5明渠恒定均勻流ppt課件

1、 5 5 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 5 5 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 一種人工建筑、或自然構(gòu)成的渠槽，如人工一種人工建筑、或自然構(gòu)成的渠槽，如人工渠道和天然河道。渠道和天然河道。水流經(jīng)過明渠時，構(gòu)成與大氣相接觸的自在水流經(jīng)過明渠時，構(gòu)成與大氣相接觸的自在外表液面上各點壓強均為大氣壓強。這外表液面上各點壓強均為大氣壓強。這種水流稱為明渠水流，或無壓流。種水流稱為明渠水流，或無壓流。 明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常見的，明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常見的，例如：水電站引水渠、灌溉渠、排水渠、運河、無壓例如：水電站引水渠、灌溉渠、排水渠、運河、無壓隧洞和下水道等人工渠道中的水

2、流以及天然河道中的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。水流均為明渠水流。 明渠水流也可分為恒定流與非恒定流、均勻流與明渠水流也可分為恒定流與非恒定流、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流等。非均勻流、漸變流與急變流等。明渠恒定流明渠恒定流 明渠流中的水力要素時均值均不隨時間變明渠流中的水力要素時均值均不隨時間變化，稱明渠恒定流，否那么稱明渠非恒定流?；Q明渠恒定流，否那么稱明渠非恒定流。明渠均勻流明渠均勻流 明渠流中，流線是一簇平行直線，水深、斷面明渠流中，流線是一簇平行直線，水深、斷面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不變。平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不變。

3、5.1 5.1 明渠的類型及其對水流運動的影響明渠的類型及其對水流運動的影響5.1 5.1 明渠的類型及其對水流運動的影響明渠的類型及其對水流運動的影響5.1.1 5.1.1 明渠的橫斷面明渠的橫斷面 垂直于渠道中心線作鉛垂直于渠道中心線作鉛垂面與渠底及渠壁的交垂面與渠底及渠壁的交線稱為明渠的橫斷面。線稱為明渠的橫斷面。人工明渠橫斷面人工明渠橫斷面天然河道橫斷面天然河道橫斷面通常有矩形、梯形、圓形、馬蹄形斷面等。通常有矩形、梯形、圓形、馬蹄形斷面等。 水面寬度水面寬度 過水面積過水面積 濕濕 周周 水力半徑水力半徑 bB bhA hb2 hbbhAR2 常用于巖石中開鑿、兩側(cè)用條石砌成的渠道常

4、用于巖石中開鑿、兩側(cè)用條石砌成的渠道 混凝土渠混凝土渠 木渠木渠 hbBhb1m水面寬度水面寬度 B=b+2mh 過水面積過水面積 hmhbA)( 濕濕 周周 水力半徑水力半徑 212mhb 212mhbhmhbAR )( 土質(zhì)地基上的渠道土質(zhì)地基上的渠道邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)amcot土壤種類邊坡系數(shù)邊坡系數(shù) m粉砂3.05.3細沙2.53.5砂壤土2.02.5粘砂壤土粘砂壤土1.52.0粘土，密實黃土1.251.5卵石和砌石1.251.5半巖性的抗水的土壤0.51.25風化的巖石0.250.5未風化的巖石未風化的巖石00.25表表5.1 梯形渠道邊坡系數(shù)梯形渠道邊坡系數(shù)m Bhb1m m 的大小

5、應(yīng)根據(jù)土的種的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護面情況而定。類或護面情況而定。 資料的鞏固程度越高，資料的鞏固程度越高，m 越小。越小。 圓形斷面圓形斷面 水面寬度水面寬度 過水面積過水面積 濕濕 周周 水力半徑水力半徑 )(2hdhB)sin(82 dAd2 )sin( 141AR用于無壓隧洞用于無壓隧洞dhl 河道橫斷面河道橫斷面 天然河道的橫斷面外形不規(guī)那么，分主槽和灘地天然河道的橫斷面外形不規(guī)那么，分主槽和灘地兩部分。兩部分。 枯水期：水流過主槽枯水期：水流過主槽 豐水期：水流過主槽和灘地豐水期：水流過主槽和灘地 灘灘 地地主主 槽槽l 河道橫斷面河道橫斷面 天然河道的橫斷面外形不規(guī)那么，普通是非

6、棱柱體；天然河道的橫斷面外形不規(guī)那么，普通是非棱柱體；假設(shè)斷面變化不大，又較平順，可近似作為棱柱體渠道。假設(shè)斷面變化不大，又較平順，可近似作為棱柱體渠道。 灘灘 地地主主 槽槽渠道分類渠道分類 棱柱體渠道棱柱體渠道 非棱柱體渠道非棱柱體渠道 棱柱體渠道棱柱體渠道斷面外形斷面外形尺寸尺寸 底坡底坡糙率糙率渠道不彎曲渠道不彎曲如：人工開鑿的大部分渠道如：人工開鑿的大部分渠道 沿程不變沿程不變非棱柱體紐面非棱柱體紐面棱棱柱柱體體 非非棱棱柱柱體體 112233棱棱柱柱體體 非棱柱體渠道非棱柱體渠道斷面外形斷面外形尺寸尺寸 底坡底坡糙率糙率渠道彎曲渠道彎曲如：天然河道如：天然河道 人工渠道銜接段扭面人

7、工渠道銜接段扭面 沿程變化沿程變化非棱柱體紐面非棱柱體紐面棱棱柱柱體體 非非棱棱柱柱體體 112233棱棱柱柱體體 非棱柱體紐面非棱柱體紐面棱棱柱柱體體 非非棱棱柱柱體體 1 11 12 22 23 33 3棱棱柱柱體體 3 33 32 22 21 11 1 5.1 5.1 明渠的類型及其對水流運動的影響明渠的類型及其對水流運動的影響5.1.2 5.1.2 明渠的底坡明渠的底坡 明渠渠底縱向沿水明渠渠底縱向沿水流方向傾斜的程度稱流方向傾斜的程度稱為底坡。以為底坡。以 i i 表示。表示。 i 等于渠底線與程度線夾角的正弦： 。：渠底與程度面夾角：渠底與程度面夾角ds： 兩斷面的間距兩斷面的間距

8、dz： 兩斷面的渠底高程差兩斷面的渠底高程差 dzdsv水面線水面線底坡線底坡線isziddsin 明渠底坡三種類型：明渠底坡三種類型：l 正坡：正坡： i 0 渠底高程沿流程降低，也稱為順坡。渠底高程沿流程降低，也稱為順坡。l 平坡平坡 ：i = 0 渠底高程沿程不變渠底高程沿程不變l 負坡：負坡： i 0 i = 0 i 0 順坡、正坡順坡、正坡 平坡平坡 逆坡、負坡逆坡、負坡 在平底渠道中在平底渠道中i=0，流段重力在順流方向分，流段重力在順流方向分力力G sin=0； 在逆坡渠道中，流段重力的分力在逆坡渠道中，流段重力的分力Gsin與摩與摩阻力阻力Ff的方向一致，因此都不能夠滿足的方向

9、一致，因此都不能夠滿足Gsin Ff 的平衡條件，故在平底及逆坡渠段中，的平衡條件，故在平底及逆坡渠段中，不能夠產(chǎn)生均勻流動，只需在順坡渠道中，才不能夠產(chǎn)生均勻流動，只需在順坡渠道中，才有能夠產(chǎn)生均勻流。有能夠產(chǎn)生均勻流。 5.2 5.2 明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件Ff = Gs均速運動均速運動Ff 0 )明渠明渠加速運動加速運動 5.2 5.2 明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件5.2.1 5.2.1 明渠均勻流的特性明渠均勻流的特性 1. 過水斷面的外形、尺寸及水深沿程不變。過水斷面的外形、尺寸及水深沿程不變。2. 過水斷面上的流速分布、斷面平均

10、流速沿程不變；因此，水流過水斷面上的流速分布、斷面平均流速沿程不變；因此，水流的動能修正系數(shù)及流速水頭也沿程不變。的動能修正系數(shù)及流速水頭也沿程不變。3. 總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即總水頭線、水面線及底坡線三者相互平行，即4. 水流重力在流動方向上的分力與摩阻力相平衡，即水流重力在流動方向上的分力與摩阻力相平衡，即Gs=Ff 。zJJi正常水深正常水深h0 5.2 5.2 明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件5.2.2 5.2.2 明渠均勻流產(chǎn)生的條件明渠均勻流產(chǎn)生的條件 充分必要條件：充分必要條件： 力學條件力學條件 渠壁摩擦阻力與水重力在流動方向的渠壁摩擦阻力

11、與水重力在流動方向的 分力一直平衡大小相等，方向相反。分力一直平衡大小相等，方向相反。 能量條件能量條件 水面下降值一直等于水頭損失。水面下降值一直等于水頭損失。由水流向動量方程由水流向動量方程:由均勻流條件：由均勻流條件： FP1FP2 ；v1 v2 0sin21fPPFFGFv2v1FP20GABCDFP1Ff0sinor sinGFiFGff 必要條件：必要條件：恒定流恒定流流量沿程不變無分叉和匯流情況流量沿程不變無分叉和匯流情況渠道為長、直的棱柱體順坡渠道渠道為長、直的棱柱體順坡渠道渠中無閘、壩、跌水等建筑物的部分干擾渠中無閘、壩、跌水等建筑物的部分干擾底坡、糙率沿程不變底坡、糙率沿程

12、不變 5.2 5.2 明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流特性及其產(chǎn)生條件5.2.2 5.2.2 明渠均勻流產(chǎn)生的條件明渠均勻流產(chǎn)生的條件 實踐渠中總有各種建筑物。因此，多數(shù)明渠流是非均勻流。實踐渠中總有各種建筑物。因此，多數(shù)明渠流是非均勻流。嚴厲說，不存在明渠均勻流，均勻流是對明渠流動的一種概化。嚴厲說，不存在明渠均勻流，均勻流是對明渠流動的一種概化。 近似符合這些條件的人工渠、河道中一些流段可以近似符合這些條件的人工渠、河道中一些流段可以為是均勻流。為是均勻流。 分開渠進口、或水工建筑物一定間隔遠的順直分開渠進口、或水工建筑物一定間隔遠的順直 棱柱體明渠恒定流。棱柱體明渠恒定流。 天然河道

13、某些順直、整齊河段在枯、平水期。天然河道某些順直、整齊河段在枯、平水期。圖圖 明渠流明渠流均勻流段均勻流段非均勻流段非均勻流段非均勻流段非均勻流段 5.3 5.3 明渠均勻流的計算公式明渠均勻流的計算公式 5.3 5.3 明渠均勻流的計算公式明渠均勻流的計算公式5.3.1 5.3.1 根本公式根本公式 明渠均勻流水力計算的根本公式有二：明渠均勻流水力計算的根本公式有二： 恒定流的延續(xù)方程式恒定流的延續(xù)方程式 Q = Av =常數(shù)常數(shù) 均勻流的動力方程式，亦即謝齊公式均勻流的動力方程式，亦即謝齊公式均勻流均勻流 J=iRiCv iKRiACQ 式中，式中， 為流量模數(shù)為流量模數(shù)RACK RJCv

14、 17691769年年 謝齊才謝齊才A.Chezy 總結(jié)了一系列渠道水流實測總結(jié)了一系列渠道水流實測資料的根底上資料的根底上, 提出明渠均勻流提出明渠均勻流流速與流量的閱歷公式謝才公流速與流量的閱歷公式謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的曼式，以后又有確定謝才系數(shù)的曼寧公式寧公式R.Manning、 巴甫洛巴甫洛夫斯基公式。夫斯基公式。iKRiACQ RACK K綜合反映斷面外形、尺寸、水深、糙率對綜合反映斷面外形、尺寸、水深、糙率對過水才干的影響。過水才干的影響。 物理意義：水力坡度為物理意義：水力坡度為1時的流量當時的流量當 i =1 時，時，Q = K。 單位：單位：m3/s 流量模數(shù)流量模

15、數(shù)R：水力半徑，以：水力半徑，以m計；計；n： 糙率糙率 611RnC 謝齊系數(shù)謝齊系數(shù)C：反映斷面外形、尺寸和邊壁粗糙程度的一個綜合系：反映斷面外形、尺寸和邊壁粗糙程度的一個綜合系數(shù)。常用曼滿寧公式計算數(shù)。常用曼滿寧公式計算明渠均勻流的流量公式：明渠均勻流的流量公式：5.3.2 粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n 的討論的討論 曼寧公式曼寧公式611RnC nRnnRnC612611 RRnnRRC6116116161RCnC =f ( n , R )R 對對C 的影響遠比的影響遠比 n 對對 C 的影的影響小得多，因此，根據(jù)實踐情響小得多，因此，根據(jù)實踐情況正確地選定粗糙系數(shù)況正確地選定粗糙系數(shù)n，對，對

16、明渠的計算將有重要的意義。明渠的計算將有重要的意義。粗糙系數(shù)粗糙系數(shù) n 對明渠計算的影響：對明渠計算的影響：nRC6/1iKiRACQ n選擇選擇 n實踐：對同一水力半徑實踐：對同一水力半徑R，那么，那么C值偏小，值偏小，為經(jīng)過給定的設(shè)計流量，要求在設(shè)計時加大過水斷為經(jīng)過給定的設(shè)計流量，要求在設(shè)計時加大過水斷面，或加大渠槽的底坡。這樣，一方面加大了開挖面，或加大渠槽的底坡。這樣，一方面加大了開挖任務(wù)量，另一方面因底坡大，水面降落快；此外，任務(wù)量，另一方面因底坡大，水面降落快；此外，還由于渠道運轉(zhuǎn)后實踐流速偏大，又會引起渠道沖還由于渠道運轉(zhuǎn)后實踐流速偏大，又會引起渠道沖刷。刷。RACK 5.4

17、 5.4 水力最正確斷面及允許流水力最正確斷面及允許流速速 5.4 5.4 水力最正確斷面及允許流水力最正確斷面及允許流速速5.4.1 5.4.1 水力最正確斷水力最正確斷面面322135322111iAnRAinRiACQ底坡底坡 i： 根據(jù)地形條件、技術(shù)條件思索選定根據(jù)地形條件、技術(shù)條件思索選定粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n：取決于渠壁資料：取決于渠壁資料 因此，在因此，在i及及n已定條件下，渠道的過水才干那么決已定條件下，渠道的過水才干那么決議于渠道的橫斷面外形及尺寸。從經(jīng)濟觀念上來說，議于渠道的橫斷面外形及尺寸。從經(jīng)濟觀念上來說，總是希望所選定的橫斷面外形在經(jīng)過知的設(shè)計流量時總是希望所選定的橫斷面

18、外形在經(jīng)過知的設(shè)計流量時面積最小，或者是過水面積一定時經(jīng)過的流量最大。面積最小，或者是過水面積一定時經(jīng)過的流量最大。符合這種條件的斷面，其工程量最小，稱為水力最正符合這種條件的斷面，其工程量最小，稱為水力最正確斷面。確斷面。3. 22135611 1 iAnRiARnRiACQ均勻流的計算公式均勻流的計算公式 When i, n, A = Given min 或或 R Rmax Q Qmax 水力最正確斷面條件：水力最正確斷面條件：明渠最正確斷面外形：半圓明渠最正確斷面外形：半圓形形 緣由：由幾何學知識，面積一樣圖形中，周界最小的斷面為圓緣由：由幾何學知識，面積一樣圖形中，周界最小的斷面為圓形

19、，而半圓形的過水斷面斷面與圓形斷面的水力半徑一樣。形，而半圓形的過水斷面斷面與圓形斷面的水力半徑一樣。 渡槽又稱高架渠渡槽又稱高架渠, ,是一組由橋梁是一組由橋梁, ,隧隧道或溝渠構(gòu)成的道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)。用來輸水系統(tǒng)。用來把遠處的水引到把遠處的水引到水量缺乏的城鎮(zhèn)、水量缺乏的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村以供飲用和鄉(xiāng)村以供飲用和灌溉。灌溉。 世界上最世界上最早的渡槽誕生于早的渡槽誕生于中東和西亞地域。中東和西亞地域。公元前公元前700700余年余年, ,亞美尼亞已有渡亞美尼亞已有渡槽。槽。 梯形明渠水力最正確斷面條件：梯形明渠水力最正確斷面條件： 在邊坡系數(shù)在邊坡系數(shù)m已定的情況下，同樣的過水面積已定的情況

20、下，同樣的過水面積A，濕，濕周的大小因底寬與水深的比值周的大小因底寬與水深的比值b/h而異?？梢宰C明：梯而異?？梢宰C明：梯形水力最正確斷面的寬深之比為形水力最正確斷面的寬深之比為22( 1)mbmmh2mmhR此時，此時，bh1mB梯形水力最正確斷面的水力半徑等于水深的一半。梯形水力最正確斷面的水力半徑等于水深的一半。 矩形斷面可以看成為矩形斷面可以看成為m0的梯形斷面，得：的梯形斷面，得：2mhbmmmhbm2即即前進證明：梯形水力最正確斷面的寬深比為證明：梯形水力最正確斷面的寬深比為根據(jù)水力最正確斷面的條件根據(jù)水力最正確斷面的條件 A常數(shù)最小值即2200,0dAdhdddhdh而而hmhb

21、A)( 212mhb將將A、 分別對分別對h求一階導(dǎo)，并使之為零求一階導(dǎo)，并使之為零0)()(mdhdbhmhbdhdA0122mdhdbdhd上二式中消去上二式中消去db/dh后，解得后，解得)()1(22mfmmhbm前往212)12)(22mmmmmhmhmmhbhmhbARm（22( 1)mbmmh 1梯形水力最正確斷面的寬深比僅是邊坡系數(shù)梯形水力最正確斷面的寬深比僅是邊坡系數(shù) m 的函數(shù)。的函數(shù)。 2在任何邊坡系數(shù)的情況下，水力最正確梯形斷在任何邊坡系數(shù)的情況下，水力最正確梯形斷面的水力半徑面的水力半徑 R 為水深為水深 h 的一半。的一半。 3矩形或梯形水力最正確斷面實踐上是半圓的

22、外矩形或梯形水力最正確斷面實踐上是半圓的外切多邊形斷面。切多邊形斷面。梯形明渠水力最正確斷面條件：梯形明渠水力最正確斷面條件：22( 1)mbmmh2mmhR 綜合思索水力最正確斷面不太合理綜合思索水力最正確斷面不太合理 ？ 普通土渠邊坡普通土渠邊坡 m 1，m 1，是深窄形斷面，需深挖高，是深窄形斷面，需深挖高填，施工不便、維護管理困難；又水深變化大，給通航和灌溉填，施工不便、維護管理困難；又水深變化大，給通航和灌溉帶來不便，經(jīng)濟上反而不利。帶來不便，經(jīng)濟上反而不利。 m m 和和 m m 的關(guān)系的關(guān)系 mmhbm 212 矩形斷面的水力最正矩形斷面的水力最正確斷面：確斷面： mbh2 0.

23、00.00.50.51.01.01.51.52.02.02.52.50 00.50.51 11.51.52 22.52.53 3mm邊坡越來越緩邊坡越來越緩寬窄形斷面寬窄形斷面深窄形斷面深窄形斷面 綜合思索水力最正確斷面不太合理綜合思索水力最正確斷面不太合理 ？因此，限制了水力最正確斷面在實踐中運用因此，限制了水力最正確斷面在實踐中運用 5.4 5.4 水力最正確斷面及允許流水力最正確斷面及允許流速速5.4.2 5.4.2 允許流速允許流速 允許流速是為了堅持渠道平安穩(wěn)定運轉(zhuǎn)在流速上允許流速是為了堅持渠道平安穩(wěn)定運轉(zhuǎn)在流速上的限制，包括不沖流速、不淤流速和其它運轉(zhuǎn)管理要的限制，包括不沖流速、不

24、淤流速和其它運轉(zhuǎn)管理要求的流速限制。在實踐明渠均勻流計算中必需結(jié)合工求的流速限制。在實踐明渠均勻流計算中必需結(jié)合工程要求進展校核。程要求進展校核。1 1、不沖流速、不沖流速 渠道中的流速渠道中的流速 v v 應(yīng)小于不沖允許流速應(yīng)小于不沖允許流速 ，以，以保證渠道免遭沖刷。不沖允許流速保證渠道免遭沖刷。不沖允許流速 與渠道建與渠道建筑資料的物理特性如上渠中土壤的種類、級配筑資料的物理特性如上渠中土壤的種類、級配情況、密實程度等和渠道水深有關(guān)。情況、密實程度等和渠道水深有關(guān)。vv2 2、不淤流速、不淤流速 渠道中的流速渠道中的流速 v v 應(yīng)大于不淤流速應(yīng)大于不淤流速 ，以保，以保證水流中懸浮的泥

25、沙不淤積在渠槽中。不淤流速證水流中懸浮的泥沙不淤積在渠槽中。不淤流速 與水流條件及挾沙特性等多方面的要素有關(guān)。與水流條件及挾沙特性等多方面的要素有關(guān)。v v 3 3、其他要求、其他要求 對航運渠道及水電站引水渠道，渠中流速對航運渠道及水電站引水渠道，渠中流速還應(yīng)滿足某些技術(shù)經(jīng)濟條件及運用管理方面的要還應(yīng)滿足某些技術(shù)經(jīng)濟條件及運用管理方面的要求，如求，如渠道中雜草繁殖的臨界流速普通約渠道中雜草繁殖的臨界流速普通約 0.5m/s 0.5m/s。渠水冬季結(jié)冰的臨界流速北方地域約渠水冬季結(jié)冰的臨界流速北方地域約 0.6m/s0.6m/s。 在設(shè)計中，要求渠道流速在設(shè)計中，要求渠道流速 v 在不沖、不淤

26、的允許在不沖、不淤的允許流速范圍內(nèi)，即：流速范圍內(nèi)，即：vvv 例例5.1 5.1 某梯形土渠設(shè)計流量某梯形土渠設(shè)計流量Q=2m3/sQ=2m3/s，渠道為重壤土，渠道為重壤土，粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n=0.025n=0.025，邊坡系數(shù)，邊坡系數(shù)m=1.25m=1.25，底坡，底坡i=0.0002i=0.0002。試設(shè)計一水力最正確斷面，并校核渠中流速知不淤流試設(shè)計一水力最正確斷面，并校核渠中流速知不淤流速為速為0.4m/s0.4m/s。 解：當為水力最正確斷面時解：當為水力最正確斷面時聯(lián)立以上式子，得聯(lián)立以上式子，得iKiRACQ3/83/86/11RnC 渠中斷面平均流速為渠中斷面平均流速為所

27、以設(shè)計斷面滿足不沖刷不淤積的條件。所以設(shè)計斷面滿足不沖刷不淤積的條件。vvv 5.5 5.5 明渠均勻流的水力計算明渠均勻流的水力計算 5.5 5.5 明渠均勻流的水力計算明渠均勻流的水力計算根本公式：根本公式：5 13 2231AiQA CR in611RnC 5 13 2231 A iQ A C R in322135322111iAnRAinRiACQ以梯形斷面為例：各水力要素間存在著以下函數(shù)關(guān)系以梯形斷面為例：各水力要素間存在著以下函數(shù)關(guān)系),(nihbmfQ 上式中包括上式中包括Q、m、b、h、i、n 六個變量。普通情況六個變量。普通情況下，邊坡系數(shù)下，邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)及粗糙系數(shù)n

28、是根據(jù)渠道護面資料的是根據(jù)渠道護面資料的種類，用閱歷方法來確定。這樣在剩余種類，用閱歷方法來確定。這樣在剩余Q、b、h、i四個變量中，選定三個，然后，運用根本公式求另四個變量中，選定三個，然后，運用根本公式求另一個變量。一個變量。 計算類型計算類型 l 校核渠道的過流輸水才干校核渠道的過流輸水才干 l 求水深求水深 l 求底寬求底寬 l 求底坡求底坡 l 設(shè)計斷面尺寸設(shè)計斷面尺寸 5.5 5.5 明渠均勻流的水力計算明渠均勻流的水力計算 校核渠道的過流輸水才干校核渠道的過流輸水才干 知渠道的斷面尺寸知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡及底坡i、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n，求，求經(jīng)過的流量經(jīng)過的流量(或流

29、速或流速)。這一類型的問題大多屬于對已成。這一類型的問題大多屬于對已成渠道進展校核性的水力計算。渠道進展校核性的水力計算。直接用公式直接用公式:iKiRACQ例例5-2 5-2 某電站引水渠，在粘土中開鑿，未加護面，渠線略有彎曲，某電站引水渠，在粘土中開鑿，未加護面，渠線略有彎曲，在運用過程中，岸坡已繁殖雜草。今測得以下數(shù)據(jù)：斷面為梯形，在運用過程中，岸坡已繁殖雜草。今測得以下數(shù)據(jù)：斷面為梯形，邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)m m為為1.51.5，底寬，底寬b b為為34m34m，底坡，底坡i i為為1/65001/6500，渠底至堤項高差，渠底至堤項高差為為3.2m3.2m。 (1) (1)電站援用流量電

30、站援用流量Q Q為為67m367m3s s。今因工業(yè)開展需求，要求渠道。今因工業(yè)開展需求，要求渠道供應(yīng)工業(yè)用水，試計算渠道在保證超高為供應(yīng)工業(yè)用水，試計算渠道在保證超高為0.5m0.5m的條件下，除電站的條件下，除電站援用流量外，尚能供應(yīng)工業(yè)用水假設(shè)干？并校核此時渠中能否發(fā)援用流量外，尚能供應(yīng)工業(yè)用水假設(shè)干？并校核此時渠中能否發(fā)生沖刷。生沖刷。 (2) (2)與電站最小水頭所相應(yīng)的渠中水深與電站最小水頭所相應(yīng)的渠中水深h h為為1.5m1.5m，試計算此時渠，試計算此時渠中經(jīng)過的流量為多少？在此條件下渠道能否發(fā)生淤積中經(jīng)過的流量為多少？在此條件下渠道能否發(fā)生淤積( (知不淤流速知不淤流速 為為

31、0.5m0.5ms)s)。 (3) (3)為便于運轉(zhuǎn)管理，要求繪制該渠道的水深為便于運轉(zhuǎn)管理，要求繪制該渠道的水深流量關(guān)系曲線，流量關(guān)系曲線，( (在第在第(1)(1)項和第項和第(2)(2)項要求的流量間繪制項要求的流量間繪制) )。 解：解：(1) 解：解：(2) 解：解：(3) 前往 知渠道的設(shè)計流量知渠道的設(shè)計流量Q，底坡，底坡i，底寬，底寬b，邊坡系數(shù)，邊坡系數(shù)m和和粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n，求水深，求水深h。 求水深求水深 Q、b、m、n及及i知，知，h為待求量，上式含為待求量，上式含 h 的高次的高次隱函數(shù)，不可直接求解。隱函數(shù)，不可直接求解。 Abmh hbhmQACRifm b h

32、i nAbmh hRbhmibmhhQn bhm2025 31 2002 320()21, , ,()2121 iKiRACQ求解求解h的兩種方法：的兩種方法：試算法試算法圖解法圖解法迭代法迭代法例例5.3 其電站引水渠，經(jīng)過沙壤土地段，決議采用梯形斷面，并其電站引水渠，經(jīng)過沙壤土地段，決議采用梯形斷面，并用漿砌塊石襯砌，以減少滲漏損失和加強渠道耐沖才干，取邊坡用漿砌塊石襯砌，以減少滲漏損失和加強渠道耐沖才干，取邊坡系數(shù)系數(shù)m為為l，根據(jù)天然地形，為使挖、填方量最少，選用底坡，根據(jù)天然地形，為使挖、填方量最少，選用底坡i為為1/800，底寬，底寬b為為6m，設(shè)計流量，設(shè)計流量Q為為70m3/s

33、。試計算渠堤高度。試計算渠堤高度(要求要求超高超高0.5m)。 Abmh hbhmQACRif m b h i nAbmh hRbhmibmhhQn bhm2025 31 2002 320()21, , ,()2121 2迭代法迭代法 ibmhhQn bhmbhmnQhf hbmhi5 31 2002 3202 523 52121 迭代計算迭代計算 ： mhbmhbinQhfh 5225312假定假定h 終了終了 hfh 1 12hfh 21hh 12hh yn n 渠堤高度：渠堤高度：h+超高超高 = 3.3+0.5 = 3.8m bhmnQhfhbmhihhfhh2 523 50.4216

34、2.8310.396 2迭代法迭代法前往 求底寬求底寬 知渠道的設(shè)計流量知渠道的設(shè)計流量Q，底坡，底坡i，水深，水深h，邊坡系數(shù)，邊坡系數(shù)m和粗糙系數(shù)和粗糙系數(shù)n，求底寬，求底寬b？ 求解方法與求求解方法與求h0一樣，采用迭代法、試算圖解法一樣，采用迭代法、試算圖解法. 例例5.45.4某灌溉渠道上有一渡槽，擬采用某灌溉渠道上有一渡槽，擬采用混凝土混凝土( (用刮泥刀做平用刮泥刀做平) )預(yù)制構(gòu)件拼接成預(yù)制構(gòu)件拼接成矩形斷面，根據(jù)渡槽兩端渠道尺寸及渠矩形斷面，根據(jù)渡槽兩端渠道尺寸及渠底高，初步擬定渡槽的底坡底高，初步擬定渡槽的底坡i i為為1/10001/1000，水深水深h h為為3.5m3

35、.5m，設(shè)計流量，設(shè)計流量Q Q為為31m331m3s s。試計算渠道底寬試計算渠道底寬b b。 Abm h hbhmQACRifm b hi nAbm h hRbhmibm hhQnbhm2025 31 2002 320()21, ,()2121 解：解：1用迭代法計算用迭代法計算 Abmh hbhmQACRifm b h i nAbmh hRbhmibmhhQn bhmnQbfbbhhi2025 31 2002 3203 52 5()21, , ,()212112 525321hbinQhbfb 將將Q = 31m3/s，i = 1/1000，h=3.5m，n = 0.013代入得代入得

36、bfbbbfbb3 52 50.410.0133123.53.51 10001.3167 簡簡 化化 b =3.35m假設(shè)假設(shè) b/m13.023.35計算計算 b/m3.023.313.353.313.352試算試算圖解法計算圖解法計算 前往 求底坡求底坡 知渠道的設(shè)計流量知渠道的設(shè)計流量Q，水深，水深h，底寬，底寬b，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)和邊坡系數(shù)m，求底坡，求底坡i ？ 求解方法：直接計算求解方法：直接計算 RACQi222 例例5.55.5某灌溉渠道上，擬建渡槽一座，某灌溉渠道上，擬建渡槽一座，初步確定采用銅絲網(wǎng)水泥噴槳薄殼渡初步確定采用銅絲網(wǎng)水泥噴槳薄殼渡槽，外表用水泥砂漿

37、抹面、斷面為槽，外表用水泥砂漿抹面、斷面為U U形，形，底部半圓直徑底部半圓直徑d d為為2.5m2.5m，上部接垂直側(cè)，上部接垂直側(cè)墻高墻高0.8m(0.8m(包括超高包括超高0.3m)0.3m)。設(shè)計流量。設(shè)計流量Q Q為為5.5m3/s5.5m3/s，試計算渡槽底坡。，試計算渡槽底坡。解：由附表解：由附表1 1，水泥灰槳抹面，水泥灰槳抹面，n n0.0130.013。前往 設(shè)計斷面尺寸設(shè)計斷面尺寸 知流量知流量Q，流速，流速v，底坡，底坡i，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)和邊坡系數(shù)m，要求設(shè)計渠道的斷面尺寸。，要求設(shè)計渠道的斷面尺寸。 問題問題 分析分析 QvnAARvRih bAbmh

38、 hh bbhm232,known,unknown(),21 例例5.6 一梯形渠道，知：一梯形渠道，知：Q為為19.6m3s，v為為1.45ms，邊坡，邊坡系數(shù)系數(shù)m為為1，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n為為0.02，底坡，底坡i為為0.0007，求所需的水深，求所需的水深及底寬。及底寬。解：聯(lián)立解：聯(lián)立(5.2)及及(5.3)式求水深式求水深h得得:v 5.6 5.6 粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠 的水力計算的水力計算 5.6 5.6 粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠粗糙度不同的明渠及復(fù)式斷面明渠 的水力計算的水力計算5.6.1 5.6.1 斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流的水力計算斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流的水力計算n1 ,1n2 ,2 一些渠道，斷面周界各段糙率不同。例如，邊坡一些渠道，斷面周界各段糙率不同。例如，邊坡為混凝土護面，底部為