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第五章 明渠恒定均匀流 水力学 张殿新 明渠流动的特点：具有与大气相接触的自由表面，无压流动。 谢才公式： * * 基本要求 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。 4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸 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 明渠流的定义及分类 明渠流分类 恒定流 非恒定流 均匀流 非均匀流 明渠 恒定流 非恒定流 均匀流 非均匀流 非均匀流 均匀流 明渠流与管流的比较 管流 恒定流 非恒定流 均匀流 非均匀流 非均匀流 均匀流 明渠横断面 棱柱型 非棱柱型 断面形状分类 明渠横断面对水力要素的影响 水面宽 过水断面面积 湿周 水力半径 断面形状 水面宽度 B 过水断面积 A 湿周 x 水力半径 R *式中 以弧度计 常见明渠横断面的水力要素 非棱柱体（纽面） 棱 柱 体 非 棱 柱 体 1 1 2 2 3 3 棱 柱 体 3 3 2 2 1 1 非棱柱体渠道 明渠的底坡 代表了渠底的倾斜程度 明渠均匀流的特性 明渠均匀流的特性 1.均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。 2.过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。 3.总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。 明渠均匀流的条件 4．渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。 1．水流必须是恒定流。 2．流量应沿程不变，即无支流的汇入或分出。 3．渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙 系数沿程不变。 均匀流段 非均匀流段 非均匀流段 明渠均匀流的计算公式 由于明渠均匀流中J=i,则 K为流量模数， C为谢才系数， 对于重要的河道，可按下式反算出糙率： 各种材料明渠糙率 水力最佳断面 输水能力的决定因素 断面形状 断面尺寸 底 坡 粗糙系数 地形条件等 渠槽材料 经济上 一定时，面积最小 面积一定时， 最大 水力最佳断面 水力最佳断面条件 一定时 越小 越大 一定时 越小 越小 断面圆形 梯形断面 或 梯形断面水力最佳断面条件 梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。 梯形断面水力最佳断面条件 允许流速 1、渠道中的流速应小于不冲允许流速 2、渠道中的流速应大于不淤允许流速 3、渠道中的流速还应满足技术经济条件及管理条件 过大 渠道冲刷 过小 渠道淤积 例题 某梯形土渠设计流量 Q 为2m3/s，渠道为重壤土，粗糙系数n为0.025，边坡系数m为1.25，底坡i为0.0002。试设计一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速 为0.4m/s） 解： 明渠均匀流的水力计算 1.已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量（或流速）。 2.已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求水深h。 3.已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。 4.已知渠道的设计流量Q，水深h、底宽b、粗糙系数n及边坡系数m，求底坡i。 5.已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边坡系数m，要求设计渠道断面尺寸。 梯形 明渠均匀流的水力计算 明渠均匀流的水力计算 已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量（或流速）。 例题2：某水电站引水渠，为梯形端面，边坡系数 边坡系数m=1.5 ，底宽b=34m，糙率n=0.03，底坡i为 ，渠底至堤顶高差为3.2 m。见图，若电站引用流量 Q 为 67 m3/s。今因工业发展需要，要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为0.5m的条件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。 解: 求保证超高0.5m 时的流量，并校核是否发生冲刷 当超高为0.5m 时，渠中水深h = 2.7m 已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求水深h。 明渠均匀流的水力计算 迭代法和图解法 迭代法 明渠均匀流的水力计算 假定h 结 束 是 否 *