明渠恒定均匀流1

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1、5明渠恒定均匀流5明渠恒定均匀流明渠一种人工修建、或自然形成的渠槽，如人工渠道和天然河道。明渠流水流通过明渠时，形成与大气相接触的自由表面（液面上各点压强均为大气压强）。这种水流称为明渠水流，或无压流。明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的，例如：水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压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为明渠水流。明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。明渠恒定流明渠流中的水力要素（时均值）均不随时间变化，称明渠恒定流，否则称明渠非恒定流。明渠均匀流明渠流中，流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿

2、程不变。5.1明渠的类型及其对水流运动的影响5.2明渠均匀流特性及其产生条件5.3明渠均匀流的计算公式5.4水力最佳断面及允许流速5.5明渠均匀流的水力计算5.6粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算5明渠恒定均匀流5.1明渠的类型及其对水流运动的影响5.1.1明渠的横断面垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线称为明渠的横断面。人工明渠横断面天然河道横断面通常有矩形、梯形、圆形、马蹄形断面等。矩形断面水面宽度过水面积湿周水力半径常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠道混凝土渠木渠hbBhb1mα梯形断面水面宽度B=b+2mh过水面积湿周水力半径土质地基上的渠道边坡系数amcot=土壤种

3、类边坡系数m粉砂3.0~5.3细沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密实黄土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半岩性的抗水的土壤0.5~1.25风化的岩石0.25~0.5未风化的岩石0~0.25表5.1梯形渠道边坡系数mBhb1mαm的大小应根据土的种类或护面情况而定。材料的坚硬程度越高，m越小。圆形断面水面宽度过水面积湿周水力半径用于无压隧洞dhθ河道横断面天然河道的横断面形状不规则，分主槽和滩地两部分。枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地滩地主槽河道横断面天然河道的横断面形状不规则，一般是非棱柱体；若断面变化不大，又较平顺，可近似作为棱柱体渠道

4、。滩地主槽渠道分类棱柱体渠道非棱柱体渠道棱柱体渠道断面形状尺寸底坡糙率渠道不弯曲如：人工开凿的大部分渠道沿程不变非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体非棱柱体渠道断面形状尺寸底坡糙率渠道弯曲如：天然河道人工渠道连接段（扭面）沿程变化非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体3322115.1明渠的类型及其对水流运动的影响5.1.2明渠的底坡明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦：。θ：渠底与水平面夹角ds：两断面的间距dz：两断面的渠底高程差dzdsv水面线底坡线θiszidd

5、sin-==q明渠底坡三种类型：正坡：i>0渠底高程沿流程降低，也称为顺坡。平坡：i=0渠底高程沿程不变负坡：i<0渠底高程沿流程增加，也称为逆坡。i>0i=0i<0顺坡、正坡平坡逆坡、负坡在平底渠道中i=0，流段重力在顺流方向分力Gsinθ=0；在逆坡渠道中，流段重力的分力Gsinθ与摩阻力Ff的方向一致，因而都不可能满足Gsinθ＝Ff的平衡条件，故在平底及逆坡渠段中，不可能产生均匀流动，只有在顺坡渠道中，才有可能产生均匀流。5.1明渠的类型及其对水流运动的影响5.2明渠均匀流特性及其产生条件5.3明渠均匀流的计算公式5.4水力最佳断面及允许流速5.5明渠均匀流的水力计算5.6粗糙度不

6、同的明渠及复式断面明渠的水力计算5明渠恒定均匀流Ff=Gs均速运动Ff0)明渠加速运动5.2明渠均匀流特性及其产生条件5.2.1明渠均匀流的特性1.过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。2.过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。3.总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即4.水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=Ff。正常水深h05.2明渠均匀流特性及其产生条件5.2.2明渠均匀流产生的条件充分必要条件：力学条件渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）。能量条件水

7、面下降值始终等于水头损失。由水流向动量方程:由均匀流条件：FP1＝FP2；v1＝v2v2v1FP2τ0GαABCDFP1Ff必要条件：恒定流流量沿程不变（无分叉和汇流情况）渠道为长、直的棱柱体顺坡渠道渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰底坡、糙率沿程不变5.2明渠均匀流特性及其产生条件5.2.2明渠均匀流产生的条件实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。