明渠 课件(水力学)教学教材
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（1）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变； （2）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水 面线）与渠道底线互相平行； J Jp i
6.2.2 明渠均匀流的形成条件
（1）明渠流量沿程不变；
（2）顺坡（i>0）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；
（3）壁面粗糙系数n沿程不变; J Jp i （4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。
6.2.3 明渠均匀流的水力计算
（1）基本公式：谢才公式
v C RJ
v C Ri
QACRK 的i K 单位i同流量，称为流量模数
明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛 夫公式计算谢才系数。
（2）正常水深h0：明渠均匀流的水深为正常水深 （3）粗糙系数n的选定
（4）明渠均匀流水力计算问题 a、验算渠道的输水能力
明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交线称为渠底 线，渠底线的坡度称为底坡（i）。
iz1z2 sin
l
i z1 z2 tan
lx
铅垂断面为过水断面，
铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型
第二节 明渠均匀流的特征及其 形成条件
明渠过流断面的几何要素
梯形明渠边坡系数
水力最优断面
当i、n和 A 一定，使流量 Q 最 大的断面形状，定义为水力最优断 面。
断面开挖深度
无压圆管均匀流
圆管过水断面的几何要素
无压圆管均匀流的流量和流速随 水深的变化
第四节 明渠流动状态
断面单位能量和 临界水深
6.1 概述
明渠流动：是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
自由表面相对压强为零，又称为无压流。 明渠流动：（1）恒定流与非恒定流；（2）均匀流与非均匀流
思考题
3、什么是水力最佳断面？矩形 断面渠道水力最佳断面的底 宽b和水深h是什么关系？
4、 什么是允许流速？为什么在 明渠均匀流水力计算中要进 行允许流速的校核？
作业
P244-8.12、8.13 P245-8.18
第一节 概述
在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
明渠的分类
棱柱形渠道
非棱柱形渠道
m a cot
h
边坡系数m表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性。
导出量：水面宽B、过水断面面积A、湿周、水力半径
6.1.2 棱柱形渠道与非棱柱形渠道
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。
棱柱形渠道过水断面面积A仅随水深h而变化。
6.2 明渠均匀流
6.2.1 明渠均匀流的水力特征
第九章 明渠流动
重点内容 授课内容 思考题 作业
重点内容
1. 明渠均匀流水力计算 2. 明渠水流三种流态的判别 3. 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线
分析 4. 水跃的特性和共轭水深计算
思考题
1、简述明渠均匀流的特性和形成条件， 从能量观点分析明渠均匀流为什么 只能发生在正坡长渠道中？
2、什么是正常水深？它的大小与哪些因 素有关？当其它条件相同时，糙率n、 底宽b或底坡i分别发生变化时，试 分析正常水深将如何变化？
6.1.1 明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交 线称为底线，底线的坡 度称为底坡（i）。
iz1z2 sin
l
i z1 z2 tan
lx
Байду номын сангаас
铅垂断面为过水断面， 铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型：
明渠断面的形状可以有多种形式。以梯形最具有代表性。
其几何要素可分为基本量和导出量。 基本量：底宽b、水深h、边坡系数m
平坡渠道（i>0） 逆坡渠道（i>0）
2种水面线 2种水面线
i ik
在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流 量的正常水深时，坝上游将出现a1型壅水曲线。 在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将 出现b1型降水曲线。 在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深， 形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形 成c1型壅水曲线。
i ik
在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现a2型壅水曲线。 水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成b1型降水 曲线，而急坡渠道上上将形成b2型降水曲线，而在变坡处通过 临界水深，形成跌水。 在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形 成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c2型 壅水曲线。
当i、n和 Q一定，使A最小的 断面形状，定义为水力最优断面。
水力最优断面
例题：
在密实砂壤土层中开挖灌溉渠 道，断面为梯形。边坡系数m= 1.5 ， 粗糙系数n=0.025 ，根据地面地形， 底坡采用， i= 0 .0003 ，设计流量 Q = 9 .68 m3 / s ，选定底宽 b =7m,试确定断面的开挖深度。
6.6.1 棱柱形渠道渐变流基本微分方程
取两过水断面，列能量方程：
(z h ) 2 v g 2(z d z h d) h(v2 g d)2 v dw h
dh ds
iJ
1gQA23B
iJ 1Fr
顺坡渠道（i>0） 8种水面线
缓坡渠道（i<ik） 急坡渠道（i>ik）
3种水面线 3种水面线
临界坡渠道（i=ik） 2种水面线
Q AC Rif(m ,b ,h 0,n ,i)
b、决定渠道坡度
c、决定渠道断面尺寸
（5）水力最优断面与实用经济断面
Q AC Rif(m 当,b i、,h 0 n,及n ,iA)大小一定时，使渠道所通过的
流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。
Q
AR23i12 n
当in、i nA及5233 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。
面积给定时，边界最小的几何图形是圆形， 因此管路断面形状通常为圆形。
（6）渠道的允许流速 （7）断面周界上粗糙度不同的渠道 （8）复式断面渠道
6.6 棱柱形渠道中渐变流水面曲线 分析
渐变流水面线分析的主要任务：
根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确 定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。
i ik
在 i 渠ik 道上闸门上游将形成a3型壅水曲线。 在 i 渠ik 道上闸门下游将形成c3型壅水曲线。
i 0
平坡渠道末端跌坎上游将形成b0型降水曲线。 在平坡渠道上闸门部分开启时，闸门下游将形成c0型壅水曲线。
i 0
逆坡长渠道末端为跌坎，若闸门后收缩断面水深小于临界水深， 则闸门下游为b’型降水曲线。跌坎上游将形成c’型壅水曲线。
6.2.2 明渠均匀流的形成条件
（1）明渠流量沿程不变；
（2）顺坡（i>0）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；
（3）壁面粗糙系数n沿程不变; J Jp i （4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。
6.2.3 明渠均匀流的水力计算
（1）基本公式：谢才公式
v C RJ
v C Ri
QACRK 的i K 单位i同流量，称为流量模数
明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛 夫公式计算谢才系数。
（2）正常水深h0：明渠均匀流的水深为正常水深 （3）粗糙系数n的选定
（4）明渠均匀流水力计算问题 a、验算渠道的输水能力
明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交线称为渠底 线，渠底线的坡度称为底坡（i）。
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l
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铅垂断面为过水断面，
铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型
第二节 明渠均匀流的特征及其 形成条件
明渠过流断面的几何要素
梯形明渠边坡系数
水力最优断面
当i、n和 A 一定，使流量 Q 最 大的断面形状，定义为水力最优断 面。
断面开挖深度
无压圆管均匀流
圆管过水断面的几何要素
无压圆管均匀流的流量和流速随 水深的变化
第四节 明渠流动状态
断面单位能量和 临界水深
6.1 概述
明渠流动：是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
自由表面相对压强为零，又称为无压流。 明渠流动：（1）恒定流与非恒定流；（2）均匀流与非均匀流
思考题
3、什么是水力最佳断面？矩形 断面渠道水力最佳断面的底 宽b和水深h是什么关系？
4、 什么是允许流速？为什么在 明渠均匀流水力计算中要进 行允许流速的校核？
作业
P244-8.12、8.13 P245-8.18
第一节 概述
在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
明渠的分类
棱柱形渠道
非棱柱形渠道
m a cot
h
边坡系数m表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性。
导出量：水面宽B、过水断面面积A、湿周、水力半径
6.1.2 棱柱形渠道与非棱柱形渠道
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。
棱柱形渠道过水断面面积A仅随水深h而变化。
6.2 明渠均匀流
6.2.1 明渠均匀流的水力特征
第九章 明渠流动
重点内容 授课内容 思考题 作业
重点内容
1. 明渠均匀流水力计算 2. 明渠水流三种流态的判别 3. 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线
分析 4. 水跃的特性和共轭水深计算
思考题
1、简述明渠均匀流的特性和形成条件， 从能量观点分析明渠均匀流为什么 只能发生在正坡长渠道中？
2、什么是正常水深？它的大小与哪些因 素有关？当其它条件相同时，糙率n、 底宽b或底坡i分别发生变化时，试 分析正常水深将如何变化？
6.1.1 明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交 线称为底线，底线的坡 度称为底坡（i）。
iz1z2 sin
l
i z1 z2 tan
lx
Байду номын сангаас
铅垂断面为过水断面， 铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型：
明渠断面的形状可以有多种形式。以梯形最具有代表性。
其几何要素可分为基本量和导出量。 基本量：底宽b、水深h、边坡系数m
平坡渠道（i>0） 逆坡渠道（i>0）
2种水面线 2种水面线
i ik
在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流 量的正常水深时，坝上游将出现a1型壅水曲线。 在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将 出现b1型降水曲线。 在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深， 形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形 成c1型壅水曲线。
i ik
在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现a2型壅水曲线。 水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成b1型降水 曲线，而急坡渠道上上将形成b2型降水曲线，而在变坡处通过 临界水深，形成跌水。 在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形 成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c2型 壅水曲线。
当i、n和 Q一定，使A最小的 断面形状，定义为水力最优断面。
水力最优断面
例题：
在密实砂壤土层中开挖灌溉渠 道，断面为梯形。边坡系数m= 1.5 ， 粗糙系数n=0.025 ，根据地面地形， 底坡采用， i= 0 .0003 ，设计流量 Q = 9 .68 m3 / s ，选定底宽 b =7m,试确定断面的开挖深度。
6.6.1 棱柱形渠道渐变流基本微分方程
取两过水断面，列能量方程：
(z h ) 2 v g 2(z d z h d) h(v2 g d)2 v dw h
dh ds
iJ
1gQA23B
iJ 1Fr
顺坡渠道（i>0） 8种水面线
缓坡渠道（i<ik） 急坡渠道（i>ik）
3种水面线 3种水面线
临界坡渠道（i=ik） 2种水面线
Q AC Rif(m ,b ,h 0,n ,i)
b、决定渠道坡度
c、决定渠道断面尺寸
（5）水力最优断面与实用经济断面
Q AC Rif(m 当,b i、,h 0 n,及n ,iA)大小一定时，使渠道所通过的
流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。
Q
AR23i12 n
当in、i nA及5233 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。
面积给定时，边界最小的几何图形是圆形， 因此管路断面形状通常为圆形。
（6）渠道的允许流速 （7）断面周界上粗糙度不同的渠道 （8）复式断面渠道
6.6 棱柱形渠道中渐变流水面曲线 分析
渐变流水面线分析的主要任务：
根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确 定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。
i ik
在 i 渠ik 道上闸门上游将形成a3型壅水曲线。 在 i 渠ik 道上闸门下游将形成c3型壅水曲线。
i 0
平坡渠道末端跌坎上游将形成b0型降水曲线。 在平坡渠道上闸门部分开启时，闸门下游将形成c0型壅水曲线。
i 0
逆坡长渠道末端为跌坎，若闸门后收缩断面水深小于临界水深， 则闸门下游为b’型降水曲线。跌坎上游将形成c’型壅水曲线。