第5章明渠均勻流

15一月2023

水力學B

給排水工程水力學B第5章明渠均勻流15一月2023

水力學B

給排水工程Contactwithme

myshuilixue@126.com呂祥翠主樓608密碼：shuilixue15一月2023

水力學B

給排水工程【教學基本要求】1、明渠的分類和特征（了解），掌握明渠底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。2、明渠均勻流的特點和形成條件（了解），熟練掌握明渠均勻流公式，并能應用它來進行明渠均勻流水力計算。3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學會正確選擇明渠的糙率n值。4、明渠均勻流水力設計的類型和計算方法。15一月2023

水力學B

給排水工程

明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流分類：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠非均勻流15一月2023

水力學B

給排水工程在明渠均勻流中:15一月2023

水力學B

給排水工程一.明渠的橫斷面形狀5.1明渠的類型及其對水流運動的影響

人工明渠橫斷面

通常有矩形、梯形、圓形、馬蹄形斷面等形式

15一月2023

水力學B

給排水工程1.矩形斷面

水面寬度

過水面積

濕周

水力半徑

常用于巖石中開鑿、兩側用條石砌成的渠混凝土渠木渠

hb15一月2023

水力學B

給排水工程2.

梯形斷面：

水面寬度

B=b+2mh

過水面積濕周水力半徑Bhb1m

土基上的渠15一月2023

水力學B

給排水工程土壤種類邊坡系數(shù)m粉砂3.0~5.3細沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密實黃土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半巖性的抗水的土壤0.5~1.25風化的巖石0.25~0.5未風化的巖石0.00~0.25表梯形渠道邊坡系數(shù)m15一月2023

水力學B

給排水工程3.

圓形斷面

水面寬度

過水面積

濕周

水力半徑用于無壓隧洞dhθ15一月2023

水力學B

給排水工程二、明渠的底坡明渠渠底縱向傾斜的程度,

15一月2023

水力學B

給排水工程明渠底坡有三種類型

順坡i>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不變逆坡i<0渠底高程沿流程增加(a)順（正）坡(c)逆(負)坡(b)平坡15一月2023

水力學B

給排水工程三、棱柱體渠道:指斷面形狀尺寸沿流程不變的長直明渠。

斷面規(guī)則的人工渠道、涵洞、渡槽

非棱柱體渠道:15一月2023

水力學B

給排水工程一.明渠均勻流的特性：1.均勻流過水斷面的形狀、尺寸沿流程不變。特別是水深h沿程不變，這個水深也稱為正常水深。2.過水斷面上的流速分布和斷面平均流速沿流程不變。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。5.2明渠均勻流特性及其產生條件15一月2023

水力學B

給排水工程恒定流流量沿程不變（無分叉和匯流情況）渠道為長、直的棱柱體順坡渠渠中無閘、壩、跌水等建筑物的局部干擾底坡、糙率沿程不變

二.明渠均勻流的產生條件15一月2023

水力學B

給排水工程n：糙率5.3明渠均勻流的計算公式15一月2023

水力學B

給排水工程因此，在i、n已定條件下，5.4水力最優(yōu)斷面和允許流速底坡i：

根據(jù)地形條件、技術條件考慮選定糙率n：取決于渠壁材料斷面形狀和尺寸斷面形狀和尺寸當Q=一定，要求：A→Amin

當A=一定，要求：Q→Qmax15一月2023

水力學B

給排水工程水力最佳斷面的一般條件均勻流算公式

當i、n、A=給定→minR→RmaxQ→Qmax

15一月2023

水力學B

給排水工程最佳斷面形狀：半圓形原因：由幾何學，面積相同圖形中，周界最小的斷面為圓形。因此，明渠最佳斷面形狀是半圓形。例如，預制鋼筋混凝土、鋼絲網(wǎng)水泥渡槽等，但土渠難挖成半圓形，且兩岸邊坡不穩(wěn)定。從地質和施工條件考慮，工程中接近圓形斷面形狀的為梯形斷面

15一月2023

水力學B

給排水工程梯形水力最佳斷面條件

i、n、A及m

＝Const15一月2023

水力學B

給排水工程

消去，則

式中，β為梯形最佳斷面的寬深比

15一月2023

水力學B

給排水工程β和m

的關系為

推論：矩形斷面的水力最佳斷面

=2梯形明渠水力最佳斷面是否就是經(jīng)濟實用斷面？，這是一種底寬較小，水深較大的窄深式斷面。雖然水力最佳斷面在相同流量下過水斷面面積最小，工程量少，但應用于較大型渠道時，由于深挖高填，施工效率低，管理維護也不方便。而且在流量改變時，渠中水深變化較大，給灌溉、航運等部門帶來不便，所以反而不經(jīng)濟。這說明水力最佳斷面不一定是渠道的經(jīng)濟實用斷面。所以在設計渠道斷面時，必須結合實際條件，從經(jīng)濟和技術方面來考慮，既要考慮水力的最佳斷面，但又不能完全受此條件約束。由梯形斷面的最佳條件15一月2023

水力學B

給排水工程二允許流速保證渠道正常運行的允許流速上限和下限值

允許流速是為了保持渠道安全穩(wěn)定運行在流速上的限制，包括不沖流速

、不淤流速

和其它運行管理要求的流速限制。

—不沖允許流速

—不淤允許流速

15一月2023

水力學B

給排水工程

由均勻流公式

式中，有6個變量（含Q）

一計算方法

5.5明渠均勻流的水力計算

15一月2023

水力學B

給排水工程式中，共有六個變量（含Q）

邊坡系數(shù)m和糙率n一般根據(jù)土質、或襯砌材料用經(jīng)驗法確定

水力計算任務給定Q、b、h、i中三個，求解另一個15一月2023

水力學B

給排水工程計算類型

校核渠道的過流能力

求水深

求底寬

求底坡

設計斷面尺寸15一月2023

水力學B

給排水工程

校核渠道的過流能力

已知斷面形狀、b、h、m、底坡i、糙率n校核流量Q15一月2023

水力學B

給排水工程

一電站已建引水渠為梯形斷面，m=1.5，底寬b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤頂高程差為3.2m，電站引水流量Q=67m3/s。因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給工業(yè)用水。試計算超高0.5m條件下，除電站引用流量外,還能供給工業(yè)用水若干？b3.2超高m=1.515一月2023

水力學B

給排水工程渠中水深

過水斷面

濕周水力半徑謝才系數(shù)流量保證電站引用流量下，渠道還可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/sb3.2超高m=1.515一月2023

水力學B

給排水工程

已知Q、i、n，b、m，求h

15一月2023

水力學B

給排水工程迭代計算假定h

結束

是否15一月2023

水力學B

給排水工程渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

將b、i、m代入

化簡

計算過程

一梯形斷面，m=1.0，漿砌石砌護n=0.025，i=1/800b=6.0m，設計流量70m3/s，確定堤頂高度（超高0.5m）15一月2023

水力學B

給排水工程試算圖解（計算器、Excel、Matlab等）

15一月2023

水力學B

給排水工程

求底寬

已知渠道設計流量Q、i、n，h、m，求b方法與求h的相同，采用迭代法、試算圖解法

15一月2023

水力學B

給排水工程

求底寬例一矩形斷面渡槽，為預制鋼筋混凝土n=0.013，設計流量Q=31m3/s，i=1/1000，h=3.5m，計算b。

15一月2023

水力學B

給排水工程

求底寬解：用迭代法計算

代入均勻流流量基本公式，整理后得

將15一月2023

水力學B

給排水工程將Q=31m3/s，i=1/1000，h=3.5m，n=0.013代入得

簡化

故b=3.35m假設b/m13.023.35計算b/m3.023.313.353.313.3515一月2023

水力學B

給排水工程

圖解試算法計算

15一月2023

水力學B

給排水工程

求底坡已知Q、n，m，n，h、b、求i

方法：直接計算

15一月2023

水力學B

給排水工程

求底坡例一矩形斷面渡槽，b=2.0m，槽長l=120.m進口處槽底高程z1=50.0m，槽身為預制混凝土n=0.013，設計流量Q=10.0m3/s，槽中水深為h=1.8m。試求：（1）求渡槽出口底部高程z？（2）當渡槽通過設計流量時，槽內均勻流水深隨底坡的變化規(guī)律。15一月2023

水力學B

給排水工程解

求渡槽底坡i:

出口槽底高程15一月2023

水力學B

給排水工程

當渡槽通過設計流量時，槽內均勻流水深隨底坡的變化規(guī)律。求h

~i

的關系曲線（流量一定）15一月2023

水力學B

給排水工程

正常水深h與底坡i的關系是：i增大，h0減小

原因

i越大，底坡越陡，重力分力越大，流速愈大

極限值i→0,h→∞,平坡不可能出現(xiàn)均勻流

15一月2023

水力學B

給排水工程

設計斷面尺寸已知Q、v、i、n，m，設計渠道斷面尺寸問題分析

為已知

h，b為待求的未知數(shù)。

兩個方程可解出兩個未知數(shù)h，b

15一月2023