水力学-第五章明渠均匀流课件

第五章 明渠均匀流主要内容p明渠均匀流的水力特性和基本公式p水力最优断面p允许流速p明渠均匀流的水力计算p无压圆管均匀流2024/7/2长安大学25.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学3天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流，水流流动力为重力。明渠水流分类：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均匀流明渠非均匀流如果明渠恒定流中的水深和流速沿程不变，则称为明渠均匀流。所以，水流在前进方向上的合力为零。5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学4ZLL流速V与i成正比重力与阻力达到平衡5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学5明渠的底坡能形成均匀流不能形成均匀流不能形成均匀流5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学6棱柱形渠道和非棱柱形渠道棱柱形渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道。非棱柱形渠道：断面形状、尺寸或底坡改变的渠道。5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学7明渠均匀流形成条件（1）水流必须是恒定流，以保证沿程水深、流速不发生变化；（2）渠道必须是长直棱柱形渠道，以保证过水断面形状、尺寸、表面粗糙系数n等沿程不变；（3）底坡必须沿程不变，且为顺坡;（1）过水断面的形状、尺寸沿流程不变，则水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深，用h0表示；（2）过水断面上流速分布和断面平均流速沿流程不变；（3）水流的总水头线、水面线（测压管水头线）和渠底线三条线平行。故总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Jp=i。明渠均匀流特征明渠均匀流的比动能、比压能沿程不变，比位能沿程减小，比位能减少值等于克服水流阻力所消耗的比能，即重力功完全克服阻力功。明渠均匀流是重力和阻力达到平衡的一种流动。5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学8实际工程中的渠道并不是都能严格满足上述要求的，特别是许多渠道中总有这种或那种建筑物存在，因此，大多数明渠中的水流都是非均匀流。但是，在顺直棱柱体渠道中的恒定流，当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，水流仍近似于均匀流。5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2024/7/2长安大学9明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式：5.2 水力最优断面2024/7/2长安大学10在底坡i及粗糙系数n已定的前提下，渠道的过水能力Q取决于渠道的横断面形状及尺寸，从经济观点上来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知的设计流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，称为水力最佳断面。若i、n、A不变时，湿周最小时，Q最大；若i、n、Q不变时，A最小时，湿周最小；所以，水力最优断面的过水断面面积及湿周均为最小。过水断面面积最小，则土方开挖量最小；湿周最小，则渠壁的阻力最小。5.2 水力最优断面2024/7/2长安大学11bh1mB梯形断面的水力要素过水断面面积A：A=(b+mh)h水面宽B：B=b+2mh湿周：5.2 水力最优断面2024/7/2长安大学12bh1mB梯形断面的水力要素m00.250.51.01.52.02.53.0b/h2.01.561.2360.8280.6060.4720.3850.32梯形水力最佳断面通常都是窄而深的断面。这种断面虽然工程量最小，但不便于施工及维护。所以，无衬护的大型土渠不宜采用梯形水力最佳断面。5.3 允许流速2024/7/2长安大学13为保证渠道的正常工作，使之在运用中不致发生冲、淤现象，对渠道的平均流速应规定上限值和下限值。这种对渠身不会产生冲刷，也不使水中悬浮的泥沙在渠道中发生淤积的断面平均流速，称为允许流速。允许流速的上限，保证渠道不遭受冲刷，称为不冲流速vmax。允许流速的下限，保证渠道不产生淤积，称为不冲流速vmin。（vmax）不淤流速 断面平均流速 不冲流速（vmin）5.3 允许流速2024/7/2长安大学14最大允许不冲流速5.3 允许流速2024/7/2长安大学15最大允许不冲流速5.3 允许流速2024/7/2长安大学16最小允许不淤流速渠道中的最小允许不淤流速与水中的含沙量、泥沙的粒径及水深等因素有关，一般不小于0.5m/s，具体可以按照经验公式计算。R-水力半径；a-系数，与水中所含泥沙有关，粗沙时a=0.650.77；中沙时a=0.580.64；细沙时a=0.410.45。5.3 允许流速2024/7/2长安大学17例5-2 某电站引水渠，在粘土中开凿，情况较坏，在使用过程中岸坡已滋生杂草。今测得下列数据：断面为梯形，边坡系数m为1.5，底宽b为34m，底坡i为1/6500，渠底至堤项高差为3.2m。问：（1）试计算渠道在保证超高为0.5m的条件下，渠中是否发生冲刷。（2）渠中水深h为1.5m，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道是否发生淤积(已知不淤流速 为0.5ms)5.3 允许流速2024/7/2长安大学18由于渠道在粘土中开凿，情况较坏，在使用过程中岸坡已滋生杂草，按照表4-2，取n=0.03。5.3 允许流速2024/7/2长安大学19查表5-5，渠道土质为粘土时，最大允许不冲流速为0.85m/s，当R=2.35时，对应的最大允许不冲流速为0.85R1/4=1.05m/s，即vvmax，渠道不会发生冲刷。5.3 允许流速2024/7/2长安大学205.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学21公路工程中，梯形断面的渠道应用最广，现以梯形渠道为例，来说明经常遇到的几种问题的计算方法。由式(5.6)可以看出，对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系：上式中包括Q、b、h、i、m、n六个变量。一般情况下，边坡系数m及粗糙系数n是根据渠道护面材料的种类，用经验方法来确定。这样在剩余Q、b、h、i四个变量中，选定三个，然后，应用基本公式求另一个变量。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学22例1.某梯形渠道在粘土中开凿，未加护面，岸坡已滋生杂草。断面边坡系数m为1.5，底宽b为34m，底坡i为1/6500，渠底至堤项高差为3.2m。试计算渠道在保证超高为0.5m的条件下，渠道的输水能力，即流量。1.验算渠道的输水能力 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)。这一类型的问题大多属于对已成渠道进行校核性的水力计算。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学231.验算渠道的输水能力 解：当超高为0.5m时，渠道中的水深为2.7m，对应的各水力要素为：由于渠道在粘土中开凿，情况较坏，在使用过程中岸坡已滋生杂草，按照表4-2，取n=0.03。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学242.求渠道的底坡i已知渠道的断面尺寸、粗糙系数、流量或流速，求渠道的底坡，即已知K、Q，求管渠底坡i。这一类问题，相当于根据其它技术要求，拟定了断面形式、尺寸及护面情况。可直接计算。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学25例2.某灌溉渠道上，拟建一座渡槽，初步确定采用铜丝网水泥喷桨薄壳渡槽，表面用水泥砂浆抹面、断面为U形，底部半圆直径d为2.5m，上部接垂直侧墙高0.8m(包括超高0.3m)。设计流量Q为5.5m3s，试计算渡槽底坡。2.求渠道的底坡i5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学262.求渠道的底坡i解：由表5.3，水泥灰桨抹面，n0.013。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学273.确定断面尺寸已知管渠的输水能力Q、渠道的底坡、粗糙系数n，以及采用的断面形状（梯形、矩形、圆形等），要求确定断面的尺寸，这是新管渠的断面设计问题。过水断面的尺寸与d和h有关，即这类问题有两个未知数，满足公式5-7的b和对应的h有无限多个，必须结合实际和技术经济要求，再附加一个条件才能得到唯一的解。一般工程中有以下两种情况：根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b按照水力最优断面的条件或者设计流速，求h和b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学283.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b已知渠道的设计流量Q，底坡i，边坡系数m和粗糙系数n，底宽b，求水深h。例3.某电站引水渠，设计流量Q为70m3/s，采用梯形断面，用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道耐冲能力。边坡系数m为l，根据天然地形，为使挖、填方量最少，选用底坡i为1/800，底宽b为6m，试计算渠堤高度(要求超高0.5m)。渠堤高度=渠道水深+安全超高5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学293.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学303.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学313.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学323.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b已知渠道的设计流量Q，底坡i，水深h，边坡系数m和粗糙系数n，求底宽b。这一类问题的计算方法，与前一类求h的方法类似，也是采用试算图解法。例4.某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土(用刮泥刀做平)预制构件拼接成矩形断面，根据渡槽两端渠道尺寸及渠底高，初步拟定渡槽的底坡i为1/1000，水深h为3.5m，设计流量Q为31m3s。试计算渠道底宽b。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学333.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b解：由表5.3，对于刮泥刀做平的混凝土预制构件，n0.013。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学343.确定断面尺寸根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学353.确定断面尺寸按照水力最优断面的条件或者设计流速，求h和b已知渠道的设计流量Q，底坡i，边坡系数m和粗糙系数n，按水力最优断面设计求底宽b和水深h。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学363.确定断面尺寸按照水力最优断面的条件或者设计流速，求h和b已知渠道的设计流量Q，底坡i，边坡系数m和粗糙系数n，渠道设计流速v，求底宽b和水深h。以梯形为例：将A、R的值代入下式：联立即可解出b和h。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学373.确定断面尺寸按照水力最优断面的条件或者设计流速，求h和b例5.已知一梯形渠道，Q为19.6m3s，v为1.45ms，边坡系数m为1，粗糙系数n为0.02，底坡i为0.0007，求所需的水深及底宽。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学383.确定断面尺寸按照水力最优断面的条件或者设计流速，求h和b5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学393.确定断面尺寸确定b和h0这是常见的多种选择的设计任务。任设 b,b1 bi 计算 h0,h01 h0i Q,Q1 Qi 从中选择一组bi 和h0i 能满足：渠道所担负的任务；允许流速；技术经济要求。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学40断面周界上粗糙度不同的明渠均匀流的水力计算当明渠的渠底和渠壁采用不同材料时，粗糙系数会沿湿周发生变化，这种渠道称为非均质渠道。非均质渠道的水力计算通常按均质渠道的方法处理，求得等效的粗糙系数。5.4 明渠均匀流的水力计算2024/7/2长安大学41复式断面明渠均匀流的水力计算当通过渠道的流量变化范围比较大时，渠道的断面形状常采用复式断面。计算复式断面明渠均匀流的流量时，先将复式断面划分成几个部分，分别计算其流量后相加求得。415.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学42无压圆管均匀流是明渠均匀流的一种。所谓无压圆管是指不满流的圆管，城市排水中的污水与雨水管道均属于无压圆管均匀流。充满度充满角水深过水断面湿周水力半径5.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学431、无压管道的水流特征 对比较长的无压园管来说，直径不变的顺直段，其水流状态与明渠均匀流相同，即 流速和流量分别在水流为满流之前达到最大值，即水力最优情况发生在满流之前。5.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学44无压圆管流的无因次流速与流量设Qd、vd、Cd、Rd和Q、v、C、R分别代表满管和不满管时的水力要素，则：5.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学45无压圆管流的无因次流速与流量当=0.95时，此时通过的流量最大，为恰好满流时流量的1.087倍。当=0.81时，此时管中的流速达到最大，为恰好满流时的1.16倍。随着充满度的增大，圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同。水力半径R在=0.81时达到最大值，流速也达到最大值；其后，虽然水力半径R有所减小，但是过水断面面积A继续增大，所以流量继续增大；当达到0.95之后，湿周（阻力）增加的速率超过了A的增加速率，从而使流量有所降低。5.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学46无压圆管流的无因次流速与流量 校核过流能力：已知d,n,和i,求Q 设计底坡：已知Q,d,n,求 I 设计d：已知Q,n,i和 求d这类问题必须试算。5.5 无压圆管均匀流2024/7/2长安大学47无压圆管流的无因次流速与流量2024/7/2长安大学48谢谢大家！谢谢大家！