1、水力学,第五章 明渠恒定均匀流,主讲：熊亚南,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。,明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。,主要内容：,明渠的几何特性,明渠均匀流的特性,明渠均匀流的计算公式,明渠均匀流的水力计算,水力最佳断面及允许流速,复式断面明渠的水力计算,明渠的几何特性,1.明渠的底坡,明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。,i 0 顺坡、正坡,i等于渠底线与水平线夹角的正弦，即i=sin。,i = 0 平坡,i 0
2、 逆坡、负坡,2.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。,梯形断面,河道断面,矩形断面,反映断面的形状特征值称为断面水力要素。,底宽,水深,边坡系数,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称为棱柱体渠道。 断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。,明渠均匀流的特性,均速运动,充分长直的棱柱体顺坡(i 0)明渠,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 4.
3、水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=Ff 。,产生均匀流的条件：,水流应为恒定流。流量应沿程不变，即无支流。,渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。,明渠均匀流的计算公式,明渠均匀流的水力计算,以梯形断面为例：,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Q。已知渠道的断面尺寸b、m、h及设计流量Q、粗糙系数n，求底坡i。已知渠道的断面尺寸b、m、h及通过的流量Q、底坡i，求粗糙系数n。已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求正常水深h0。已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m和粗
4、糙系数n，求底宽b。,例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s ，边坡系数m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系数n=0.0225 ，底宽b=1m 。求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。,解：根据谢才满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有,设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的Q值如下表,h(m) 0.5 0.75 1.0 Q(m3/s) 1.07 2.29 4.03,从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=0.86m。,水力最佳断面,从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知流量时面积最小，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
5、小，过水能力最强，称为水力最佳断面。,所以水力最佳断面是湿周最小的断面。,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,此时，,允许流速,设计渠道时，断面的平均流速应结合渠道所担负的生产任务（灌溉渠道、水电站引水渠道、航运渠道等）、渠道建筑材料的类型、水流中含沙量的多少及其他运用管理上的要求而选定。,1.渠道中的流速应小于不冲允许流速V，以保证渠道免遭冲刷。,2.渠道中的流速应大于不淤流速V，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠槽中。,3.对航运渠道及水电站引水渠道，渠中流速还应满足某些技术经济条件及应用管理方面的要求。,复式断面明渠的水力计算,证明水力最佳断面的宽深比,根据水力最佳断面的条件,即,而,将A、分别对h求一阶导，并使之为零,上二式中消去db/dh后，解得,
