1、第六章第六章 明明 渠渠 均均 匀匀 流流第一节第一节 概概 述述第二节第二节 明渠均匀流特性及公式明渠均匀流特性及公式第三节第三节 水力最佳断面及允许流速水力最佳断面及允许流速第四节第四节 无压圆管均匀流无压圆管均匀流基本内容基本内容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
2、流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。教学内容、重点及难点教学内容、重点及难点 第一节第一节 概概 述述明渠明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流明渠水流分类分类：明渠恒定流明渠恒定流明渠非恒定流明渠非恒定流明渠明渠均匀均匀流流明渠明渠非均匀非均匀流流明渠明渠非均匀非均匀流流 无无AAQCross section A-A人工渠道、天然河道以及人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道未被液流所充满的管道都是明渠流都是明渠流. . 明渠流与有压流区别明渠流与有压流区别 有压管流：有压管流： 具有具有封闭封闭的湿周；的湿周； 压力压
3、力是流动的主要动力。是流动的主要动力。明渠流：明渠流： 具有具有自由自由水面（即水面压强为大气压）；水面（即水面压强为大气压）； 重力重力是流动的主要动力；是流动的主要动力； 明渠水面线即测压管水头线明渠水面线即测压管水头线一、明渠横断面一、明渠横断面1.1.天然河道的横断面天然河道的横断面呈不规则形状，呈不规则形状，分分主槽和滩地主槽和滩地枯水枯水期：水流过主槽期：水流过主槽丰水丰水期：水流过主槽和滩地期：水流过主槽和滩地 滩滩 地地主主 槽槽 断面确定：根据地质条件断面确定：根据地质条件2.2.人工明渠的横断面人工明渠的横断面据渠道的据渠道的断面形状断面形状分分: :梯形、矩形、圆形、抛物
4、线形等梯形、矩形、圆形、抛物线形等hbdh岩石中开凿或条石砌筑或混岩石中开凿或条石砌筑或混凝土渠或木渠凝土渠或木渠 矩形矩形排水管道或无压隧道排水管道或无压隧道 圆形圆形土质地基土质地基 梯形梯形mhbB2hmhbhBbA)()2(212mhb212)(mhbhmhbRhbctgm bBhm1渠道渠道底宽底宽 b b渠中渠中水深水深 h h水面水面宽度宽度 B B过水断面过水断面面积面积 A A水力水力半径半径 R R断面断面宽深比宽深比 边坡系数边坡系数m m：边坡上高差为边坡上高差为1m1m的两点间的水平距离的两点间的水平距离土壤种类土壤种类边坡系数边坡系数 m粉砂粉砂3.05.3细沙细沙
5、2.53.5砂壤土砂壤土2.02.5粘砂壤土粘砂壤土1.52.0粘土，密实黄土粘土，密实黄土1.251.5卵石和砌石卵石和砌石1.251.5半岩性的抗水的土壤半岩性的抗水的土壤0.51.25风化的岩石风化的岩石0.250.5未风化的岩石未风化的岩石0.000.25 m m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表二、明渠底坡二、明渠底坡 底坡底坡i i 渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡lziddsin 渠底线与水平线之间的夹角渠底线与水平线之间的夹角 如果用水平距离代替实际距离，如果用水平距离代替实际
6、距离， 用垂直水深代替实际水深用垂直水深代替实际水深tgdldzix 明渠底坡有三种类型明渠底坡有三种类型 正（顺）坡正（顺）坡 i 0 渠底高程沿流程降低渠底高程沿流程降低 平平 坡坡 i = 0 渠底高程沿程不变渠底高程沿程不变负（逆）坡负（逆）坡 i 0 i = 0 i 0 0 v 单位单位 m.sm.s? 糙率糙率 n n 值的确定值的确定天然河道中影响糙率天然河道中影响糙率 n n 值的因素值的因素 河床表面粗糙河床表面粗糙 断面的不规则、平弯情况、断面的不规则、平弯情况、 滩地交叉、河道阻碍情况滩地交叉、河道阻碍情况 河堤沙坡影响随水深变化河堤沙坡影响随水深变化 注注 意意: :
7、选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏 小，对实际输水能力影响较大。小，对实际输水能力影响较大。第三节第三节 水力最佳断面水力最佳断面 及允许流速及允许流速一、明渠水力最优断面一、明渠水力最优断面322135213211iAniARnQ水力最佳断面：水力最佳断面：过流断面的面积、糙率、底坡一定过流断面的面积、糙率、底坡一定, , 通过的流量最大的断面形状通过的流量最大的断面形状当当 Q = Q = 一定，要求：一定，要求：A AA Amin min 当当 A = A = 一定，要求：一定，要求：Q QQ Qmax max 面积、糙率、底坡一定面积、糙率
8、、底坡一定, , 流量最大流量最大, ,要求要求R R最大最大 AR 半圆形断面半圆形断面为为水力最佳断面。水力最佳断面。梯形断面梯形断面的最佳宽深比，的最佳宽深比，R Rm m = = h hm m / 2/ 2矩形断面矩形断面的最佳宽深比，的最佳宽深比，b bm m = 2 = 2 h hm m“水力最佳水力最佳”不不是是 “技术经济技术经济最佳最佳”)1(22mmhbmmmmmRhb42; 2综合考虑水力最佳断面不太合理综合考虑水力最佳断面不太合理 例如例如 一般土渠边坡一般土渠边坡m m 1 1， m 1m 1000 0.8 1000 0.8本章作业本章作业习题习题 6.1，习题习题
9、6.2，习题习题 6.10，习题习题 6.8第七章第七章 明渠水流的流态明渠水流的流态 及其转换及其转换第一节第一节 缓流和急流缓流和急流第二节第二节 流态判别的方法流态判别的方法第三节第三节 水跃和水跌水跃和水跌第一节第一节 缓流和急流缓流和急流缓流：缓流：水流水流徐缓徐缓，遇到障碍物阻水时，水面，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能壅高并能逆流逆流上传至较远地方。上传至较远地方。常见于常见于底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。急流：急流：水流水流湍急湍急，遇到障碍物阻水时，水面，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，仅在附近隆起，对上游来流无影响。对上游来流
10、无影响。常见于常见于山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。第二节第二节 流态判别方法：流态判别方法： 1 1、波速、波速（c）法、法、水流遇到障碍物后产生波动水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。微幅干扰波波速。v 静止水静止水 V=0V=0ghcv 运动水运动水 V Vghvvcc2 2、弗劳德数法、弗劳德数法弗劳德数：弗劳德数：ghvcvFr 表征动能表征动能1Fr 缓流缓流1Fr 急流急流1Fr临界流临界流势能动能波速流速2222222hmgmvhgvhgvcvFr3 3、 断面比能法断面比能法z0h cos
11、hzz000vQ 上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面，上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面， 过水断面单位液重的总能量为过水断面单位液重的总能量为22222gAaQhgavhEscoscos当底坡当底坡（6 6）较小的渠道，）较小的渠道，coscos11，则，则式中，式中，E E s s 为为断面比能断面比能（断面单位能量）（断面单位能量）22222gAaQhgavhEs 比较比较 z0h coshzz000vQ0202zEgavpzEs l E E 和和 E Es s 两者相差一个渠底高程，两者相差一个渠底高程，E Es s与渠底高程无关与渠底高程无关l 流量一定时，流量一定时，E Es
12、s 是是断面形状、尺寸断面形状、尺寸的函数的函数l 当流量和断面形状一定时，当流量和断面形状一定时，E Es s 是是水深水深函数函数l 例如，均匀流例如，均匀流d(,) 0d sEs0dd sEs断面比能曲线断面比能曲线 22222gAaQhgavhEs Esh渐近线渐近线1 1： 横坐标为渐近线横坐标为渐近线渐近线渐近线2 2： 坐标轴成坐标轴成4545直线直线 sEAh, sEAh, 0, 0hgAAaQgAaQhhhEsdddddd3222122232111FrhgavgABaQhEsdd1232 rFgABaQ 当当 , 流态为临界流流态为临界流 min21, ssEEFr 1232
13、 rFgABaQ 当当 , 流态为临界流流态为临界流 min21, ssEEFr 临界流方程临界流方程 132kkBgAaQFrkkBAgaQ32 或或 Hk 为临界水深为临界水深ksshhEEFr ,1, min2Es minhhkEs0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs当缓流缓流缓流缓流急流急流hEs minhkEs临界流临界流0dd hEs0hEsdd0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs当急流急流缓流缓流急流急流hEs minhkEs临界流临界流0dd hEs0hEsdd断面比能的变化规律断面比能的变化规律h1h2Es2Es
14、12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhhhhkEsh1h2Es2Es12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh4 4、临界水深及其计算、临界水深及其计算 临界流方程临界流方程 kkkkBAgQBgAQFr3232or 1 1.1. 矩形断面矩形断面明渠明渠 322gbQhk2.2. 任意断面任意断面的明渠的明渠 为含为含hk 的高次隐函数式，不能直接求解的高次隐函数式，不能直接求解hk
15、gQBAkk23 试算法、试算图解法试算法、试算图解法 H Hk k 与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n n、i i 无关无关kkkbhAbB,khh ：缓流缓流，khh ：急流急流khh ：临界流临界流，在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量一定时，均匀流一定时，均匀流正常水深正常水深 h h0 0= h= hk k 时时，所对，所对应的渠底底坡称为应的渠底底坡称为临界底坡临界底坡i ik k。临界底坡是一个假想底坡，与临界底坡是一个假想底坡，与渠道实际底坡无关渠道实际底坡无关，仅与渠道流量仅与渠道流量Q Q、糙率、糙
16、率n n、断面形状尺寸有关、断面形状尺寸有关. .5 5、临界坡度法、临界坡度法kkkkkkkkBCgBRCgAi22kkBAgQ32RiCAQ 由：由：临界坡陡坡缓坡;kkkiiiiii临界坡临界流陡坡急流缓坡缓流;000kkkkkkhhiihhiihhii在上述三种底坡上，水可以作在上述三种底坡上，水可以作均匀均匀流动，流动，也可以作非均匀流动，如作也可以作非均匀流动，如作非均匀非均匀流动，则：流动，则：【例例】有一矩形长渠道，已知流量有一矩形长渠道，已知流量Q Q25m3/s25m3/s，渠宽，渠宽b b5m5m，糙率糙率n n0.0250.025，底坡，底坡i i0.00050.000
17、5。试用三种方法判别。试用三种方法判别该渠道在均匀流时的流态。该渠道在均匀流时的流态。底坡（底坡（均均匀流时匀流时）水深水深流速流速Fr数数比能比能 E动能与动能与水深水深 h hkh hkh= hk V CV = CFr 1Fr =1dE/dh0dE/dh iki iki = ik特征特征缓流缓流急流急流临界流临界流讨论：流态判定的几种方法讨论：流态判定的几种方法smRnCmARmbBmhbmbhAkkkkkkkkkk/39.391883.0573.7283.65.061005. 000977. 022kkkkkkkkBCgBRCgAi【解解】 mgbQhk37. 1322缓流缓流又又0h5
18、0)5( h20)52(h32050)2()(bhbh2 105 81 10.734 205 132 26.554.1 20.55 13.22 27.504.2 215 13.42 28.33mhmhk37.115.40【解解】 缓流缓流取取95.27)2()(132050320iQnbhbhiRnbhQAQv1189.032gAbQFrsmghcsmbhQAQv/38. 6/2 . 100缓流缓流缓流缓流【解解】 【解解】 第三节第三节 水跃和水跌水跃和水跌 为明渠水流的流态发生转化时为明渠水流的流态发生转化时 出现的局部水力现象出现的局部水力现象水跃：水跃：急流急流到到缓流缓流时水面突然跃
19、起的局部水力现象。时水面突然跃起的局部水力现象。常发生于常发生于闸、坝及陡槽等泄水建筑物下游。闸、坝及陡槽等泄水建筑物下游。KK缓流急流水跃是明渠非均匀急变流的重水跃是明渠非均匀急变流的重要现象，增加了上、下游水流要现象，增加了上、下游水流衔接的复杂性，还引起大量的衔接的复杂性，还引起大量的能量损失能量损失，可以利用这一特，可以利用这一特点，进行下泄水流的点，进行下泄水流的消能消能，以，以减免对河床的冲刷。减免对河床的冲刷。水跃流动特征水跃流动特征水跃下部：主流区，流速由快变慢，急剧扩散水跃下部：主流区，流速由快变慢，急剧扩散水跃中水体掺入大量空气水跃中水体掺入大量空气水跃上部：水面剧烈回旋的
20、表面旋滚区水跃上部：水面剧烈回旋的表面旋滚区表面旋滚区与下部主流区附近大量质量、动量交换，紊动表面旋滚区与下部主流区附近大量质量、动量交换，紊动掺混极为强烈掺混极为强烈, ,界面上形成横向流速梯度很大的剪切层界面上形成横向流速梯度很大的剪切层. .Ljh2ah12211将表面水滚的将表面水滚的首端称为跃首首端称为跃首（跃前水深跃前水深h h1 1），），尾端称为跃尾尾端称为跃尾（跃后水深跃后水深h h2 2），），首尾间距离称首尾间距离称为为跃长跃长L L，高差为，高差为跃高跃高a a，跃首与跃，跃首与跃尾的水深称为尾的水深称为共轭水深共轭水深。12h12i = 0KKhkh2aLj1流速分布
21、不均匀流速分布不均匀用用 途途 水跃区中流速分布急剧变化，水体剧烈旋转、掺混水跃区中流速分布急剧变化，水体剧烈旋转、掺混和强烈紊动，使得水流内部摩擦加剧，因而水流的机械能大和强烈紊动，使得水流内部摩擦加剧，因而水流的机械能大量损失量损失. .实验表明，水跃区中实验表明，水跃区中单位机械能损失可达单位机械能损失可达 20%80%20%80%。水利工程中常用水跃消能水利工程中常用水跃消能. .保护河床免受急流冲刷、淘刷保护河床免受急流冲刷、淘刷水跌：水跌：缓流缓流到到急流急流时水面急剧降落的局部水力现象。时水面急剧降落的局部水力现象。常发生于常发生于下游渠底坡度变陡、或下游渠道下游渠底坡度变陡、或
22、下游渠道断面形状突然改变时。断面形状突然改变时。 如图，缓坡渠道如图，缓坡渠道 后接一陡槽，水后接一陡槽，水 流经过连接断面流经过连接断面 时的水深可以认时的水深可以认 为是为是临界水深临界水深， 水跌发生流态转水跌发生流态转 换时，在转换处换时，在转换处 通过临界水深，通过临界水深， 但水面是连接面，但水面是连接面，不同于水跃表面漩滚形成的不连续面。水流在跌坎上自由跌不同于水跃表面漩滚形成的不连续面。水流在跌坎上自由跌落的水力现象，水流是以落的水力现象，水流是以水舌形式水舌形式通过跌坎下跌，跌坎上游通过跌坎下跌，跌坎上游是缓流，而坎后水舌是急流，跌坎前后发生流态转变，是缓流，而坎后水舌是急流，跌坎前后发生流态转变，跌坎跌坎处是临界水深。处是临界水深。
