水力学课件最终版 (35)

合理选取 n 值，应注意：
1. 粗糙系数反映的是边界对水流的阻力，应对水头损失的各种 影响因素及其影响规律有正确认识。
2. 尽量参考较为成熟的典型粗糙系数表。一般而言，对光滑和 比较光滑的壁面，n 取0.010 ~ 0.012；对粗糙或中等粗糙壁面， n 取0.013 ~ 0.025；对非常粗糙壁面，n 取大于0.025的值。
梯形：底宽 b、水深 h、水面宽 B=b+2mh、面积 A=(b+mh)h、
湿周 b 2h 1 m2、水力半径 R (b mh)h /(b 2h 1 m2 )
圆形（水流充满）：直径 d、面积 A πd 2 / 4 、湿周 χ πd 、 水力半径 R=d/4。
圆形（水流未充满）：直径 d、水深 h、水面宽 B 2 h(d h)、
明渠水流大多处于阻力平方区，可采用曼宁公式或巴甫洛 夫斯基公式计算谢才系数 C。
谢才系数 C 是 n 和 R 的函数。n 对 C 的影响远大于 R 对 C 的影响。正确选取 n 值对明渠均匀流计算至关重要。
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在设计通过已知流量的渠道时，若选取的 n 偏小，则计算 出的 v 值则偏大，从而使 A 偏小，导致过流能力不足，且会因 实际流速过大引起冲刷。若选取的 n 偏大，则计算出的 v 值 则偏小，从而使 A 偏大，造成浪费，且会因实际流速小于计算 值而引起泥沙淤积。
梯形断面边坡系数 m 的取值，根据土的种类或护面情况确定， 如沙壤土，m 可取1.5～2.0；卵石和砌石，m 可取1.25～1.5 。
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明渠过水断面的水力要素包括：面积 A、水面宽 B、湿周 、 水力半径 R、宽深比 ( b / h) 等。
矩形：宽度 b、水深 h、面积 A=bh、湿周 b 2h 、水力 半径 R bh /(b 2h) 。
第五章 明渠恒定均匀流
本章学习要求：
➢ 理解明渠的类型； ➢ 掌握明渠均匀流的特性及产生条件； ➢ 掌握明渠均匀流的计算公式； ➢ 理解水力最佳断面和允许流速； ➢ 理解明渠均匀流水力计算的类型； ➢ 了解粗糙度不同明渠和复式断面明渠的水力计算。
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明渠：输送具有自由水面水 流的水道。
明渠水流有自由表面，又称 为无压流。
天然河道中的水流亦都是非均匀流。但对于较为顺直、整
齐的河段，当其余条件比较接近时，水流也可按均匀流近似求
解。
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5.3 明渠均匀流的计算公式
恒定流连续方程：qv Av 常数
均匀流的谢才公式：v C RJ C Ri
均匀流的流量公式：qv Av AC RJ K i 式中 K 具有流量的量纲，被称为流量系数，单位为m3/s，它综 合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙系数对过流能力的影响。
2. 过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因而，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。
当底坡 i 0.1( 6 ) 时，常用铅 垂方向的水深 h代替真实的水深； 用渠段的水平投影长度 L 代替实 际长度。
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3. 尽量参照同类型渠道的实测资料和运用情况。
4. 对明渠施工质量和运行维护提出要求。
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5.4 水力最佳断面及允许流速
5.4.1 水力最佳断面
明渠的输水能力由过水断面的形状、尺寸、底坡和粗糙系 数等因素确定。设计渠道时，底坡 i 一般依地形条件或其它技 术要求而定；粗糙系数 n 则主要取决于所选用的建筑材料。在 i 和 n 已知的情况下，qv 由渠道的横断面形状和尺寸决定。
面积
A
d2 8
(θ sin θ)、湿周
1 2
θd、水力半径R
d (1 sin )， 4
以弧度rad计。
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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；而横断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称 为非棱柱体渠道。
棱柱体渠道可能产生均匀流，非棱柱体渠道则不可能。
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5.1.2 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
渠底线与水平线夹角的正弦，即i sin θ。
顺坡明渠
平坡明渠
逆坡明渠
只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。
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5.2 明渠均匀流的特性及其 产生条件
5.2.1 明渠均匀流的特性
1. 过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。
算
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5.1 明渠的类型及其对 水流运动的影响
5.1.1 明渠的横断面
人工明渠的横断面通 常是对称的，如梯形、矩 形和圆形等。
矩形断面常用于岩石中 开凿或条石砌筑的渠道。
圆形断面常用于无压隧洞、渡槽等。
土质明渠的横断面形状常选择梯形。梯形断面两侧的倾斜程
度用边坡系数 m 表示，m cot 。
5.2.2 明渠均匀流产生的条件
1. 水流应为恒定流。 2. 流量应沿程不变，即无支流的汇入或分出。 3. 渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。 4. 渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。
大多数明渠中的水流都是非均匀流。但在顺直棱柱体明渠 中的恒定流，若流量沿程不变且渠道足够长，在距进、出口或 建筑物一定距离的渠段，水流可按均匀流处理。
在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCD进行分析， 则作用于流段上所有外力在流动方向的分量必须相互平衡，即
FP1 G sin θ FP2 Ff 0
因 FP1 FP2
则
G sin θ Ff
上式表明：明渠均匀流中摩 阻力 Ff 与水流重力在流动方 向的分力相平衡。
Hale Waihona Puke EXIT35.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 5.2 明渠均匀流的特性及其产生条件 5.3 明渠均匀流的计算公式 5.4 水力最佳断面及允许流速 5.5 明渠均匀流的水力计算 5.6 粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计
明渠分人工渠道和天然河道， 可以是开敞的，也可是封闭的（但 需具有自由表面）。
当明渠中水流的运动要素不随 时间而变时，称为明渠恒定流。明 渠恒定流中，如果流线是一簇平行 直线，水深、断面平均流速及流速 分布均沿程不变，称为明渠恒定均 匀流。
引水渠
苏伊士运河
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明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡。