明渠水流水力计算(二)
明渠均匀流课件
表7-3
不同充满度时无压圆管形管道的水力要素
充满度 α=h/d
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
过水断面 A（m2）
0.0147d2 0.0408d2 0.0739d2 0.0118d2 0.1535d2 0.1981d2 0.2449d2 0.2933d2 0.3427d2 0.3926d2
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。
第三节 无压圆管均匀流的水力计算
一、无压圆管均匀流的水力特性
1、无压圆管均匀流的水力要素
充满度α： h d
过水断面A：
A
8
d2
sin
水力半径R： Rd1sin
4 4
图7-4 无压圆管过水断面
水面宽度 B
过水断面积 A
湿周 x
水力半径 R
B
h
b
b
bh
b2h
bh b 2h
B
m
b
b2mh
bmh
bmhh
b2h 1m2b2h 1m2
B d
h
2
hdh
d2 8
sin*
1 d 2
d 4
1
sin
*式中 以弧度计
2.明渠的底坡 明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。
以符号i表示，等于渠底线与水平线夹
管径或暗渠 高
H（mm）
500～900
≥1000
最大设计充满 度 （α=h/d或h/H）
0.7
0.75
3、无压圆管均匀流的水力计算方法
1）解析法。即由明渠均匀流基本公式 QAC Ri 直接求解。
第七章 明渠流动
有压管流 明渠流
A---A A---A
有压管流：①具有封闭的湿周； ②压力是流动的主要动力。
明渠流： ①具有自由水面（即水面压强为大气压）； ②重力是流动的主要动力； ③明渠水面线即测压管水头线
明渠流又称无压流
7.1.1 明渠流动的特点
①重力作用； ②底坡影响； ③水深可变。
7.1.2 明渠的分类
1）按明渠几何特征 ①棱柱体渠道：断面形状、尺寸沿程不变的长直渠道
A=f(h), 多为人工渠道
②非棱柱体渠道：断面形状、尺寸沿程有变化的渠道 A=f(h,s)
过水断面面积既随水深改变，又随位置改变。
2)按明渠断面形式
渠道工程
引水工程
二滩泄洪洞
输水涵洞施工
小河沟渡槽
土耳其渡槽
3）按底坡分
底坡i ：明渠纵断面上渠底线的坡度
第七章 明渠流动
7-1 概述 7-2 明渠均匀流
7-1 概述
明渠:人工渠道、天然河道、水流未充满全断面的管道的统称
明渠水流：具有自由液面的水流，水流的表面压强为大气压强
明渠水流在自然界中是常见的，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。
m 2.0 1.236 0.828 0.606 0.472 0.385
• 水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的。
2）实用经济断面
• 认为水力最优断面不是唯一的一个，而是有一个
范围，可从中选择一个既便于施工、应用，又很经济 的断面，同时也基本符合最优断面的要求。
3）渠道的允许流速
① 不冲不淤流速要求：[v]min＜v＜[v]max [v]max--不冲流速:由土壤的种类、粒径、密实度等决定 [v]min --不淤流速：由水流挟沙量决定。
明渠均匀流计算公式最新实用版
通常将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。 可以看出，正常水深h0大小与流量Q、过水断面形状尺寸、 糙率n及底坡i有关。
水力分析与计算
公式计算内容
明渠均匀流公式形式： 可以看出，正常水深h0大小与流量Q、过水断面形状尺寸、
安徽水利水电职业技术学院
由上1.面校公核Q式渠可道A以的C看输R出水i ，能通力Q过Q 明nA渠3R均.河匀i渠流粗计糙算系计数算n类的型计如算下： 四 校明安公因公 根由因因主山黄 明公因参山黄 黄安通通四川核渠徽式明式据上明明西河渠式明建西河河徽常常川讲水渠 均 水 中 渠 中曼 面 渠 渠 水 水均 中 渠 单 水 水水 水 将 将 水利 道匀利R均R宁公均均利利 匀R均位利利 利利明明利人为为 为职 的流水匀公式匀匀职职 流匀:职职 职水渠渠职：水 水水业 输公电流式可流流业业 公流业业 业电均均业杨力力 力技 水式职的，以的的技技 式的技技 技职匀匀技凌王半半 半术 能可业水明看水水术术 可水术术 术业流流术职勤径径 径学 力写技力渠出力力学学 写力学学 学技的的学业香，， ，院 为术坡均，坡坡院院 为坡院院 院术水水院Q技iii为为 为：学度匀通度度：度学深深术底底 底院流过院称称JJJJ学等等等等坡坡 坡公明为为院于于于于，， ，式渠正正底底底底nnn也均常常为坡为 坡坡为坡可匀水水糙i糙 ii糙i，，，，写流深深率率 率则则则则为计，，，， ，明明明明：算以以AAA渠渠渠渠计hh为为 为00均均均均算表表过过过匀匀匀匀类示示水水 水流流流流型。。断断 断的的的的如面面 面流流流流下面面 面量量量量：积积 积公公公公。。 。式式式式也也也也可可可可写写写写为为为为2：：：：3 1 2
QK i
K为流量模数，与流量的单位相同，它综合反映了明渠断面 形状、尺寸和粗糙程度对渠道过流能力的影响。
水力学_第7章 明渠流动
2
2
例如，人工开凿的大部分渠道
3
3
A f (h)
非棱柱体渠道 •断面形状
1 棱 柱 体 非 棱 柱 非棱柱体（纽面） 体 棱 柱 体 1
•尺寸
沿程改变
•底坡
•糙率
渠道弯曲
2
2
例如，天然河道
人工渠道连接段（扭面）
3
3
A f (h, l )
1
棱 柱 体
非 棱 柱 非棱柱体（纽面） 体 棱 柱 体
一种人工修建、或自然形成的渠
明渠流
有自由面（液面处为大气压强）。明 渠流又称无压流。
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，故明渠流为无压流。 明渠流特点： ①具有自由水面（水面压强为大气压），重力是流动的 主要动力；
②底坡的改变对断面流速和水深有直接影响；
③局部边界的变化引起水深在很长的流程上发生变化；
7.2.4 水力计算
校核渠道的过流能力 求水深 求底宽 求底坡
设计断面尺寸
校核渠道的过流能力
已知断面形状、b、h、m、底坡 i、糙率n
校核流量 Q
一电站已建引水渠
超高
为梯形断面， m =1.5，
底宽b=35m，n = 0.03， i =1/6500，渠底到堤顶 高程差为3.2m，电站引水流量 Q = 67m3/s。因工业发
77.4－67.0 =10.4 m3/s
3.2
m =1.5 b
求底坡
已知Q、n，m，n，h、b、求i
Q2 i 2 2 C A R
方法：直接计算
求底坡
例 一矩形断面渡槽，b = 2.0m，槽长l =120.m 进口处槽底高程 z1= 50.0m，槽身为预制混凝土 n = 0.013，设计流量 Q =10.0m3/s，槽中水深为
水利作业导流明渠设计
水利作业导流明渠设计一、明渠及水流的概念明渠在自然界和实际水利工程中极为常见，明渠中的水流是具有自由水面、在重力作用下流动的水流。
因此明渠水流的水力要素和边界条件也将随时间和空间而改变，明渠的横断面形状、类型很多，受地形、地质、地貌、工程材料及管理等因素的影响，边界条件十分复杂。
根据水流运动要素是否随时间改变，将水流分为恒定流与非恒定流。
在恒定流中，又根据水流的运动要素是否沿程变化，将水流分为均匀流与非均匀流。
明渠均匀流是指水力要素随时问和空间不发生变化的水流，是明渠水流中最根本、最简单的水流形态，是明渠水力计算的根底。
根据明渠均匀流的根本特征，要形成均匀流就必须具备一定的条件：一是明渠水流必须是恒定流，且流量沿程不变，无支流的流入和流出；二是明渠为长直棱柱体正坡渠道；三是明渠的底坡、糙率沿程不变；四是明渠中不得有障碍物阻挡水流。
严格地讲，完全符合以上条件的明渠很少，因此均匀流在实际水流中极少发生，一般将大致符合这些条件的明渠水流近似地看作均匀流。
在明渠中，尽可能使渠轴线顺直、断面尺寸和底坡沿程不变，根本满足均匀流的条件，天然河道的水流多为非均匀流。
然而，为简化分析计算，通常将较为顺直整齐、糙率根本一致、河床稳定的单式断面河段中的水流视为均匀流。
二、工程条件某水库设计坝址处第1年11月至次年5月，5年一遇洪峰流量为32m3／s。
设计坝址处左岸山体自然坡度为60。
左右，右岸山体自然坡度为45。
左右。
河床偏于左岸，左岸河床为砂砾石，右岸为黏土堆积岸。
结合工程两岸实际地形、施工能力及在满足平安经济的原那么下，欲将本工程分为两次导流进行施工，第一期先施工左岸局部，并对右岸河床进行整治，在一期施工时洪水由右岸开挖成形的导流明渠泄向下游，从而保证左岸的混凝土施工不受上游来水的干扰，能够顺利进行。
三、导流明渠设计(一)设计参数在明渠水力计算中，常用的水力要素有：水深h、底宽b、边坡系数m，水面宽度B、过水断面面积A、湿周x(液流过水断面与固体边界接触的周界叫做湿周)、水力半径R等。
明渠流
明渠流- 正文具有显露于大气中的自由水面的水流，如天然河道、人工渠道中的水流。
明渠的流量、断面形式、坡度、糙率等的变化，都会引起自由水面的变化，相应地也使水深和流速变化。
自由水面的计算是工程中需解决的一个重要问题，如引水或排水渠道的合理断面尺寸和流速大小的决定，拦河筑坝以后水库淹没范围的估算，都归结为明渠流水面曲线的绘制。
明渠的渠身形状和大小保持不变的长直渠道称为棱柱形渠道；断面形状和大小沿程变化的渠道称为非棱柱形渠道。
明渠恒定均匀流在顺直棱柱形长渠道中可形成渠中水深、流速沿程不变的均匀流。
均匀流水力计算式：式中Q为流量；v为流速；A为过水断面面积；R为水力半径（过水断面面积与断面固体周长,即湿周之比）；C为谢才系数，通常采用C＝R 1/6/n；n为糙率，表示渠壁的“粗糙”情况；i为底坡,即渠道底线与水平线夹角的正弦。
在工程设计中,有时要求在给定断面面积A的条件下，使渠道通过最大的流量。
从上式看出,当n、A、i一定时，要使流量Q极大，必须水力半径R极大，即湿周极小。
使渠道水力半径为极大的断面，称为水力最佳断面。
通常渠道的断面为梯形。
梯形水力最佳断面满足如下条件：式中m为梯形断面边坡比;h为水深；b为梯形断面的底边。
矩形水力最佳断面的水力半径R＝h/2。
无压管道（如下水道）具有某些水力特点。
如直径为b的圆形断面管道,并非刚刚充满管道时的流量或流速为最大，而是水深h＝0.95b时的流量最大；h＝0.81b时的流速最大。
这是因为过水断面面积A及水力半径R与水深h的关系并非单调变化所引起。
明渠恒定非均匀流在渠道底坡、断面或糙率等沿程变化的渠道中，必然形成水深、流速沿程变化的非均匀流。
棱柱形渠道非均匀渐变流水深h沿流程s的变化，可由伯努利方程和连续性方程得到如下的规律：式中B为断面上水深为h时的水面宽度。
用Fr2表示分母中的Q2B/ɡA3＝v2/ɡh，称为弗劳德数。
当Fr＜1时,渠道某处水流(如水深)的变化可影响该处上下游，这种水流称为缓流；当Fr＞1时,某处水流的变化只波及下游而不影响上游，这种水流称为急流。
第2章水力学基本知识
过流断面的几何要素
d--管径 h--水深 α--充满度, α=h/d θ--充满角,水深h所对应的圆心角。 由几何关系可得水力要素导出量： 过水面积 A d ( sin ) 湿周 d 水力半径
2
8
2
R
d sin (1 ) 4
2 1
流速
1 d sin 3 2 v [ (1 )] i n 4
波速判别
缓流 急流 临界流 波速：
vc vc
vc
A c g B
c gh （矩形）
弗劳德数判别
缓流 急流 临界流
弗劳德数
Fr 1
Fr 1
Fr 1
v Fr c v g A B v gh
断面比能
断面比能
e h
v 2
2g
h
Q 2
2 gA2
de 0 dh
1 2 i tan lx
底坡可分为: 顺坡(i>0), 平坡(i=0), 逆坡(i<0)
常见的断面形状
过流断面的几何要素
底宽 b,水深 h,边坡系数 m(表示边坡倾斜程 度的系数)
a m ctg h
水面宽 过流断面面积 湿周
水力半径
B b 2mh
A (b m h)h
2 1
流量
d2 1 d sin 3 2 Q ( sin ) [ (1 )] i 8 n 4
输水性能最优充满度
从上式可知,在水深很小时,水深增加,水面增 宽,过流断面面积增加很快,接近管轴处增加最快， 水深超过半管后，水深增加，水面宽减小，过流 断面面积增加减慢，在满流前增加最慢。湿周随 水深的增加与过流断面面积不同，接近管轴处增 加最慢，在满流前增加最快，由此可知，在满流 前，输水能力达到最大值，相应的充满度为最优 充满度。
3明沟计算
7. 水力最佳时的断面面积 8.水力最佳半径 9.符合水力最佳断面条件时的深宽比
注意
中小型明沟，建造费用主要取决于土石方，多按 水力最佳断面条件设计。 大型明沟，取土太深会受到地质条件和地下水影 响，施工困难，造价升高，水力最佳断面可能 不是经济上最佳断面，取b/h=3或4，做成宽而 浅的断面。
10.容许的最小和最大流速 容许最小流速V min=α×R1/2 α— 与水中含土粒径有关的系数； R — 水力半径，m; 防淤泥沉积v>0.2m/s 防淤沙v>0.4m/s 防渠中滋生植物v>0.6m/s 为使沟渠不致冲刷，应限制设计流速，即规定 容许最大流速。见81页表5.3.3
为了防止水流对排水沟渠的冲刷与渗漏，要 对沟底和沟壁加固。 措施应结合当地地形、地质、纵坡和流速的 条件，因地制宜，就地取材，简易便行， 经济实用。
2.水力计算步骤与示例 （1）根据ω = Q /v，初拟尺寸。 判断流速合理。 （2）水力最佳断面 判断通过流量与设计流量相差未超过5％。 基本计算公式：Q=ω×C×√R i Q－水流通过横断面的流量，m3/s; ω－水流横断面的面积，m2; C－流速系数； R－水力半径，m; i－ 2.过水断面面积 W=b h+ m h2（教材公式有误） 3. 湿周 X=b+ k h 4. 水力半径 R= ω /x 5. 流速 V=C×√R i 6 .流速系数c=1/n Ry 主要取决于水流条件（沟渠、管道或地表等以及其 粗糙程度），在试验的基础上建立计算公式。 y在R <1时y ＝1.5√n y在R >1时y ＝1.3√n 其中R >10时y ＝1/6
5.3排水明沟计算
常用沟渠横断面的水力要素 水流横断面面积、湿周、水力半径。
水力学教程第6章
第六章明渠恒定均匀流人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠。
明渠流(OpenChannel Flow) 是一种具有自由表面的流动，自由表面上各点受当地大气压的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。
与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。
明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流和非恒定流动。
明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。
明渠流动与有压管流的一个很大区别是：明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身条件而变动，形成各种流动状态和水面形态，在实际问题中，很难形成明渠均匀流。
但是，在实际应用中，如在铁路、公路、给排水和水利工程的沟渠中，其排水或输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。
此外，明渠均匀流理论对于进一步研究明渠非均匀流也具有重要意义。
§6-1 概述1．明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。
(1) 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。
前者的过水断面面积A仅随水深h变化，即A=f(h);后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化，即A=f(h, s) , s为过水断面距其起始断面的距离。
(2) 顺坡(正坡) 、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡(Bottom slope)，用i表示，如图6-1a，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为A s,该两断面间渠底高程差为(a i-a2)= △ a,渠底线与水平线的夹角为B ,则底坡i 为。
(6-1-1)在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正，因此，以导数形式表示 时应为i=si n所以，在上述情况下，两断面间的距离△ s 可用水平距离△ l 代替，并且，过 水断面可以看作铅垂平面，水深 h 也可沿铅垂线方向量取。
第七章明渠流动ppt课件
特点： 1、有自由表面，各断面表压强都是大气压，重力对流动起 主要作用。 2、明渠底坡的改变对流速和水深有直接影响。坡度增大， 则流速增大 ，水深减小
7.1 明渠的分类
所示，亦就是说，明渠均匀流的水力坡度J 、测
压管线坡度Jp 及渠底坡度i彼此相等，即
J =Jp=i
（7-3）
在图7 - 4 所示均匀流动中取出断面1-1 和 断面2-2 之间的水体进行分析，作用在水体 上的力有重力G 、阻力F 、两断面上的动 水压力P1和P2，写流动方向的平衡方程：
P1+G sinθ-F- P2 =0 (3)明渠均匀流动中阻碍水流运动的摩擦阻力
h
b (h)h
2(
1 m2 m)
（7-10）
由式(7 - 10) 可知，水力最优梯形断面的宽深比βh仅是边坡 因数m 的函数。将上式依次代入A、χ关系式中，可得
R A (b mh)h b 2h 1 m2
由（7-10）式 2 1 m2 b / h 2m
Rh 2
（7-11）
上式说明水力最优梯形断面的水力半径等于水深的一半，且与边坡因数无 关。 对于矩形断面，以m=0代入式(7 - 10) 得βh=2 即b =2h ，说明水力最优矩 形断面的底宽为水深的两倍。
从式(7 - 6) 可以看出，当i，n 及A 给定后，要使渠道的通 过能力Q最大，则必须是水力半径R 最大，或湿周χ最小。 在面积相同的各种几何图形中，圆形具有最小的周界，故 管道的断面形式通常是圆形，对于明渠则为半圆形。但半 圆形断面施工困难，在天然土壤中开挖渠道，一般采用梯 形断面形式。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五章明渠水流水力计算（二）
一、是非题
1、陡坡上出现均匀流必为急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。
2、陡坡上可以出现均匀的缓流。
3、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。
4、缓坡上只能出现非均匀流缓流。
5、平坡渠道中不可能发生均匀流。
6、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。
7、水跃只能发生于平底明渠中。
二、选择题
1、共轭水深是指
（1）水跃的跃前水深与跃后水深
（2）溢流坝下游水流收缩断面水深
（3）均匀流水深
（4）临界水深
2、平底棱柱形明渠发生水跃，其水跃函数J(1h)与J(2h)的关系是
（1）J(1h)= J(2h)
（2）J(1h)>J(2h)
（3）J(1h)<J(2h)
3、佛汝德数Fr是判别下列哪种流态的重要的无量纲数
（1）急流和缓流
（2）均匀流和非均匀流
（3）层流和紊流
（4）恒定流和非恒定流。
4、在陡坡明渠中不可能发生的流动是
（1）非均匀缓流
（2）均匀急流
（3）均匀缓流
（4）非均匀急流
5、水跌产生时，跌坎处的水深为
（1）正常水深
（2）实际水深
（3）临界水深
（4）任意水深
三、填空题
1、水跃是水流从_______流过渡到_______流的局部水力现象；当流量一定，跃前水深增大时，则跃后水深是_______。
2、明渠的断面和流量不变时，水跃的跃前水深越大，则跃后水深越______。
3、根据管道中水击波传播时间与阀门关闭时间的对比关系，水击可分类为（1）_______和（2）_______。
4、水流一般从缓流过渡到急流时，产生_______。
四、问答题
1、请分别说明渠正常水深和临界水深的含义和区别。
2、明渠的底坡可以分为哪些类型？
3、如何用临界水深k h与渠道内的水深h来判别明渠水流的流态？
4、试叙述判断明渠水流流态有哪些方法。
5、两条明渠的断面形状和尺寸均相同，而底坡和糙率不等。
当通过流量相等时，两明渠的临界水深是否相等？
6、两条明渠的断面形状、尺寸、底坡和糙率相等，而流量不同，问两明渠的临界水深是否相等？
7、陡坡明渠中的水流只能是急流，这种说法是否正确？试说明理由。
五、计算题
1、流量
3
5.6/
Q m s
=,通过宽为 2.6
b m
=的矩形渠道,求临界水深c h.
2、某工程施工截流是,流量
3
1730/
Q m s
=,举行断面龙口宽度87
b m
=,流速
6.9/
v m s
=,是判别龙口处水流是缓流还是急流.
3、一矩形断面棱柱体渠道,宽度b=4.0m,底坡i=0,以知流量Q=13.63/
m s时渠中发生水
跃,测得跃前水深10.6
h m
=
,试求跃后水深2h及水跃长度.
4、有一浆砌块石矩形断面渠道，已知：流量Q=10m3/s，底宽b=5m，粗糙系数n=0.017，底坡i=0.003。
当渠中水流为均匀流时，试分别用干扰微波流速法、弗劳德数、临界水深判别渠中的水流流态。