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明 渠 流 动? 人 工 渠 道 、 天 然 河 道 以 及 未 充 满 水 流 的 管 道 等 统 称 为 明 渠 明 渠 流 是 一 种 具 有 自 由 表 面 的 流 动 , 自 由 表 面 上 各 点 受 当 地 大 气 压 的 作 用 , 其 相 对 压 强 为 零 , 所 以 又 称 为 无 压 流 动 。 与 有 压 管 流 不 同 , 重 力 是 明 渠 流 的 主 要 动 力 , 而 压 力 是 有 压 管 流 的 主 要 动 力 。? 明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒 定流和非恒定流动。明渠恒定流动又根据流线是 否为平行直线分为均匀流和非均匀流。(流程)明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身 条件而变动,形成各种流动状态和水面形态,在 实际问题中,很难形成明渠均匀流。但是,在实 际应用中,如在铁路、公路、给排水和水利工程 的沟渠中,其排水或输水能力的计算,常按明渠 均匀流处理。明 渠 的 分 类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水 流运动有重要影响,因此在水力学中把明渠分为 以下类型。1 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道,称为 棱柱形渠道,否则为非棱柱形渠道。前者的过水 断面面积A 仅随水深h 变化,即Afh ;后者的过 水断面面积不仅随水深变化,而且还随着各断面 的沿程位置而变化,即Afh,s ,s为过水断面距 其起始断面的距离。? 2 顺坡 正坡 、平坡和逆坡 负坡 渠道明渠渠底线 即渠底与纵剖面的交线 上单位长度的渠底高 程差,称为明渠的底坡,用i 表示,如图,1-1 和2-2 两断面 间,渠底线长度为Δs,该两断面间渠底高程差为a1- a2 Δa ,渠底线与水平线的夹角为 θ ,则底坡i 为。 aaa 1 2 i s i n? ss? 在 水 力 学 中 , 规 定 渠 底 高 程 顺 水 流 下 降 的 底 坡 为 正 当 渠 底 坡 较 小 时 , 例 如i 0.1 或 θ 6° 时 , 因 两 断 面 间 渠 底 线 长 度 Δs , 与 两 断 面 间 的 水 平 距 离 Δl , 近 似 相 等 , Δs ≈ Δl , 则 由 图 可 知aa i t a n? sl 在 上 述 情 况 下 , 两 断 面 间 的 距 离 Δs 可 用 水 平 距 离 Δl 代 替 , 并 且 , 过 水 断 面 可 以 看 作 铅 垂 平 面 , 水 深h 也 可 沿 铅 垂 线 方 向 量 取 。明 渠 底 坡 可 能 有 三 种 情 况 如 图 。 渠 底 高 程 沿 流 程 下 降 的 , 称 为 顺 坡 或 正 坡 , 规 定i 0 ; 渠 底 高 程 沿 流 程 保 持 水 平 的 , 称 为 平 底 坡 ,i0 ; 渠 底 高 程 沿 流 程 上 升 的 , 称 为 逆 坡 或 负 坡 , 规 定i 0 。明 渠 均 匀 流 的 特 征 和 形 成 条 件 1 过水断面的形状和尺寸、流速分布、流量和水深,沿流 程都不变 2 总水头线、测管水头线 在明渠水流中,就是水面线, 其坡度以J 表示 。和渠底线都互相平行 图 ,因而它们的 w 坡度相等? 根据上述明渠恒定均匀流的各种特性,可见只有 同时具备下述条件,才能形成明渠恒定均匀流:1 明渠中水流必须是恒定的,流量沿程不变;2 明渠必须是棱柱形渠;3 明渠的糙率必须保持沿程不变;4 明渠的底坡必须是顺坡,同时应有相当长的而 且其上没有建筑物的顺直段。只有在这样长的顺 直段上而又同时具有上述三条件时才能发生均匀 流。明 渠 均 匀 流 的 基 本 公 式 明 渠 恒 定 均 匀 流 , 可 采 用 谢 才 公 式 计 算 : vC R J 对 于 明 渠 恒 定 均 匀 流 , 由 于Ji , 所 以 上 式 可 写 为 vC R i QAvAC R iK i 式 中K 为 流 量 模 数上 式 中 谢 才 系 数C 可 以 用 曼 宁 公 式 计 算 。 将 曼 宁 公 式 代 入 谢 才 公 式 中 便 可 得 到 2 2 1 1 3 3 vR i QA R i n n 谢 才 系 数C 是 反 映 断 面 形 状 尺 寸 和 粗 糙 程 度 的 一 个 综 合 系 数 , 它 与 水 力 半 径R 和 粗 糙 系 数n 有 关 。 而n 值 的 影 响 比R 值 的 影 响 大 的 多 。 一 般 的 工 程 计 算 , 可 以 根 据 附 录 中 的 表 格 来 查 取n 值 。 重 要 的 工 程 需 要 进 行 实 验 来 确 定 。? 水 力 最 优 断 面 和 允 许 流 速 从 水 力 学 的 角 度 考 虑 , 最 感 兴 趣 的 一 种 情 况 是 : 在 流 量 、 底 坡