第五章明渠恒定均勻流ppsjsp

明渠流與有壓流區(qū)別

自由液面明渠流：有自由面,隨時空變化,呈現各種水面形態(tài)管流：無自由液面

非恒定均勻流明渠流：非恒定流必定是非均勻流管流：非恒定管流可以是均勻流

一、河渠的縱斷面和底坡底坡是指沿水流方向單位長度內的渠底高程降落值，以i表示。

5.1明渠的幾何特性

沿水流方向單位渠道長度，對應的渠底高程降落值，其表示渠底縱向傾斜程度，以符號i表示。當底坡較小（θ<10°時），可用平距代替斜長θ：渠底與水平面夾角ds：兩斷面的間距dz：兩斷面的渠底高程差

dzdsdL根據底坡的正負，可將明渠底坡分為如下三種類型：

正坡i>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不變負坡i<0渠底高程沿流程增加dzdsdL二、河渠的橫斷面與渠底中心線垂直的鉛垂平面與渠底及側壁的交線構成明渠的橫斷面。天然河道的橫斷面多為不規(guī)則形狀人工渠道的橫斷面形狀比較規(guī)則，常見的有梯形、矩形、U型，圓形、馬蹄形等。對梯形斷面過水斷面濕周水面寬度寬深比渠道分類

棱柱體渠道

非棱柱體渠道

渠道按橫斷面形狀尺寸是否沿程變化可分為三、棱柱體明渠和非棱柱體明渠

棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不變的長直明渠。軸線順直斷面規(guī)則的人工渠道、涵洞、渡槽等均屬此類。非棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不斷變化的明渠。常見的非棱柱體明渠是漸變段。

棱柱體渠道斷面形狀尺寸底坡渠道順直糙率例如，人工開鑿的大部分渠道沿程不變非棱柱體（紐面）棱柱體

非棱柱體

112233棱柱體

一、明渠均勻流的產生條件①過水斷面形狀和尺寸、流速、流量、水深沿程不變。②流線是相互平行的直線，流動過程中只有沿程水頭損失，而沒有局部水頭損失。③由于水深沿程不變，故水面線與渠底線相互平行。④斷面平均流速及流速水頭沿程不變，測壓管水頭線與總水頭線相互平行。⑤明渠均勻流的底坡線、水面線、總水頭線三者相互平行，即渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相等。產生條件可歸納為水流為恒定流，流量、粗糙系數沿程不變，沒有渠系建筑物干擾的長直棱柱體正坡明渠5.2明渠均勻流的特點和產生條件

實際渠中總有各種建筑物。因此，多數明渠流是非均勻流。嚴格說，不存在明渠均勻流，均勻流是對明渠流動的一種概化。

5.3明渠均勻流的計算公式一、基本計算公式：①謝才公式基于明渠水流資料獲得的經驗公式②連續(xù)方程

1769年謝才（A.Chezy）

總結了一系列渠道水流實測資料的基礎上,提出明渠均勻流流速與流量的經驗公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數的滿寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。對于明渠均勻流，A

為過水面積，則

式中，為流量模數

綜合反映斷面形狀、尺寸、水深、糙率對過水能力的影響。物理意義：水力坡度為1時的流量（當i=1時，Q=K）。單位：（m3/s）

謝才系數C

反映斷面形狀、尺寸和邊壁粗糙程度的一個綜合系數。常用曼寧公式計算R：水力半徑，以米（m）計n：糙率因此，在i、n已定條件下，一、水力最佳斷面底坡i：

根據地形條件、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5.4水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面的一般條件均勻流計算公式

當i、n、A=給定

→

minR→RmaxQ→Qmax

消去，則

式中，βm

為梯形最佳斷面的寬深比

二、允許流速保證渠道正常運行的允許流速上限和下限值

渠道的允許流速是根據渠道所擔負的生產任務(如通航、水電站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性質，水流含沙量的多少及運行管理上的要求而確定的技術上可靠，經濟上合理的流速。1、不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質和水深，可查閱有關水力設計手冊。

不淤流速v’’

渠道中懸沙淤積的臨界流速，取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小，可根據經驗公式確定。

由均勻流公式

式中，有6個變量（含Q）

一、計算方法

5.5明渠均勻的水力計算式中，共有六個變量（含Q）

邊坡系數m和糙率n

一般根據土質、或襯砌材料用經驗法確定

水力計算任務給定Q、b、h、i中三個，求解另一個二、計算類型

一類是對已建成的渠道。根據生產運行要求，進行某些必要的水力計算。如校核已成渠槽的輸水能力，即已知渠道的斷面形狀尺寸、水深、底坡、粗糙系數，求渠道能通過的流量；或者對某段渠道測定流量，計算粗糙系數。一般都可直接計算。另一類是設計新渠槽。主要有下列情況：①已知流量、斷面形狀尺寸、水深以及粗糙系數，要求確定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系數，要求確定渠道的斷面尺寸。一般要進行試算求解。試算求解方法：1、試算——圖解法以求正常水深為例來介紹試算法。試算法的主要內容是：假設若干個水深值，代入基本公式計算相應的流量值。若所得的值與已知流量相等，則這個相應的值即為所求，否則，繼續(xù)試算，直到算到與已知流量相等為止。在實際試算過程中，為了減少試算工作量，常常假設3～5個水深值，求出3～5個相應的流量值，這些求出的流量值必須把已知流量值包含在中間。然后，繪出曲線，利用該曲線可確定出與已知流量相對應的水深值，即在曲線上根據已知流量值對應地查出值，該值即為所求。

由于試算法工作量大，比較繁瑣。為了簡化計算，工程中已制成了許多圖，已備查用，見附圖Ⅰ、Ⅱ。查圖法的優(yōu)點是不用內插；缺點是查曲線圖費視力，同時，因圖幅小，圖中曲線的某些部分精度差甚至查不出。因此，為保證查圖結果的可靠，一般可將查圖結果再回代檢驗。電算解法具有速度快，精度高，應用方便的優(yōu)點，在實際工作中正在逐步普及。電算解法根據其計算方法常用的有二分法、牛頓法、迭代法2、查圖法3、電算解法例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=1.5渠中水深

過水斷面

濕周水力半徑謝才系數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=1.5

設計新斷面：已知Q、i、n，b、m，即已知底寬求水深h

，需試算求解將代入并整理得

式中，Q、b、m、n及i已知，h為待求量。

上式含h的高次隱函數，不可直接求解渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

將b、i、m代入

化簡

計算過程

例一梯形斷面，m=1.0，漿砌石砌護n=0.025，i=1/800，b=6.0m，設計流量70m3/s，確定堤頂高度（超高0.5m）例一梯形渠道，流量Q=19.6m3/s，流速v=1.45m/s，m=1.0，糙率n=0.02，i=0.0007，試求渠道斷面b及h。

m/s正常水深的迭代計算法

化簡成迭代公式:

迭代計算:假定一個初始hi值,

得到hi+1,當hi+1-hi滿足精度時,

h=hi+1迭代初值為：渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m

解

將m=1.0，n=0.025，i=1/800，b