匀流产生的条件： 1、底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道； 2、渠道必须为顺坡(i0)； 3、渠道中没有建筑物的局 部干扰； 4、明渠中的水流必须是恒 定的，沿程无水流的汇入、汇 出，即流量不变。,水力学讲义,水力学讲义,如果您
5、有任何问题，请毫不犹豫地提出 ! In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,欢 迎 提 问,第五章 明渠恒定均匀流 5.3 明渠均匀流的计算公式 明渠均匀流计算的基本公式是谢才公式和曼宁公式，即 也可表示为： 式中K是流量模数，它表示当底坡i1时渠道中通过均匀流的流量。,水力学讲义,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 ! In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,欢 迎 提 问,第五章 明渠恒定均匀流 5.4 水利最佳断
6、面及允许流速 一、水力最佳断面 水力最佳断面（the best hydraulic section）：是指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。 对于明渠均匀流，有：,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 说明： 1）具有水力最佳断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R 最大，即湿周P 最小的断面能通过最大的流量。 2）i，n，A给定时，湿周P最小的断面是圆形断面， 即圆管为水力最佳断面。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 1、梯形过水断面渠道的水力最佳断面 梯形水力最佳断面的宽深比值为： 此时：,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 2、矩形断面的水力最佳断面 矩
7、形断面，m =0，则： 即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两倍。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 结论： 1）梯形水力最佳断面的宽深比仅是边坡系数 m 的函数。 2）在任何边坡系数的情况下，水力最佳梯形断面的水力半径 R 为水深 h 的一半。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 二、允许流速 允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 在设计中，要求渠道流速v在不冲、不淤的允许流速范围内，即： 式中： 不冲允许流速（m/s），根据壁面材料定。 不
8、淤允许流速（m/s）。（同时考虑避免渠 中滋生杂草，一般流速应大于0.5m/s。）,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 例题1： 有一梯形断面中壤土渠道，已知：渠中通过的流量Q=5m3/s，边坡系数m =1.0，粗糙系数n=0.020 ，底坡i=0.0002。试求：（1）按水力最佳条件设计断面；（2）若宽深比b =2来设计断面，检查渠中流速是否满足不冲条件。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 5.5 明渠均匀流的水力计算 一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h 确定Q ; 直接用公式:,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 二、
9、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，求水深h。 三、已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 四、确定渠道的底坡 已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知 n，Q 和b，m，h 各量，确定渠道的底坡I :,水力学讲义,第五章 明渠恒定均匀流 五、确定渠道的断面尺寸 已知流量Q、流速v、渠道底坡i、边坡系数m 及粗糙系数n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽b 和水深h。,水力学讲义,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 ! In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,欢 迎 提 问,第五章 明渠恒定均匀流 谢 谢！,水力学讲义,