6 明渠流动

6.2 明渠均匀流
6.2.1.2明渠均匀流的产生条件
(3) 渠道应是底坡沿程不变的、长而直的正坡棱柱体渠道。 若渠道底坡改变，必将导致水流方向受力平衡状态破坏， 水流为非均匀流；如果明渠弯曲，在弯道中各断面上流速 方向不同，不是均匀流。此外，明渠顺直段太短，就不能 完成水流的调整，也不能形成均匀流。 (4) 渠道中不应有任何改变水流阻力的因素，要求渠道糙 率沿程不变，同时还要求渠道上没有闸、坝等建筑物的局 部干扰，离渠道进出口有一定距离等。否则就不可能满足 明渠均匀流的力学条件。
6.2 明渠均匀流
6.2.1.2明渠均匀流的产生条件
根据明渠均匀流的上述特征，可以推定它的形成必须具 备下列条件：
(1) 水流必须为恒定流。否则沿流程各断面的水深、流速 随时间变化，任一时刻各断面水深、流速等各不相等，是 非均匀流。 (2) 流量沿程保持不变，没有水流的汇入或分出。否则明 渠上、下游各过水断面的水深和流速将不相同，为非均匀 流。

如对于铁道、道路、水利和给水排水等工程，常在河渠上架桥、 设涵、筑坝、建闸等。这些构筑物的兴建，破坏了河渠均匀流形 成的条件，造成了流速、水深的沿程变化，从而产生了非均匀流 动。
6.3 明渠非均匀流基本概念
明渠非均匀流具有如下特点：一是流速和水深沿程发生改 变；二是水面线一般为曲线（称为水面曲线），流线已不 再是相互平行的直线，同一条流线上各点的流速、大小和 方向各不相同，明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互 不平行，即 i J J p
6.2 明渠均匀流
蔡西系数C随渠槽粗糙度的变化而变化，与水力半径、渠 底坡度及断面形式都有关，其值在10~90之间，多在50左 右。计算的经验公式有数十种。
1 曼宁公式 C R 6 n
1
巴甫洛夫斯基公式 其中 y 2.5 n 0.13 0.75 R ( n 0.10) K——明渠水流的流量模数（m3/s），具有流量的量纲。 n——粗糙系数。
（3）确定渠道断面尺寸 己知渠道输水量 Q、渠道底坡 i 、粗糙系数 n 及边坡系数m ， 求渠道断面尺寸 b和 h。 从基本公式 Q AC Ri f (m, b, h, n, i) 看到，六个量中己知四
个量，需求解b 和h 两个未知量，而在一个方程中要求解两个未知 量则有多组解，因此要得到唯一解，就必须根据工程要求和经济 要求附加一定的条件。
1 y C R n
6.2 明渠均匀流
水力最优断面 指当渠道底坡i、壁面粗糙系数n及过流面积A大小一定时， 通过最大流量时的断面形式。对于明渠均匀流，有
2 1 1 Q = AC Ri = AR 3 i 2 n
说明： 1）具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时 ，水力半径R最大，即湿周最小的断面能通过最大的流 量。 2） i ，n， A给定时湿周最小的断面是圆形断面即圆管 为水力最优断面。
例1：某梯形断面土渠中发生均匀流动，已知：底宽b=2m，边 坡系数m=1.5，水深h=1.5m，底坡i=0.0004，粗糙系数n=0.0225， 试求渠中流速v，流量Q。
6.3 明渠非均匀流基本概念
6.3.1 明渠非均匀流的定义、形成及特征
明渠水流的流速、水深等水力要素沿程变化的流动，称为 明渠非均匀流。人工渠道和天然河道中的水流多为明渠非 均匀流。 人工渠道或天然河道中的均匀流，由于渠道底坡的变化、 过水断面的几何形状或尺寸的变化、壁面粗糙程度的变化， 或在渠道中修建人工构筑物，都将会形成明渠非均匀流动。
6.3 明渠非均匀流基本概念
非 棱 柱 形 渠 道
6.1 明渠流动概述
明渠流动有以下特点:
明渠流动具有自由表面，沿程各断面的表面压强都是大气压， 重力对流动起主导作用。 明渠底坡的改变对断面的流速和水深有直接影响，底 坡 i1 i2 ，则流速 v1 v2 ，水深 h1 h2 。而有压管流，只要 管道的形状、尺寸一定，管线坡度变化对流速和过流断面积 无影响。
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6.2 明渠均匀流
6.2.3.2明渠均匀流水力计算
明渠均匀流的基本公式中 Q AC Ri K i f (m, b, h, n, i) ， K 、 i 中，己知任意两 其中K决定于渠道断面特征。在 Q 、 个量，即可求出另一个量，因此渠道水力计算问题可分为 三类。 （1）验算渠道的输水能力 已知渠道断面形状及大小、渠壁的粗糙系数、渠道的底坡， 求渠道的输水能力，即己知 K ， i 求 Q 。求解中需要先计 R、 算出A 、 C 值。
图8.13明渠三线示意图
6.3 明渠非均匀流基本概念
6.3.2 明渠的流动状态
缓流、急流、临界流
在一条通过一定流量可变底坡的活动水槽中，投入一个障 碍物，观察发现，当底坡较平缓时，障碍物上游水面壅高 能逆流上传到较远处； 而当底坡较陡时，障碍物引起的水面壅高仅出现在障碍物 附近，对上游无影响，水流一跃而过。这是明渠水流两种 截然不同的流态。 前者称为缓流，后者称为急流，并将处于急流与缓流临界 状态的流动现象称为临界流。急流多发生在山区河道、陡 槽中，缓流多发生于平原河网、近海河流中。
明渠流动
有压管流
6.2 明渠均匀流
6.2.1 水力特征和形成条件
6.2.1.1明渠均匀流的水力特征
明渠均匀流同时具有均匀流和重力流的特征，其流线是相 互平行的直线，所有液体质点都沿着相同的方向做匀速直 线运动，在水流方向上所 受到的合外力为零。 明渠均匀流就是重力 在 流动方向上的分力与液流 阻力相平衡的流动。
明渠均匀流动平衡分析
6.2 明渠均匀流
由此可以推知明渠均匀流应具有以下特征： （1）过水断面的形状、尺寸及水深沿流程不变。 （2）过水断面上的流速分布、断面平均流速沿流程不变， 因而流速水头也沿流程不变。
（3）总水头线、水面线(即测压管水头线 )和渠底线三线为 相互平行的直线，所以水力坡度J、水面坡度JP和底坡i三坡 沿流程不变且相等，即：J J P i 常数 物理意义：水流因高程降 低而引起的势能减少正好 等于克服阻力所损耗的能 量，而水流的动能维持不 变。
棱 柱 形 渠 道
6.1 明渠流动概述
断面形状、尺寸及底坡沿程变化的渠道则称为非棱柱形渠 道，其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，也就是说，过水断面A的大小是水深h 及其距某起始断面的距离s的函数，即 A f (h, s) 非棱柱形梯形渠道，其宽度b、边坡系数m的某一项沿程有 变化。 典型的非棱柱形渠道：渠道的连接过渡段，天然河道的断 面。
6.1 明渠流动概述
梯形
矩形
半圆形
抛物型
复式Байду номын сангаас
三角形 明渠横断面的形状
卵形
6.1 明渠流动概述
6.1.1.2明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交线称 底线。底线沿流程在单位长 度内的高程差称为渠道纵坡 或底坡，以符号i表示
i 1 2 sin l
明渠的底坡
在实际工程中，一般的渠道底坡都很小，θ角很小，为 便于量测计算，通常以断面间的水平距离lx代替渠底线 长度，以铅垂深度h作为过流断面的水深，则

这类问题主要是校核已建成渠道的输水能力，如根据洪水位来估 算洪峰流量。
6.2 明渠均匀流
（2）确定渠道底坡 己知渠道断面尺寸、粗糙系数、通过流量或流速，设计渠 道的底坡。即己知 Q ，求 i。求解中需要先计算出 K 值。

如对于排水管渠，为避免沉积淤塞，要求按“自清”流速设计底 坡。对于兼作通航的渠道，则由要求的流速来设计底坡。
1 2 i tan lx
6.1 明渠流动概述
正坡：i>0，明渠渠底沿程降低，或称顺坡。 平坡：i=0，明渠渠底高程沿程不变。 逆坡：i<0，明渠渠底沿程增高，或称反坡。
顺坡
平底坡
底坡类型
逆坡
6.1 明渠流动概述
6.1.1.3棱柱形渠道和非棱柱形渠道
明渠根据渠道的几何特性可分为棱柱形渠道和非棱柱形渠 道。 断面形状、尺寸及底坡沿程不变的长直渠道称为棱柱形渠 道，其过水断面面积A仅随水深h而变化，即 A f (h)为棱柱 形梯形渠道，其宽度b、边坡m沿程不变。 典型的棱柱形渠道：断面规则的长直人工渠道、管径相同 的排水管道和涵洞等。
6.2 明渠均匀流
6.2.2 过水断面的几何要素 明渠断面以梯形最具代表性，其几何要素包括基本量： b——底宽； h——水深，均匀流的水深沿程不变，称为正常水深； m——边坡系数，是表示边坡倾斜程度的量，系数的大小 决定于渠壁土壤或护面的性质。 m a ctg h m越大边坡越缓； m越小边坡越 陡； m=0时是矩形断面。 导出量：
6.1 明渠流动概述
6.1.1 明渠的几何性质
明渠的过水断面形状、尺寸及底坡的变化对明渠 水流运动有着重要的影响，直接关系到明渠输送 水流功能的发挥。 6.1.1.1 明渠的横断面
明渠断面有各种各样的形状，如梯形、矩形、圆形、半圆 形及抛物线形等。 天然河道的断面一般为不规则形状，常见的横断面具有 主槽和滩地的形式。 人工渠道的断面均为规则形状，土渠大多为梯形断面， 涵管、隧洞多为圆形断面，也有采用马蹄形或卵形断面 的；混凝土渠或渡槽则可能采用矩形、半圆形或U形断 面。
6.2 明渠均匀流
在明渠均匀流中，水流重力沿流向分量 G sin 与水流 所受的边壁阻力F是平衡的；当 G sin F 时，明渠水流必 然为非均匀流。
平坡棱柱体明渠中，水体重力沿流向分量 G sin 0 ；逆坡 棱柱体明渠中，水体重力沿流向分量 G sin 0 ，其方向与 边界阻力 F相同。在这两种情况下，都不可能形成均匀流。 在非棱柱形渠道中，由于断面形状、尺寸等沿程发生变化， 水流速度、水深沿程改变，显然不可能满足 G sin F 这个 条件，也不能形成均匀流。 明渠恒定均匀流只可能发生在正坡棱柱体明渠中。