1、第六章第六章 明明 渠渠 均均 勻勻 流流第一節第一節 概概 述述第二節第二節 明渠均勻流特性及公式明渠均勻流特性及公式第三節第三節 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速第四節第四節 無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流第一節第一節 概概 述述明渠明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流明渠水流分類分類：明渠恒定流明渠恒定流明渠非恒定流明渠非恒定流明渠明渠均勻均勻流流明渠明渠非均勻非均勻流流明渠明渠非均勻非均勻流流 無無AAQCross section A-A人工渠道、天然河道以及人工渠道、天然河道以及未被液流所充滿的管道未被液流所充滿的

2、管道都是明渠流都是明渠流. . 明渠流與有壓流區別明渠流與有壓流區別 有壓管流：有壓管流： 具有具有封閉封閉的濕周；的濕周； 壓力壓力是流動的主要動力。是流動的主要動力。明渠流：明渠流： 具有具有自由自由水面（即水面壓強為大氣壓）；水面（即水面壓強為大氣壓）； 重力重力是流動的主要動力；是流動的主要動力； 明渠水面線即測壓管水頭線明渠水面線即測壓管水頭線一、明渠橫斷面一、明渠橫斷面1.1.天然河道的橫斷面天然河道的橫斷面呈不規則形狀，呈不規則形狀，分分主槽和灘地主槽和灘地枯水枯水期：水流過主槽期：水流過主槽豐水豐水期：水流過主槽和灘地期：水流過主槽和灘地 灘灘 地地主主 槽槽 斷面確定：根據地

3、質條件斷面確定：根據地質條件2.2.人工明渠的橫斷面人工明渠的橫斷面據渠道的據渠道的斷面形狀斷面形狀分分: :梯形、矩形、圓形、拋物線形等梯形、矩形、圓形、拋物線形等hbdh巖石中開鑿或條石砌筑或混巖石中開鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠凝土渠或木渠 矩形矩形排水管道或無壓隧道排水管道或無壓隧道 圓形圓形土質地基土質地基 梯形梯形mhbB2hmhbhBbA)()2(212mhb212)(mhbhmhbRhbctgm bBhm1渠道渠道底寬底寬 b b渠中渠中水深水深 h h水面水面寬度寬度 B B過水斷面過水斷面面積面積 A A水力水力半徑半徑 R R斷面斷面寬深比寬深比 邊坡系數邊坡系數m m：

4、邊坡上高差為邊坡上高差為1m1m的兩點間的水平距離的兩點間的水平距離土壤種類土壤種類邊坡系數邊坡系數 m粉砂粉砂3.05.3細沙細沙2.53.5砂壤土砂壤土2.02.5粘砂壤土粘砂壤土1.52.0粘土，密實黃土粘土，密實黃土1.251.5卵石和砌石卵石和砌石1.251.5半巖性的抗水的土壤半巖性的抗水的土壤0.51.25風化的巖石風化的巖石0.250.5未風化的巖石未風化的巖石0.000.25 m m的大小應根據土的種類或護面情況而定，可查表的大小應根據土的種類或護面情況而定，可查表二、明渠底坡二、明渠底坡 底坡底坡i i 渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡渠底高程沿水流方向單位距離的

5、降落值稱為底坡lziddsin 渠底線與水平線之間的夾角渠底線與水平線之間的夾角 如果用水平距離代替實際距離，如果用水平距離代替實際距離， 用垂直水深代替實際水深用垂直水深代替實際水深tgdldzix 明渠底坡有三種類型明渠底坡有三種類型 正（順）坡正（順）坡 i 0 渠底高程沿流程降低渠底高程沿流程降低 平平 坡坡 i = 0 渠底高程沿程不變渠底高程沿程不變負（逆）坡負（逆）坡 i 0 i = 0 i 0 0 v 單位單位 m.sm.s? 糙率糙率 n n 值的確定值的確定天然河道中影響糙率天然河道中影響糙率 n n 值的因素值的因素 河床表面粗糙河床表面粗糙 斷面的不規則、平彎情況、斷面

6、的不規則、平彎情況、 灘地交叉、河道阻礙情況灘地交叉、河道阻礙情況 河堤沙坡影響隨水深變化河堤沙坡影響隨水深變化 注注 意意: : 選擇時應謹慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏選擇時應謹慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏 小，對實際輸水能力影響較大。小，對實際輸水能力影響較大。第三節第三節 水力最佳斷面水力最佳斷面 及允許流速及允許流速一、明渠水力最優斷面一、明渠水力最優斷面322135213211iAniARnQ水力最佳斷面：水力最佳斷面：過流斷面的面積、糙率、底坡一定過流斷面的面積、糙率、底坡一定, , 通過的流量最大的斷面形狀通過的流量最大的斷面形狀當當 Q = Q = 一定，要求：一定，要求：

7、A AA Amin min 當當 A = A = 一定，要求：一定，要求：Q QQ Qmax max 面積、糙率、底坡一定面積、糙率、底坡一定, , 流量最大流量最大, ,要求要求R R最大最大 AR 半圓形斷面半圓形斷面為為水力最佳斷面。水力最佳斷面。梯形斷面梯形斷面的最佳寬深比，的最佳寬深比，R Rm m = = h hm m / 2/ 2矩形斷面矩形斷面的最佳寬深比，的最佳寬深比，b bm m = 2 = 2 h hm m“水力最佳水力最佳”不不是是 “技術經濟技術經濟最佳最佳”)1(22mmhbmmmmmRhb42; 2綜合考慮水力最佳斷面不太合理綜合考慮水力最佳斷面不太合理 例如例如

8、 一般土渠邊坡一般土渠邊坡m m 1 1， m 1m 1000 0.8 1000 0.8第七章第七章 明渠水流的流態明渠水流的流態 及其轉換及其轉換第一節第一節 緩流和急流緩流和急流第二節第二節 流態判別的方法流態判別的方法第三節第三節 水躍和水跌水躍和水跌第一節第一節 緩流和急流緩流和急流緩流：緩流：水流水流徐緩徐緩，遇到障礙物阻水時，水面，遇到障礙物阻水時，水面壅高并能壅高并能逆流逆流上傳至較遠地方。上傳至較遠地方。常見于常見于底坡平緩的渠道或枯水季節的平原河流中。底坡平緩的渠道或枯水季節的平原河流中。急流：急流：水流水流湍急湍急，遇到障礙物阻水時，水面，遇到障礙物阻水時，水面僅在附近隆起

9、，僅在附近隆起，對上游來流無影響。對上游來流無影響。常見于常見于山丘和丘陵地區的陡槽、險灘中。山丘和丘陵地區的陡槽、險灘中。第二節第二節 流態判別方法：流態判別方法： 1 1、波速、波速（c）法、法、水流遇到障礙物后產生波動水流遇到障礙物后產生波動（擾動），擾動產生的波速稱為（擾動），擾動產生的波速稱為微幅干擾波波速。微幅干擾波波速。v 靜止水靜止水 V=0V=0ghcv 運動水運動水 V Vghvvcc2 2、弗勞德數法、弗勞德數法弗勞德數：弗勞德數：ghvcvFr 表征動能表征動能1Fr 緩流緩流1Fr 急流急流1Fr臨界流臨界流勢能動能波速流速2222222hmgmvhgvhgvcvFr

10、3 3、 斷面比能法斷面比能法z0h coshzz000vQ 上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準面，上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準面， 過水斷面單位液重的總能量為過水斷面單位液重的總能量為22222gAaQhgavhEscoscos當底坡當底坡（6 6）較小的渠道，）較小的渠道，coscos11，則，則式中，式中，E E s s 為為斷面比能斷面比能（斷面單位能量）（斷面單位能量）22222gAaQhgavhEs 比較比較 z0h coshzz000vQ0202zEgavpzEs l E E 和和 E Es s 兩者相差一個渠底高程，兩者相差一個渠底高程，E Es s與渠底高程無關與渠底高

11、程無關l 流量一定時，流量一定時，E Es s 是是斷面形狀、尺寸斷面形狀、尺寸的函數的函數l 當流量和斷面形狀一定時，當流量和斷面形狀一定時，E Es s 是是水深水深函數函數l 例如，均勻流例如，均勻流d(,) 0d sEs0dd sEs斷面比能曲線斷面比能曲線 22222gAaQhgavhEs Esh漸近線漸近線1 1： 橫坐標為漸近線橫坐標為漸近線漸近線漸近線2 2： 坐標軸成坐標軸成4545直線直線 sEAh, sEAh, 0, 0hgAAaQgAaQhhhEsdddddd3222122232111FrhgavgABaQhEsdd1232 rFgABaQ 當當 , 流態為臨界流流態為

12、臨界流 min21, ssEEFr 1232 rFgABaQ 當當 , 流態為臨界流流態為臨界流 min21, ssEEFr 臨界流方程臨界流方程 132kkBgAaQFrkkBAgaQ32 或或 Hk 為臨界水深為臨界水深ksshhEEFr ,1, min2Es minhhkEs0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs當緩流緩流緩流緩流急流急流hEs minhkEs臨界流臨界流0dd hEs0hEsdd0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs當急流急流緩流緩流急流急流hEs minhkEs臨界流臨界流0dd hEs0hEsdd斷面比能的

13、變化規律斷面比能的變化規律h1h2Es2Es12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhhhhkEsh1h2Es2Es12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh4 4、臨界水深及其計算、臨界水深及其計算 臨界流方程臨界流方程 kkkkBAgQBgAQFr3232or 1 矩形斷面矩形斷面明渠明渠 322gbQhk任意斷面任意斷面的明渠的明渠 為含為含hk 的高次隱函數式，不能直接求解的高次隱函

14、數式，不能直接求解hk gQBAkk23 試算法、試算圖解法試算法、試算圖解法 H Hk k 與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關，與與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關，與n n、i i 無關無關kkkbhAbB,khh ：緩流緩流，khh ：急流急流khh ：臨界流臨界流，在棱柱體渠道中，當斷面形狀、尺寸和流量在棱柱體渠道中，當斷面形狀、尺寸和流量一定時，均勻流一定時，均勻流正常水深正常水深 h h0 0= h= hk k 時時，所對，所對應的渠底底坡稱為應的渠底底坡稱為臨界底坡臨界底坡i ik k。臨界底坡是一個假想底坡，與臨界底坡是一個假想底坡，與渠道實際底坡無關渠道實際底坡無關，僅與渠道流量僅與

15、渠道流量Q Q、糙率、糙率n n、斷面形狀尺寸有關、斷面形狀尺寸有關. .5 5、臨界坡度法、臨界坡度法kkkkkkkkBCgBRCgAi22kkBAgQ32RiCAQ 由：由：臨界坡陡坡緩坡;kkkiiiiii臨界坡臨界流陡坡急流緩坡緩流;000kkkkkkhhiihhiihhii在上述三種底坡上，水可以作在上述三種底坡上，水可以作均勻均勻流動，流動，也可以作非均勻流動，如作也可以作非均勻流動，如作非均勻非均勻流動，則：流動，則：【例例】有一矩形長渠道，已知流量有一矩形長渠道，已知流量Q Q25m3/s25m3/s，渠寬，渠寬b b5m5m，糙率糙率n n0.0250.025，底坡，底坡i

16、i0.00050.0005。試用三種方法判別。試用三種方法判別該渠道在均勻流時的流態。該渠道在均勻流時的流態。底坡（底坡（均均勻流時勻流時）水深水深流速流速Fr數數比能比能 E動能與動能與水深水深 h hkh hkh= hk V CV = CFr 1Fr =1dE/dh0dE/dh iki iki = ik特征特征緩流緩流急流急流臨界流臨界流討論：流態判定的幾種方法討論：流態判定的幾種方法smRnCmARmbBmhbmbhAkkkkkkkkkk/39.391883.0573.7283.65 .061005. 000977. 022kkkkkkkkBCgBRCgAi【解解】 mgbQhk37.

17、1322緩流緩流又又0h50)5( h20)52(h32050)2()(bhbh2 105 81 10.73 205 132 26.554.1 20.55 13.22 27.504.2 215 13.42 28.33mhmhk37.115.40【解解】 緩流緩流取取95.27)2()(132050320iQnbhbhiRnbhQAQv1189.032gAbQFrsmghcsmbhQAQv/38. 6/2 . 100緩流緩流緩流緩流【解解】 【解解】 第三節第三節 水躍和水跌水躍和水跌 為明渠水流的流態發生轉化時為明渠水流的流態發生轉化時 出現的局部水力現象出現的局部水力現象水躍：水躍：急流急流

18、到到緩流緩流時水面突然躍起的局部水力現象。時水面突然躍起的局部水力現象。常發生于常發生于閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。KK緩流急流水躍是明渠非均勻急變流的重水躍是明渠非均勻急變流的重要現象，增加了上、下游水流要現象，增加了上、下游水流銜接的復雜性，還引起大量的銜接的復雜性，還引起大量的能量損失能量損失，可以利用這一特，可以利用這一特點，進行下泄水流的點，進行下泄水流的消能消能，以，以減免對河床的沖刷。減免對河床的沖刷。水躍流動特征水躍流動特征水躍下部：主流區，流速由快變慢，急劇擴散水躍下部：主流區，流速由快變慢，急劇擴散水躍中水體摻入大量空氣水躍中水體摻入大量空氣

19、水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區表面旋滾區與下部主流區附近大量質量、動量交換，紊動表面旋滾區與下部主流區附近大量質量、動量交換，紊動摻混極為強烈摻混極為強烈, ,界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層. .Ljh2ah12211將表面水滾的將表面水滾的首端稱為躍首首端稱為躍首（躍前水深躍前水深h h1 1），），尾端稱為躍尾尾端稱為躍尾（躍后水深躍后水深h h2 2），），首尾間距離稱首尾間距離稱為為躍長躍長L L，高差為，高差為躍高躍高a a，躍首與躍，躍首與躍尾的水深稱為尾的水深稱為共軛水深共軛水深。12h12i = 0KKhkh2aLj1