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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十章,明渠流和闸孔出流及堰流,9/2/2024,1,第十章明渠流和闸孔出流及堰流9/8/20231,掌握明渠均匀流产生的条件、特征、水力计算；,掌握明渠渐变流的特征，断面单位能量、临界水深、,临界底坡计算，急流与缓流的判别。,学习重点,9/2/2024,2,掌握明渠均匀流产生的条件、特征、水力计算；掌握明渠渐变流的特,理解闸孔出流计算,掌握宽顶堰水力计算,另外还应理解水跃现象及其基本方程，会定性分析,棱柱形渠道中非均匀渐变流水面曲线 。,9/2/2024,3,理解闸孔出流计算掌握宽顶堰水力计算另外还应理解水跃现象及其基,（1）具有自由液面；,（2）湿周是不封闭的曲线；,（3）依靠重力由高处向低处流。,明渠是一种具有自由表面液流的渠道。,一、明渠流特征：,9/2/2024,4,（1）具有自由液面； （2）湿周是不封闭的曲线；（3）依靠,二、特点：,（4）与其它建筑物交叉时，采取措施较复杂。,（1）可沿地势修建，故较简单；,（2）比较经济（不用动力）；,（3）易受外界影响（易蒸发、结冰、污染等）；,9/2/2024,5,二、特点：（4）与其它建筑物交叉时，采取措施较复杂。（1）可,（1）天然明渠,（2）人工明渠,1、据明渠的形成条件：,三、明渠分类：,过流断面为不规则图形。,如：天然形成的江、河、湖、海。,过流断面为规则图形。,9/2/2024,6,（1）天然明渠（2）人工明渠1、据明渠的形成条件：三、明渠分,2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：,（1） 棱柱形渠道,A = f (h),；,（2）非棱柱形渠道,A = f (h，s),9/2/2024,7,2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：（1） 棱柱形渠,3、按过流断面的几何形状：,（1）规则形渠道,（2）不规则形渠道,如矩形、圆形、梯形等,天然渠道,9/2/2024,8,3、按过流断面的几何形状：（1）规则形渠道（2）不规则形渠道,v,v,v,（1）顺坡渠道,（2）平坡渠道,（3）逆坡渠道,i, 0,i,= 0,i,底坡坡度,坡降,i,：,i = sin =,z,L,z,L, 沿渠道作一纵向剖开，渠底成一斜,线，此斜线的坡度称为底坡坡度。,9/2/2024,10,底坡坡度坡降 i ：i = sin =zLzL,若,很小，则：,z,i = sin tg=,L,x,1,2 过流断面的水深,h,1,h,2,铅垂水深。,h,1,h,2,9/2/2024,11,若很小，则： zi = sin tg=Lx1,5、按流动是否恒定：,（1）明渠恒定流；,（2）明渠非恒定流。,6、按流动是否均匀：,（1）明渠均匀流；,（2）明渠非均匀流。,9/2/2024,12,5、按流动是否恒定：（1）明渠恒定流；（2）明渠非恒定流。6,明渠,暗渠,一般用来输送清水。,一般用来输送污水。,四、适用范围：,9/2/2024,13,明渠暗渠一般用来输送清水。一般用来输送污水。四、适用范围：9,（2）,J,= J,P,= i,。,（1）,h、 v、 u、 A,（断面尺寸）、形状沿程不变；,恒定明渠均匀流,水深、断面平均流速、流速分布,等都沿程不变的明渠流。,101 恒定明渠均匀流,一、特性及发生条件,1、水力特性：,i,Jp,J,v,2,2g,9/2/2024,14,（2） J = JP = i 。（1）h、 v、 u、,（1）水流恒定；,（5）沿程无局部阻力。,（2）渠道为长直棱柱形、顺坡渠道；,（3）底坡,i,沿程不变；,（4）粗糙系数,n,沿程不变；,2、形成条件：,在实际工程,中，大多都属于,非均匀流，但在一定的条件下，,可将某段流动近,似地视为均匀,流，以简化计,算。,9/2/2024,15,（1）水流恒定；（5）沿程无局部阻力。（2）渠道为长直棱柱形,1、流速：,2、流量：,二、基本公式谢才公式,K流量模数,用,h,0,表示,发生明渠均匀流时的水深。,3、正常水深,输水能力, 在一定的正常水深时通过的流量。,9/2/2024,16,1、流速：2、流量：二、基本公式谢才公式K流量模数用,1、水力最优断面：,分析：,三、水力最优断面和允许流速,Q,=,f,( 断面尺寸，形状，,n,，,i,)，,而,i,一般可据地势而定，,n,可据材料而定。,Q,=,f,( 断面尺寸，形状 ),9/2/2024,17,1、水力最优断面：分析：三、水力最优断面和允许流速 Q,1 当,n ,i,一定时，使渠道通过流量最大的,断面形状即,水力最优断面,。,2 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水,力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。,断面面积一定时，流量最大为最佳。,流量一定时，断面面积最小为最佳；,9/2/2024,18,1 当 n , i 一定时，使渠道通过流量最大的2,（1）最优断面推导曼宁公式,当,n、i、A,一定时，,x,最小，可使,Q,最,大，从理论上分析，此时的过流断面应,为,圆形,，但因圆形断面施工困难，平日,维护不便，故一般多采用,梯形,断面。,9/2/2024,19,（1）最优断面推导曼宁公式当 n、i、A 一定时，x 最,),1,(,2,2,m,m,h,b,-,+,=,=,b,B,h,（2）梯形断面水力最优条件：,m = ctg,只与 m有关。,m 边坡系数。,9/2/2024,20,)1(22mmhb-+=bBh（2）梯形断面水力最优条,（3）注意：,水力最优只是从水力学角度考虑， 在实际,工程中还应考虑工程造价、施工技术、运转费,用、养护管理等， 诸多方面的因素从而选择,经济合理的断面。,9/2/2024,21,（3）注意： 水力最优只是从水力学角度考虑， 在实际, 渠道既不遭冲刷，又不产生淤积的设计流速。,渠道设计除考虑水力最优、最经济外，还应考虑渠道的防冲刷和防淤积能力，以保证液体流动畅通，不影响其输水能力。,2、渠道允许流速,9/2/2024,22, 渠道既不遭冲刷，又不产生淤积的设计流速。 渠道设,即：,v,min, v v,m ax,其中 :,v,min,不淤允许流速。,v,m ax,不冲允许流速，取决于土质情况。,9/2/2024,23,即： vmin v v,m ax,，或,v 在,kh,曲线上查找与对应的,h,。,方法 ：,1 据,作,kh,曲线；,K,R,Ac,=,2 据已知条件得出 ：,（1）,b,已定，,h,待定 。,h,h,0,k,0,k,k h,线,9/2/2024,29,3 在 kh 曲线上查找与对应的 h 。 方法 ：1,（2）,h,已 定，,b,待定。,方法同（1）。,（3）,已定，求相应的,b ， h,。,=,b,h,1 对小型渠道： 可按水力最优计算 。,2 对大中型渠道： 还应考虑经济条件。,方法：,9/2/2024,30,（2）h 已 定，b 待定。方法同（1）。（3） 已定,方法：,（4） 据,v,m ax,设计,b, h,。,A =( b + m h )h,R =,A,x,2 计算：,联立即可求,得,b， h,。,1 先找出过流断面各,要素之间的关系：,9/2/2024,31,方法：（4） 据 vm ax 设计 b, h 。,五、圆形断面水力最优计算,可按明渠均匀流基本公式计算。,1、无压圆管各水力要素之间的关系,（ p,67,）。,h,d,充满角,充满度。,9/2/2024,32,五、圆形断面水力最优计算可按明渠均匀流基本公式计算。1、无压,（1） 当,=1,时， 为满管流动；,（2） 当,1,时，为不满管流动。在污水管路,设计中，为通风、防暴及适应污水量的变,化，一般均应设计为不满流。,其最大充满度见表,104,。,9/2/2024,33,（1） 当=1 时， 为满管流动；（2） 当 500mm,：,v,min,=0.8m/s,d 500mm,：,v,min,=0.7m/s。,可参阅有关手册与规范。,9/2/2024,42,（5） 对于最小管径、最小设计坡度的规定：（3） 排水管的最,六、复式断面明渠均匀流水力计算,Q,1,Q,2,Q,3,特性：,2 各部分的湿周仅,考虑水流与固体,壁面接触的周界。,1,J,1,= J,2,= J,3,9/2/2024,43,六、复式断面明渠均匀流水力计算 Q 1Q 2Q 3特性：2,1、非均匀流的产生及特征：,10-2 恒定明渠（非均匀）流的流,动型态和若干基本概念,（1）产生：,1 人为因素在渠道上建桥、设涵、修坝等水,工建筑，会破坏发生均匀流的条,件，从而产生非均匀流。,9/2/2024,44,1、非均匀流的产生及特征：10-2 恒定明渠（非均匀）,1,v、h,、u,沿程改变，水面线一般为曲线；,2,J, J,p, i,。,2 自然因素河渠受大自然作用，过流断面、底,坡发生改变，产生非均匀流。,（2）特征：,9/2/2024,45,1 v、h 、u 沿程改变，水面线一般为曲线； 2,2、分类：,（1） 渐变流,（2） 急变流,1 分析水面曲线；,2沿程水深计算。,h,沿程无突变，流线近似平行直线，,过流断面压强分布 符合静水压强分布。,h,沿程急剧改变，流线间夹角很大。,明渠非均匀流要解决的问题：,9/2/2024,46,2、分类：（1） 渐变流（2） 急变流1 分析水,c,v,缓流,明渠流的两种流动型态,一、缓流和急流,1、缓流,若障碍物对水流的干扰可向上游传,播，则为缓流。,有：,v c,主要发生在底坡陡峻，,水流湍急的河渠中。,明渠流的水面线型与,流态有关，故分析水,面线应先判断流态。,9/2/2024,48,2、急流若障碍物对水流的干扰只对附近水流 c v急流有：,二、明渠流流动型态判别标准,弗汝德数,2、弗汝德数,F,r,1、微波的绝对波速,（自阅）,反映了,惯性力,与,重力,之间的关系。,9/2/2024,49,二、明渠流流动型态判别标准弗汝德数2、弗汝德数 Fr,（3）急流：,F,r, 1,。,（1）临界流：,F,r,=1,；,（2）缓流：,F,r, c,时，,c,恒为正，干扰波只向下游传，为,急流,；,当,v 1。（1）临界流： Fr =1,三、断面单位能量、临界水深、临界底坡,1、断面单位能量,基准面选在过流断面最低处时，流体所,具有的机械能。,（1） 任一点的总机械能：,9/2/2024,51,三、断面单位能量、临界水深、临界底坡1、断面单位能量基准,0,0,0,0,h,a,z,p/,（2） 任一点的断面单位能量：,E,断面单,位能量,，,也称,比,能。,9/2/2024,52,000 0 hazp/（2） 任一点的断面单位能量：,（3）,E,与,H,的比较：,2,H,总是沿程下降，但,E,却不一定。,1 概念不同,E = H a,；,因,z,不固定,9/2/2024,53,（3）E 与 H 的比较：2 H 总是沿程下降，但 E 却,见下页,依据：,（4）,E,与,h,的关系曲线：,9/2/2024,54,见下页依据：（4）E与 h 的关系曲线：9/8/202354,h,k,E,min,h,E,E,1,=h,2,2,2,2,gA,Q,E,a,=,E=E,1,+ E,2,3 E=E,1,+ E,2,= 势能 +动能。,2,2,2,gA,Q,a,2 h0， A0， E,；,1 h， A， Eh；,9/2/2024,55,hkEminhEE1=h2222gAQEa=E=E1+ E2,（ 5 ）关系曲线分析：,1 上支：,缓流,E,随,h,的增加而增加。此时，势能（,E,1,）占主,导地位，,E,的变化主要表现在,h,的变化。这种水流,遇到局部干扰时，表现为水位的,壅高或降低,。,9/2/2024,56,（ 5 ）关系曲线分析：1 上支：缓流 E 随 h,2 下支：,急流,3 分界点：,临界流,E,随,h,的减小而增加。此时，动能（,E,2,）,占主导地位，,E,的变化主要表现为,v,的变化。,这种水流遇到局部干扰时，表现为水位的局,部隆起。,9/2/2024,57,2 下支：急流3 分界点： 临界流,2、临界水深,h,cr,（1）临界水深计算式：,由：,得：,对应断面单位能量最小的水深。,其中：,表示过流断面面积随水深的变化率，可近似的以水面宽度,B,代替。,9/2/2024,58,2、临界水深 hcr（1）临界水深计算式：由：得：对应,当给定渠道流量、断面形状和尺寸时，就,可由上式求得,h,cr,值。,由此可知,：,h,cr,与断面形,状、尺寸及 流量有关,；,h,0,与,i ，n,有关,。,9/2/2024,59,当给定渠道流量、断面形状和尺寸时，就9/8/2023,（2）,h,cr,的求解方法：,h,B,A,3,Q,2,g,h,cr,h,B,A,3,试算,作图,3,2,g,q,h,cr,a,=,对矩形断面：,9/2/2024,60,（2）hcr 的求解方法：hBA3Q2ghcrhBA3试算,3、临界底坡,i,cr,正常水深恰好等于临界水深时的渠底坡度。,既满足,均匀流,关系式,又满足,临界流,关系式,即：,计算式：,9/2/2024,61,3、临界底坡 icr正常水深恰好等于临界水深时的渠底坡度,临界坡, i = i,cr,缓坡, i i,cr,4、缓坡、急坡、临界坡,9/2/2024,62,临界坡 i = icr 缓坡 i ,四、判别流动型态的标准,1、缓流：,F,r,h,cr,；i i,cr,；v v,cr,； v 0,F,r,= 1；h= h,cr,；i = i,cr,；v = v,cr,；v = c；,dE,dh, 0,dE,dh, 1；h i,cr,； v v,cr,；v c ；,2、急流：,3、临界流：,9/2/2024,63,四、判别流动型态的标准1、缓流：Frh cr；,103 水跃和跌水,一、水跃,1、水跃现象：,明渠流从急流状态过度到缓流状态时，,水面突然跃起的局部水力现象。,（1） 水跃：,9/2/2024,64,103 水跃和跌水一、水跃1、水跃现象：,（2）发生原因：,由水深较小的急流受到下游水深较大的缓流,阻挡，迫使局部水流强烈混掺，流速骤降， 急流,的动能大量消耗，剩余动能在局部渠段内，急剧,转为势能，由此引起局部水位急剧升高，呈水跃,现象。,9/2/2024,65,（2）发生原因： 由水深较小的急流受到下游水深较大的缓,h,/,h,/,漩涡区,（3） 水跃图示：,缓流区,主流区,急流区,上部为,旋涡区,，下部为,主流区,。此两部分的质点不断相互混掺，进行能量交换。故水跃可以引起大量的能量损失，通常可作为一种消能的措施。,9/2/2024,66,h/ h/ 漩涡区（3） 水跃图示：缓流区主流区急流区,（4） 水跃的形式：,1 完整水跃跃前水深与跃后水深相差显著,的水跃。,3 波状水跃无表面翻滚的水跃。如小桥涵过水。,2 自由水跃纯属缓流水体阻挡造成的水跃。,完整水跃,的一些规律常,可作为某些水跃计算的依据，故在,此着重讨论之。,9/2/2024,67,（4） 水跃的形式： 1 完整水跃跃前水深与跃后水深,2、水跃方程：,（1）几点假设：,1 水跃段摩擦阻力忽略不计；,2 跃前及跃后断面为渐变流过流断面；,3 动量修正系数相同，即,1,=,2,= = 1,；,4 平坡渠道，重力在流动方向上无分量。,9/2/2024,68,2、水跃方程：（1）几点假设：1 水跃段摩擦阻力忽略不计；,（2）方程的推导依据：,动量方程：,1,1,2,2,9/2/2024,69,（2）方程的推导依据：动量方程：11229/8/202369,（3） 完整水跃方程式：,当,Q,一定时，完整水跃方程式为,水深的函数，故可改写成函数式。,9/2/2024,70,（3） 完整水跃方程式：当 Q 一定时，完整水跃方程式为,令：,则有：,J（h,/,）=J（h,/,）,水跃函数,（4）水跃函数：,9/2/2024,71,令： 则有：J（h/）=J（h/）水跃函数（4）水跃函数：,（5）,J（h）,随,h,变化曲线：,如图,45,0,E,J,h,h,k,E,min,J,min,E=f(h),J = f (h),9/2/2024,72,（5）J（h）随 h 变化曲线：如图450E, JhhkE,（6）,对比：,J（h） h,E（h） h,与,上支缓流；,下支急流。,1 曲线形状相似；,2 在同一水深,h,k,时具有最小值；,45,0,E,J,h,h,k,E,min,J,min,E=f(h),J=f (h),9/2/2024,73,（6）对比：J（h） hE（h） h与上支缓流；下支,3 作一任意平行,h,轴的直线，与,J（h） h,曲线相交于两点,M、N,，而,M、 N,两点分别,对应两个水深,h,/,、h,/,。,E,n, E,m,= E,水跃能量损失。,h,/,、h,/,共轭水深；,45,0,E,J,h,h,k,E=f(h),J=f (h),h,，,h,”,E,n,E,m,9/2/2024,74,3 作一任意平行 h 轴的直线，与 J（h） h,3、共轭水深计算（,水跃方程,）,（1）任意断面形状：,1试算；,2 图表 ；,3 作,J（h） h,曲线 。,解题方法,9/2/2024,75,3、共轭水深计算（水跃方程） （1）任意断面形状： 1,见式,1048， 1049，,1050， 1051， 1052。,（2）矩形断面：,9/2/2024,76,见式1048， 1049，1050，,4、水跃的能量损失、水跃长度,（1）能量损失：,主要集中在,水跃,段，可将此段损失作为,水跃能量的全部损失。,9/2/2024,77,4、水跃的能量损失、水跃长度（1）能量损失： 主要集中,对于,平坡、矩形断面,渠道，有：,9/2/2024,78,对于平坡、矩形断面 渠道，有：9/8/202378,（2）水跃长度：,L =,L,j,+,L,0,L,0, 跃后段长度,L,j, 水跃段长度,式1059,式1056,式1057,式1058,9/2/2024,79,（2）水跃长度：L = Lj + L0L0 跃后段长度,（1）远驱式水跃：,h,”, h,0,水跃能量由势能转变为动能，向下游推移，直到多余势能消失，水位与下游相同为止。,5,*,、水跃的三种衔接形式：,h,”, h,0,（2）临界式水跃：,h,”, h0 水跃能量由势能转变为,缓流、急流连接处的断面。,控制断面,二、跌水, 在渠道中，水流由缓流向急流过渡时，,水面突然跌落的水力现象。,其水深为,控制水深,，可认为是,临界水深,。,在进行水面曲线分析时，可作为一个已知条件。,9/2/2024,81,缓流、急流连接处的断面。控制断面二、跌水 在渠道中，,基本方程：,所建立的基本微分方程是进行水面曲线分析和计算的依据。,104 恒定明渠非均匀渐变流 基本微分方程,（2）,（1）,摩阻坡度,9/2/2024,82,基本方程：所建立的基本微分方程是进行水面曲线分析和计算的依据,1水流单位势能的改变 单位动能 +单位能量损失改变。,3,时，一部分动能转变为势能，故水面降,落较小，也可能保持不变，甚至会上升,（如,急流缓流,）。,d,dh,f,恒为正值，故,时，,dz 0,v,2,2g,9/2/2024,83,1水流单位势能的改变 单位动能 +单位能量损失改变。,105 棱柱型渠道中恒定非均匀,渐变流水面曲线分析,可用作水面曲线定性分 析。,1、一般表达式：,一、微分方程,9/2/2024,84,105 棱柱型渠道中恒定非均匀可用作水面曲线定性分 析,2、讨论：,（1）,hh,cr,时，,F,r,1，,即：水流由小于,h,cr,大于,h,cr,时，发生,水跃,；,反之则发生,跌水,。,水面曲线与临界水深正交。,9/2/2024,85,2、讨论：（1） hhcr 时， Fr1，即：水流由小,（2） 水深,h,的沿程变化与,i,有关。,1 ,i, 0时：,3 ,i,i,=0时：,可按发生均匀流,Q,2,= k,0,2,i,Q,2,= k,cr,2,i,cr,K,0,均匀流时,的流量模数。,令：i,/,= - i (i i 0,（1）,i 0,（顺坡）：,K,K,N,N,a,b,c,3、五种底坡、十二个区：,三种坡、八个区,i i,cr,急坡,9/2/2024,87,（1）i 0 （顺坡）：KKNNabc3、五种底坡、十二,a,c,K（,N,）,K（,N,）,ii,cr,临界坡,（2）,i = 0,（平坡）：,K,K,b,c,i = 0,两个区,9/2/2024,88,acK（N）K（N）iicr 临界坡（2）i = 0 （平,（3）,i 0,（逆坡）：,b,c,K,K,i 0,两个区,9/2/2024,89,（3） i 0 （逆坡）：bcKKi 0两个区9/8,?,0,0,0,ds,dh,4、分析水面曲线的任务：,（1）据,i，h,与,h,0,，h,与,h,cr,的关系及,F,r,数，确,定水面曲线沿程变化规律，即：,（2）指出曲线两端的变化趋势，即极限 情况。,9/2/2024,90,?000dsdh4、分析水面曲线的任务：（1）据 i，,二、定性分析,1、顺坡渠道,（,i 0,）,基本公式,h,0, h,cr,（1）,缓坡,（,i 0）基本公式h0 hc,0,ds,dh,1,h,h,0,h,cr,时：,a,I,型壅水曲线,下游端：与水平线渐进。,上游端：与,NN,线渐进。,0,ds,dh,上游端：,以,NN,为渐进线,下游端：,以,水平线,为渐进线,9/2/2024,92,0dsdh1 h h0 hcr 时：aI 型壅,0,h,0,h,h,cr,时：,下游端：与,KK,线正交。,上游端：以,NN,为渐进线。,9/2/2024,93,0 h0 h hcr,0,ds,dh,3,h,0,h,cr,h,时：,c,I,型壅水曲线,上游端：起源于某一水深,下游端：与,KK,线正交,9/2/2024,94,0dsdh3 h0 hcr h 时：cI型壅水曲,0,ds,dh,h,h,cr,h,0,时,：,0,h,h,0,时,：,a,型壅水曲线,b,型降水曲线,（2）,急坡,（,i i,cr,）,h,0,ds,dh,h,cr,h,0,h,时,：,c,型壅水曲线,9/2/2024,95,0dsdhh hcr h0 时：0,1,h,h,0,=,h,cr,a,型壅水曲线,（3）,临界坡,（,i= i,cr,）,h,0,= h,cr,2,h, h h0 = hcra型壅水曲线（3）临界坡（i,2、 平坡渠道（,i= 0,）,只有,KK,线。,（1）,h ,h,cr,b,0,型降水曲线,c,0,型壅水曲线,（2,）,h ,只有,KK,线。,（1）,h ,h,cr,b,/,型降水曲线,（2）,h ,h,cr,c,/,型壅水曲线,3、逆坡渠道（,i hcrb/ 型降水曲线（2）,三、水面曲线的特点与分析方法,1、特点：,（2）除,a,、,c,型之外，其余均遵循下列原则：,（1） 所有,a,、,c,型均为,壅水型,曲线，所有,b,型,均为,降水型,曲线。,9/2/2024,99,三、水面曲线的特点与分析方法1、特点：（2）除 a 、 c,1,hh,cr,时， 水面曲线的连续性中断，与,KK,线正交，发生,水跃,或,跌水,。,3,h,时， 水面曲线渐趋水平。,2,hh,0,时， 水面曲线的渐近线为,NN,线。,9/2/2024,100,1 hhcr 时， 水面曲线的连续性中断，与KK 3,（3）,a,、,c,型曲线在连接,NN,线、,KK,线时，都近乎水平。,（4）渠道足够长时，水流可恢复均匀流，水深为正,常水深，水面线为,NN,线。,9/2/2024,101,（3）a 、 c 型曲线在连接 NN 线、KK,（3）分析水面线的几何特性、上、下游衔接情况，绘,出曲线。,（1）首先判明渠道类型，确定,NN,，,KK,线的,位置。为此， 应先计算,h,0,、h,cr,、i,cr,。,（2）确定控制断面，计算控制断面的水深，按水深所,在区间判明曲线的类型。,2、水面线定性分析要点：,9/2/2024,102,（3）分析水面线的几何特性、上、下游衔接情况，绘 （1）首先,（1）缓坡（包括平坡、逆坡） 急坡：,3、水面曲线衔接的基本规律：,产生,跌水,，折变处即,控制断面,，,水深可作为临界水深。,9/2/2024,103,（1）缓坡（包括平坡、逆坡） 急坡：3、水面曲线衔接的基本,发生,水跃,1,h,/,h,/,= h,t,临界水跃,3,h,/, h,t,远驱水跃,（2）急坡缓坡（包括平坡、逆坡）：,9/2/2024,104,发生水跃1 h/ 确定控制断面处的,E,1,、h,1,、A,1,、V,1, J,f 1,。,2 将明渠分为若干段，再按,s,选定相邻 22断面。,（2）计算要点：,9/2/2024,114,4、非棱柱型渠道水面曲线计算：（1）已知条件：i , n ,由,h,2,计算出,E,2,、A,2,、v,2,、,J,f2,。,缓流向上游算；,急流向下游算。,其中：,h,2,可假定，一般按 0.1 0.3取值。,9/2/2024,115,由 h2计算出 E2、A2、v2 、Jf2 。缓流向,3 按式,计算,再据,及,i,计算,s。,若计算出的,s,与给定的相等，则所设,h,2,即所求,h,2,以上步骤重复逐段,求和，即得整段渠道水,面曲线。,9/2/2024,116,3 按式计算再据及 i 计算 s。若计算出的 s,3 抛物线法。,1 梯形法；,2 矩形法；,近似法：,二、数值求和法（棱柱型渠道）,9/2/2024,117,3 抛物线法。1 梯形法；2 矩形法；近似法：二、数值,108 闸孔出流,一、简介,1、闸门底的类型：,平 坎,宽顶堰坎,实用堰坎,9/2/2024,118,108 闸孔出流 一、简介1、闸门底的类型：平,2、闸门的型式：,矩形平板闸门； 弧形闸门,3、闸孔的出流型式：,自由式； 淹没式,4、闸孔出流与堰流的判别标准：, 0.65,e,H,则为堰流；,若,（1）平坎、宽顶堰坎：,（2）实用堰坎：,则为堰流。, 0.75,e,H,若,9/2/2024,119,2、闸门的型式：矩形平板闸门； 弧形闸门3、闸孔的出流,5、影响闸孔出流的因素：,闸门的型式； 闸孔的尺寸；,闸前的水头； 下游水位等。,9/2/2024,120,5、影响闸孔出流的因素：闸门的型式； 闸孔的尺寸；闸,二、闸孔出流计算,1、自由式闸孔出流,二维、平坎、,矩形闸门,H,c,c,h,t,e,9/2/2024,121,二、闸孔出流计算1、自由式闸孔出流二维、平坎、Hcchte9,系数见表105。,0.951.0,(,平坎,),H,c,c,h,t,e,9/2/2024,122,系数见表105。Hcchte9/8/2023122,2、淹没式,H,e,h,c,h,t,h,二维、平坎、,矩形闸门,、B、e,同,自由式。,h,由动量方,程推导，,见式,1196,9/2/2024,123,2、淹没式 Hehchth二维、平坎、B、e同h 由,3、自由式、淹没式判别标准：,（1）自由式：,不发生淹没式水跃。,（2）淹没式：,发生淹没式水跃。,h,c, h,t,发生淹没式水跃的条件:,h,c, h,t,9/2/2024,124,3、自由式、淹没式判别标准：（1）自由式：不发生淹没式水跃。,（2）判断是自由式、淹没式？,（1）判断是否闸孔出流？,5、举例。,4、闸孔水力计算应注意的问题：,9/2/2024,125,（2）判断是自由式、淹没式？（1）判断是否闸孔出流？5、举例,109 堰 流,1、堰, 一种既可蓄又可泄的溢流设施。,2、堰流,水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面,连续光滑跌落的现象。,9/2/2024,126,109 堰 流1、堰 一种既可蓄又,宽顶堰：,H, 0.67,薄壁堰：,实用堰：,H, 2.5,0.67 , 2.5,3、堰的分类：,（1） 依据堰顶厚度：,H,9/2/2024,127,宽顶堰： H 0.67薄壁堰：实用堰：H 侧收缩堰；,2 无侧收缩堰。,B,b,9/2/2024,128,（2） 依据水流行近堰体的条件：1 侧收缩堰；2 无侧收,1 正堰,v,v,3 侧堰,v,2 斜堰,（3） 依据堰与渠道中水流的方向：,9/2/2024,129,1 正堰vv3 侧堰v2 斜堰（3） 依据堰与渠道中水,（4） 依据堰口的形状：,1 三角堰,3 梯形堰,2 矩形堰,4 流线形堰,1 自由式；,2 淹没式。,（5） 依据下游水位是否影响泄流：,9/2/2024,130,（4） 依据堰口的形状：1 三角堰3 梯形堰2 矩形堰,一、薄壁堰,1、完善堰流与非完善堰流：,当堰上水头,H,较小时，水舌将贴壁而下，,形成不完善堰流，影响泄流能力；当,H,增加,时，水舌离开壁面，但如果水舌与壁面间没,有良好的通风，仍会出现不完善堰流，故在,薄壁堰中应保持水舌下通风充分，以使其为,完善堰流。,9/2/2024,131,一、薄壁堰1、完善堰流与非完善堰流： 当堰上,（1）自由式 （,完全堰,）,2、矩形薄壁堰,完全堰,无侧收缩、自由式、水舌下通风、,矩形、薄壁、正堰。,2 有侧收缩堰：,1完全堰:,m,0,式10104,m式10105,m,0,式10106,9/2/2024,132,（1）自由式 （完全堰）2、矩形薄壁堰完全堰无侧收缩、自,堰下游水面高于堰顶；,1 必要条件：,h,s, 0,2 充分条件：,Z,p,1, 必要条件： hs 02 充,H,p,p,1,h,s,Z,h,t,3、三角形堰,可分成若干矩形堰，再积分。,基本公式同矩,形，可作适当,变换，如:,式 10110，,10111,。,4、梯形堰,自阅,9/2/2024,134,Hpp1hsZht3、三角形堰可分成若干矩形堰，再积分。,二、实用溢流堰,真空堰,非真空堰,（2） 折线型实用堰,（1）,曲线型实用堰,折线型,曲线型,主要用于蓄水或挡水，其剖面可设计成,曲线型，折线型。,1、分类：,9/2/2024,135,二、实用溢流堰真空堰非真空堰（2） 折线型实用堰（1） 曲线,堰面曲线轮廓低于水舌曲线下缘时，在设计,水头下，水舌将在局部范围内与堰面脱离，,形成真空， 即真空堰。,真空堰因存在真空，可使过流能,力增加，但负压过大会造成堰表面,发 生汽蚀此处的最大允许真空值。,为 35米水柱。,1真空堰,9/2/2024,136,堰面曲线轮廓低于水舌曲线下缘时，在设计 真空堰因存在真空,2非真空堰,堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水,舌下缘与壁面曲线相吻合，保证在设计水,头下达到最大过流量， 水流作用于液面上,的压强近似大气压。,判别淹没条件同薄壁堰。,2、计算式,（1）自由式无侧收缩：,9/2/2024,137,2非真空堰堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水 判别,1,m,曲：,0.430.50,折：,0.350.43,（2）有侧收缩：,（3）淹没式：,真,：0.5；,非,：0.45,2,式 10116。,3 其它分别查有关表格。,9/2/2024,138,1 m曲：0.430.50折：0.350.43（2,三、宽顶堰,小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等,一般都属于宽顶堰水流计算。,1、水力现象分析：,（1）当,H, 4,2.5 ,时，堰顶水面只有一次跌落，,堰坎末端偏上游处的水深为临界水深,h,cr,。,9/2/2024,139,三、宽顶堰 小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄,工程中常见的是第二种宽顶堰,时，堰顶水面出现两次跌落，,H, 10,4 ,（2）当,其水深为：,h,c,（0.80.92）h,cr,在最大跌落处形成收缩断面，,9/2/2024,140,工程中常见的是第二种宽顶堰时，堰顶水面出现两次跌落，H,同实用堰； 3,表109。,1,m,查表1010； 2,表109。,有坎宽顶堰：,无坎宽顶堰：,1,m,式10119，10120；,3,已考虑进,m,，不单算。,9/2/2024,141,2、堰流基本公式：注：对有侧收缩和淹没宽顶系数：2 同实,3、淹没判别的标准：,1 必要条件：,h,s, (0.750.85)H,0,h,s, 0 ；,2 充分条件：,或 h,s,(1.251.35) h,cr,三类水力计算，,分别为计算：,Q ，H，B,四、堰流水力计算,薄壁堰、,实用堰、,宽顶堰,9/2/2024,142,3、淹没判别的标准：1 必要条件：h s (0.75,116 水工建筑物下游水流衔接与消能,一、简介,1、消能消除或缩短泄水建筑物下游急流段的措施，简称消能。,2、消能的设计原则,在控制的局部流段内，增加水流的紊乱、,消减水流流速，消除对河床的有害能量。,3、消能的方法:,底流式消能、,面流式消能、,挑流式、,人工加糙、,单级跌水或多级跌水。,9/2/2024,143,116 水工建筑物下游水流衔接与消能一、简介1、消,（1）底流式消能：,特点：,水流的主流在渠底，有消力池或消力槛。,设计原则：,在消力池或消力槛前造成淹没式水跃，以利用水跃消能。,适用范围：,多用于软土地基上的中、低水头泄水建筑物下游。,（2）面流式消能：,特点：,将主流引向下游水面，并在河床与表层水之间形成旋涡区,以消耗能量。,利用平顶或小挑角鼻坎，将游急流送到下游水流表面。为了造成面流式消能，多用平顶或小挑角鼻坎，并将鼻坎顶端造成戽勺形，使水流在戽勺内形成水跃，在坎后形成面流，在戽内、跌坎下游、下游水面形成三个大旋涡以消能。故也称戽流消能。,设计原则：,9/2/2024,144,（1）底流式消能：特点：水流的主流在渠底，有消力池或消力槛。,优点：,对河床冲刷小，可节约防护工程投资。,缺点：,会引起下游水位激烈波动，对岸坡的稳定及航运不利。,下游水深较大且稳定的水流。,适用范围：,（3）挑流式：,利用下泄水流具有的高流速，将水流挑射到远离泄水建筑物的下游河床中。因挑射水流受空气阻力影响，水股发生分散，射入下游河床后，与下游水流剧烈混掺，大量的下泄能量被消耗掉，从而降低流速，保护河床。,适用范围：,岩石地基上的中、高水头泄水构筑物下游。,（4）人工加糙：,在急流槽或在下游局部河床中，采用人工增加渠道的粗,糙度以降低流速，达到消能。,9/2/2024,145,优点：对河床冲刷小，可节约防护工程投资。缺点：会引起下游水位,（5）单级跌水或多级跌水：,多用于地形较陡的河渠。,单级跌水的组成：,进口渠槽,消能设施,跌坎,消力池,消力槛,综合消力池等,二、底流衔接与消能,以实用堰为例,水流由堰顶溢流而下，势能减小，,动能增加，在,cc,处形成收缩断面，,cc,处的急流向下游缓流过渡，产,生水跃。,9/2/2024,146,（5）单级跌水或多级跌水：多用于地形较陡的河渠。单级跌水的组,1、水跃的衔接形式：,（1） 远驱式水跃：,h,c, h,ct,， 跃前急流段较长，河床需加固段加长；,（2） 淹没式水跃：,h,c, h,ct,， 淹没度较大，消能效果低，,水跃段长度增加；,（3） 临界式水跃：,h,c,= h,ct,，消能效率高，需保护的河段较短，是最好,的水流衔接方式。,此种水跃不稳定，,下游水位稍有变
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