渠道水力学基础知识
水力学中渠道断面形状与水力性能的研究
水力学中渠道断面形状与水力性能的研究水力学是研究流体在静力学和动力学条件下的行为和性质的学科，其中渠道断面形状是水流特性研究的一个重要内容。
渠道断面形状不仅影响水流量和速度，还会带来水波、漩涡等各种复杂的水流现象。
因此，渠道断面形状对水利工程的设计和水资源的利用具有重要影响，其研究也一直是水力学领域的热点之一。
一、渠道断面形状及其分类渠道断面形状指渠道横截面的形状，主要可分为矩形、梯形、圆形、半圆形、三角形等多种形状。
其中矩形断面是最简单的渠道形状，通常用于土渠或较小的道路排水渠。
梯形断面则为拥有梯形底面和水平板面的凸字形断面，其在排水工程中的应用较为广泛。
圆形断面主要用于隧道、隧道尾水排放、检修洞口的水路和舱室、动植物饲养等场合，圆形断面的优异性能在某些条件下表现得更为明显。
半圆形断面是半个圆乘以土表面宽度而得，常用于陡坡路基、小型桥梁下排水沟或小型隧洞中。
三角形断面通常用于比较低级堤坝或中小型道路排水渠。
这些形状各自具有不同的水力性能和适用范围，需根据具体情况选取适当的形状。
二、渠道断面形状对水力性能的影响渠道断面形状的选择直接影响渠道内的水力性能，主要包括以下几个方面。
1. 流速和流量渠道内水流的流速和流量是渠道水力性能的重要指标。
渠道断面形状与流速和流量的关系密切，不同形状的渠道断面会影响水流速度和流量的分布。
例如，梯形断面可以在保持一定流速不变的情况下增加流量，而圆形断面则可以增加水流速度和水流稳定性。
2. 水位水位是渠道水流高度的指标，其受渠道断面形状、流速和流量等的影响，不同的渠道断面形状会对水位的分布和变化产生不同的影响。
例如，矩形断面的水位通常比较高，而圆形断面则可以在保持一定流量的情况下降低水位。
3. 水力损失水力损失是由于水流在渠道内摩擦、涡流产生等原因而导致的能量损失，其大小受到渠道形状、水流速度和粘度等影响。
不同形状的渠道断面会对水力损失产生不同的影响。
例如，圆形断面的水力损失通常较小，而矩形断面则容易产生水力损失。
水力学知识点总结
水力学知识点总结1. 水的基本性质水是自然界中非常重要的物质，它具有一系列独特的物理、化学性质。
如水的密度、粘度、表面张力等重要性质对水力学研究有着重要的影响。
2. 水动力学水动力学是研究流体的运动规律及其与物体之间的相互作用的科学。
水动力学是水力学的基础，分为静水力学和流体力学。
静水力学研究静止的流体，而流体力学则研究流体的运动。
3. 流体静力学流体静力学是研究静止流体中的压力、浮力和力的平衡问题。
在水力学中，流体静力学主要用于水库、坝体等结构的压力分析。
4. 流体动力学流体动力学是研究流体运动及其产生的压力、阻力以及对物体的作用力。
在水力学中，流体动力学主要应用于河流、渠道等流体动力学性质的研究。
5. 流态力学流体力学是研究流体运动状态与性质的学问。
在水力学中，流态力学主要应用于分析水流的速度、流量、流向、涡流情况等。
6. 水流的稳定性水流的稳定性是水力学中的重要概念，它指的是水体流动时所产生的稳定的流态特性，包括流态的平稳性、安定性和可操作性等。
7. 水力工程水利工程是利用水资源进行灌溉、供水、发电等利用的工程。
水利工程设计要考虑水力学的各种知识，如水流的稳定性、水利工程的结构和设备等方面。
8. 水道工程水道工程是为了改善河流、渠道等水道的通航、排涝等目的的工程项目。
在水道工程设计中，水力学知识对水流速度、水位变化、水力坡等方面有着重要影响。
9. 水电站在水力学中，水电站是一个重要的应用领域。
水力功率的计算、水轮机的设计、水库的水位控制等都需要水力学知识。
10. 河流水文学河流水文学是研究河流的水文特性、水位变化规律、涨落情况等方面的科学。
水文学是水力学中应用最广泛的一个分支，水利工程、水资源评价等方面都需要水文学的知识。
11. 液压机械液压机械是以流体静力学和流体动力学的理论为基础，利用液体作为传动介质的机械装置。
水力学的理论基础对液压机械的设计、制造和使用都有着重要的影响。
12. 水资源评价水力学的知识还被应用于水资源评价领域，通过水文学、水文模型等方法来评价水资源的分布、利用、保护等问题。
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第六节 管段的衔接
一、衔接的原则
(1)尽可能提高下游管段的高程，以减小埋深，从而 降低造价，在平坦地区这点尤其重要
(2)避免在上游管段中形成回水而造成淤积
(3)不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。
二、衔接的方式
管顶平接
水面平接
管底平接
注意： （1）不应发生下游管底高于上游； （2）不应发生下游水位高于上游。
（1）令D=350mm，查图，当D=350mm，Q=56L/s， v=0.6m/s时，i=0.0015，但h/D=0.95＞0.65，不合格。 当h/D=0.65时，v=0.85m/s，i=0.0030＞0.0014，不很 理想。
采用水面平接
上游管段的水面高程：43.67+0.35×0.59=43.877m
第三章 渠道水力学
第一节 管道中的水流情况 第二节 污水管道水力学设计的原则 第三节 管道水力学计算用的基本公式 第四节 水力学算图 第五节 管道水力学设计数据 第六节 管段的衔接 第七节 管段水力学计算举例 第八节 倒虹管水力学计算举例 第九节 常用排水泵 第十节 排水泵站水力学计算举例
第一节 管道中的水流情况
采用管顶平接
设计管段的上端管底高程：43.67+0.35-0.4=43.62m 设计管段的下端管底高程： 43.62-130×0.00145=43.432m
检验
上游管段下端水面高程：43.877m
设计管段上端水面高程：43.62+0.65×0.4=43.88m 43.88m略高于43.877m，虽不符合要求，但可接受（下 端管底施工高程43.432m略低于计算值）。
(1)满足地面荷载的要求 车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非
第三章渠道水力学
第三章渠道水力学
三、最小管径（D） 1.为什么要规定最小管径？
管径过小，管道容易堵塞。如： 150mm与200mm的管道比 较，前者堵塞的次数有时是后者的2倍，使管道的养护管理 费用增加；而在相同的埋深下，施工费用相差不多。 若将计算出的150mm改为200mm的管道的话，维护费用减 少，而且，管道的坡度可减小，使管道的埋深减小。 街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为300mm。
(1)满足地面荷载的要求 车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非 车行道下，污水管的最小覆土厚度可适当减小。
(2)冰冻线的要求 《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活 污水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温 措施或水温较高的管道，距离可以加大。 国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地 的养护经验确定。无养护资料时，采用如下数值：管 径小于500mm，管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm， 为0.5m。
（1）令D=350mm，查图，当D=350mm，Q=56L/s， v=0.6m/s时，i=0.0015，但h/D=0.95＞0.65，不合格。 当h/D=0.65时，v=0.85m/s，i=0.0030＞0.0014，不很 理想。
第三章渠道水力学
采用水面平接
上游管段的水面高程：43.67+0.35×0.59=43.877m 设计管段的上端管底高程：43.877-0.35×0.65=43.650m 设计管段的下端管底高程： 43.65-130×0.0030=43.260m （2）令D=400mm，查图，当D=400mm，Q=56L/s， v=0.6m/s时，i=0.0012，但h/D=0.70＞0.65，不符合规 定；当h/D=0.65时，i=0.00145，v=0.65m/s，符合要求。 管底坡度接近地面坡度i=0.0014。
第六章-1水力学
符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为 水力最佳断面。
所以水力最优断面是湿周最小的断面。
C
=
1
R1 6
n
Q = AC
51
Ri
=
A1 n
21
R3i2
=
1 n
A3i 2
2
χ3
工程中多采用梯形断面，在边坡系数m已定的情况下， 同样的过水面积A，湿周的大小因底宽与水深的比值b/h而异。
可以证明：梯形水力最佳断面的宽深 之比为
§6-2 明渠均匀流动
明渠均匀流的水力特征
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 J = J z = i
4.水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=Ff 。
i，单位长度内单位位能的减少，水力坡度J则表示流经单位长 度单位能量损失（水头损失）。
J = Jz = i
J=i表示损失的水头由单位位能的减少来支付。所以明渠均匀 流是重力和阻力达到平衡的一种流动。
（2）明渠均匀流的计算公式
连 续 性 方 程 ： Q = vA
谢才公式：v = C RJ = C Ri
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。
B
水深 底宽
h
1
αm 边坡系数
b
梯形断面
矩形断面
反映断面的形状特征值称为断面水力要素。
主槽
滩地
河道断面
水面宽 B = b + 2mh 过水断面面积 A = (b + mh)h
流体力学水力学知识点总结
流体力学水力学知识点总结一、流体力学基础知识1. 流体的定义：流体是一种具有流动性的物质，包括液体和气体。
流体的特点是没有固定的形状，能够顺应容器的形状而流动。
2. 流体的性质：流体具有压力、密度、粘性、浮力等基本性质。
这些性质对于流体的流动行为具有重要的影响。
3. 流体静力学：研究流体静止状态下的力学性质，包括压力分布、压力力和浮力等。
流体静力学奠定了流体力学的基础。
4. 流体动力学：研究流体在外力作用下的运动规律，包括速度场、流线、流量、动压、涡量等。
流体动力学研究的是流体的流动行为及其相关问题。
5. 流动方程：流体力学的基本方程包括连续方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了流体的运动规律，是解决流体力学问题的基础。
6. 流体模型：流体力学的研究对象是真实流体，但通常会采用模型来简化问题。
常见的模型包括理想流体模型、不可压缩流体模型等。
二、水力学基础知识1. 水的性质：水是一种重要的流体介质，具有密度大、粘性小、表面张力大等特点。
这些性质对于水力学问题具有重要影响。
2. 水流运动规律：水力学研究水的流动规律，包括静水压力分布、流速分布、流线形状等。
3. 基本水力学定律：包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
这些定律是解决水力学问题的基础。
4. 水流的计算方法：水力学中常用的计算方法包括流速计算、水头损失计算、管道流量计算等，这些方法是解决水力学工程问题的重要手段。
5. 水力学工程应用：水力学在工程中具有广泛的应用，包括水利工程、水电站设计、城市供水排水系统等方面。
6. 液体静力学：水力学中涉及了静水压力、浮力、气压等液体静力学问题。
这些问题对水力工程设计和建设具有重要影响。
三、近年来的流体力学与水力学研究进展1. 流固耦合问题：近年来，液固耦合问题成为流体力学与水力学领域的重点研究方向。
在这个方向上的研究主要涉及流固耦合现象的模拟、流固耦合系统的动力学特性等方面。
2. 多相流动问题：多相流动是指不同相的流体在空间和时间上相互混合流动的现象。
水力学 第7章 明渠流动资料
取决于地形，粗糙系数 n 取决于壁面材料。因此，输水能力 Q
只决定于过流断面的大小和形状。当 i、n 和 A 一定，使所通过
的流量 Q 最大的断面形状，或者使水力半径 R 最大，即湿周P
最小的断面形状定义为水力最优断面。
通常，梯形渠道的边坡系数 m 取决于土质情况，渠道断面
的形状则只由其宽深比 b / h 决定。
7.2.2 过水断面的几何要素
B
以梯形断面为例：
基本量：
αh
b — 底宽； h — 水深，均匀流以 hN 表示；
ba
m — 边坡系数，表示边坡的倾斜程度，m = a / h = cotα。
导出量： B —水面宽 A —过流断面面积
B b 2mh
A b mhh
P—湿周 R —水力半径
P b 2h 1 m2 R A
第7章 明渠流动（Open Channel Flows） 明渠流又称无压流。 7.1 明渠流动概述 7.1.1 明渠流动的特点 （1）明渠流动具有自由液面，沿程各过流断面的表面压 强均为大气压，重力对流动起主导作用。 （2）明渠渠底坡度的改变对流动有直接影响。
（3）局部边界的变化将在很大范围内影响流动。
7.1.2 底坡
明渠渠底与纵剖面的交线称为底线。底线沿流程单位长度
Байду номын сангаас
的降低值称为渠道的纵坡或底坡（slope），以符号 i 表示。
1
l
2
θ
zb1
zb2
i zb1 zb2 sin
l
通常渠道底线与水平线夹角θ很小 ，为便于量测与计算，以
水平距离 lx 代流程长度 l ，以铅垂断面代替过流断面，即
7.2.3 明渠均匀流的基本公式
《水力学》自己复习整理知识框架
《水力学》自己复习整理知识框架水力学是研究水流在各种流动条件下的物理规律的学科。
水力学的研究对象包括河流、湖泊、水库、海洋等自然水体的运动规律，以及水力工程中涉及的渠道、管道、泵站等的水流行为。
以下是水力学的知识框架及复习整理。
一、基本概念和基本方程1.水力学的研究对象、目标和意义2.水的物理性质及其在水力学中的应用3.流动的基本概念：流线、流量、流速、剖面平均流速、平均流速、瞬时流速、表观流速、临界流速等4.流体运动的宏观描述：物质守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律5.海森堡统一速度场二、流态分类和力学特性1.流态分类：层流和湍流2.湍流的产生和发展机制3.湍流的统计特性：平均流速、涡度、雷诺应力、雷诺应力公式等4.湍流的判别方法和湍流的传输性质三、流动的基本方程1.牛顿第二定律和欧拉方程2.曼宁公式和雨道公式3.马克斯韦方程组和势流理论4.控制体分析法和控制体微分形式四、流动的能量方程1.泊肃叶方程和能量守恒方程2.流动过程中的能量转化和能量损失3.流体摩擦和阻力的计算五、水力学实验和模型1.水力学原理实验、水工模型2.模型尺度和相似理论3.型流和真流的关系4.实测资料的处理和分析六、流动的计算方法1.数值方法在水力学中的应用2.一维水流数值模拟方法3.CFD在水力学中的应用4.流动的计算机模拟与可视化技术七、水动力学1.水体运动的动力学机制2.水体运动的力学特性3.溶解氧和氨氮的弥散4.水体温度和盐度的传输以上是《水力学》的知识框架和复习整理，通过掌握这些知识点，可以对水力学的基本概念、基本方程和流态分类等进行全面地理解和复习。
同时，了解水力学实验和模型、流动的计算方法以及水动力学等内容，可以为深入研究水力学提供一定的基础。
在复习过程中，可以结合教材、参考书籍和相关研究论文进行学习和理解，通过刷题和实践练习来提高对该学科的应用能力和实际问题解决能力。
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2、决定污水管道最小覆土厚度的因素
(3)满足街坊管连接要求
楼栋 接户管
小区支管
居住小区 支管
干管
小区干管
L
污水处
泵站
理厂
Z1 H
四、最小设计坡度（i）
（1）
（2）
（3）
——相应于最小设计流速的坡度为最小设计坡 度，最小设计坡度是保证不发生淤积时的坡度。
vC RI
规定：管径200mm的最小设计坡度为0.004； 管径300mm的最小设计坡度为0.003； 管径400mm的最小设计坡度为0.0015。
五、污水管道的埋深深度和覆土厚度
第三章 渠道水力学
第一节 管道中的水流情况 第二节 污水管道水力学设计的原则 第三节 管道水力学计算用的基本公式 第四节 水力学算图 第五节 管道水力学设计数据 第六节 管段的衔接 第七节 管段水力学计算举例 第八节 倒虹管水力学计算举例 第九节 常用排水泵 第十节 排水泵站水力学计算举例
第一节 管道中的水流情况
C值一般按曼宁公式计算，即
C
1
R
1 6
n——管壁粗糙系数
n
v
1
2
R 3I
1 2
n
第四节 水力学算图
水力设 计参数
设计充满度（h/D） 设计流速（v） 最小管径（D） 最小设计坡度（i） 污水管道的埋设深度 污水管道的衔接
水力学算图有不满流圆形管道水力学算图、满 流圆形管道水力学算图、满流矩形水力学算图和明 渠流用的水力学算图。
管道的埋设深度是指管底的内壁到地面的距离。
覆土厚度是指管顶的外壁到地面
地面
的距离。
1、管网的造价
在实际工程中，污水管道的造价由选 用的管道材料、管道直径、施工现场
管道
覆 土 厚 度
埋 设 深 度
地质条件、管道埋设深度等四个主要
因素决定。
五、污水管道的埋深深度和覆土厚度
2、决定污水管道最小覆土厚度的因素
一、污水管道内水质特点
含有一定数量的无机物和有机物，但总的说来， 污水中的水分一般在99%以上，因此可假定污水按 照一般液体流动的规律流动。
二、污水管道内水流特点
重力流 非满流 近似均匀流 （管道有时在水压下流动，这时的水流方式称 管流或压力流。）
第二节 污水管道水力学设计的原则
计算 确定
管径 坡度 高程
***国内一些城市污水管道长期运行的情况说明，超 过上述最高限值，并未发生冲刷管道的现象。
三、最小管径（D）
1.为什么要规定最小管径？
管径过小，管道容易堵塞。如： 150mm与200mm的管道比 较，前者堵塞的次数有时是后者的2倍，使管道的养护管理 费用增加；而在相同的埋深下，施工费用相差不多。
若将计算出的150mm改为200mm的管道的话，维护费用减 少，而且，管道的坡度可减小，使管道的埋深减小。
街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为300mm。
三、最小管径（D）
2.什么叫不计算管段？
在管道起端由于流量较小，通过水力计算查得的管 径小于最小管径，对于这样的管段可不用再进行其他的 水力计算，而直接采用最小管径和相应的最小坡度，这 样的管段称为不计算管段。
200mm，i=0.004，﹤9.19L/s 300mm，i=0.003， ﹤ 14.63L/s
最小设计流速：是保证管道内不发生淤积的流速， 与污水中所含杂质有关；国外很多专家认为最小流 速为0.6-0.75m/s，我国根据试验结果和运行经验确 定最小流速为0.6m/s。
最大设计流速：是保证管道不被冲刷破坏的流速， 与管道材料有关；金属管道的最大流速为10m/s， 非金属管道的最大流速为5m/s。
(1)满足地面荷载的要求 车行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。非
车行道下，污水管的最小覆土厚度可适当减小。
(2)冰冻线的要求 《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活
污水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温 措施或水温较高的管道，距离可以加大。
国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地 的养护经验确定。无养护资料时，采用如下数值：管 径小于500mm，管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm， 为0.5m。
对于明渠流：《规范》规定，设计超高（渠中水面与渠 顶间高度）不小于0.2米。
一、设计充满度（h/D） 为什一定的过水能力，防止水量变化的冲击， 为未预见水量的增长留有余地； （2）有利于管道内的通风； （3）便于管道的疏通和维护管理。
二、设计流速（v）
——与设计流量和设计充满度相应的污水平 均流速。
第五节 管道水力学设计数据
一、设计充满度（h/D）
——指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。
h/D =1时，满流 h/D <1时，非满流
hD
《室外排水设计规范》规定，最大设计充满度为：
管径（D）或暗渠高（H） （mm） 200~300 350~450 500~900 ≥1000
最大充满度（h/D） 0.55(0.60) 0.65(0.70) 0.70(0.75) 0.75(0.80)
例3-1 已知n=0.014，D=300mm，i=0.0024，
Q=25.5L/s，求v和h/D。
解：（1）D=300mm，采用附录二中附图2-3。 （2）这张图有四组线条：竖的线条代表流量，横的代 表坡度，从右向左下倾的斜线代表充满度，从左向右下 倾的斜线代表流速。每条线上的数字代表相应要素的值。 先从纵轴（表示坡度）上的数字找0.0024，从而找出代 表i=0.0024的横线。 （3）从横轴（表示流量）上找出Q=25.5L/s的那根竖线。 （4）代表坡度0.0024的横线和代表流量25.5L/s的竖线 相交，得一点，这一点正好落在代表流速0.65m/s的斜 线上，并靠近充满度0.55的斜线。因此，v= 0.65m/s， h/D=0.55
水力学计算要 满足下列要求
不溢流 不淤积 不冲洗管壁 通风
第设三计节管段是管相道邻水的两力个学检计查井算间用的管的段基。本 当相邻的设计管段公能采式用同样的口径和坡度时，
可以合并为一条设计管段。
Q Av
vC RI
式中：Q——流量，m3/s； A——过水断面面积，m2； v——流速，m/s； R——水力半径（过水断面积与湿周的比值），m； I——水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； C——流速系数，或谢才系数。