注册岩土工程师考试 流体力学 管流、明渠流及渗流

流体力学

第四讲管流、明渠流及渗流

【内容提要】

孔口自由、淹没出流，管嘴出流，收缩断面，流量系数，短管水力计算及特例，串

联、并联长管水力计算。明渠均匀流产生的必要条件及均匀流特性，谢才公式、满宁公式，明渠均匀流水力计算，最佳水力断面设计。渗流模型，渗透系数，达西定律，裘布依假设，潜水井计算公式。

【重点、难点】

孔口自由、淹没出流，管嘴出流；达西定律，裘布依假设，潜水井等计算

【内容讲解】

一、孔口、管嘴出流、有压管道恒定流

1、薄壁小孔口恒定出流

流体经孔口流出称为孔口出流。如图3-4-1。当容器中水位(或压强)不变，孔口的出流量恒定时，称为恒定出流。当容器壁比较薄，或孔口具有锐缘时，孔口的壁厚对出流没有干扰作用，称为薄壁孔口。流体从容器的四面八方流向孔口，流线成光滑曲线向孔口集中，在孔口断面上流线不相平行，继续收缩至距孔口断面d/2(d为孔口直径)处流线才趋于平行，此断面称为收缩断面，即图3-4-1中断面c-c。收缩断面的面积A，小于孔口面积A,

3、有压管道恒定流

液体充满整个管道断面，管壁处处受到液流的压强作用，此压强一般不等于大气压强，这种流动称有压管流。当管流中各运动要素均不随时间变化，则称为有压管道恒定流。其中也包括了不考虑压缩性的气体在管道中的恒定流动。有压管道恒定流的水力计算主要是确定管道中通过的流量；确定相应的水头；确定某断面的压强或压强沿管线的变化。

根据布置不同，可分为简单管道，串并联管道。

(三)并联管道

二、明渠恒定均匀流

天然河道和输水渠、排水沟、无压涵洞等人工渠道以及不满流管道中的水流称为明渠水流。它们都具有自由表面，表面上各点压强一般都等于大气压强，相对压强为零。所以明渠水流又称为无压流动。与有压管流是不同的。

明渠水流的运动要素不随时间变化的称为明渠恒定流；沿流线不变化的称为明渠均匀流，反之则称为明渠非恒定流和非均匀流。

明渠水流在渠道中流动，受到渠道横断面和渠道底坡的制约。渠道横断面的形状、尺寸沿程不变的称为棱柱形渠道，棱柱形渠道中水流的过水断面的大小只随水深变化。横断面的形状或尺寸沿程有改变的则称为非棱柱形渠道。渠道底部高程沿水流方向的变化用

底坡表示。如图3-4-6( )所示：

1、明渠均匀流的形成条件和水力特征

形成明渠均匀流的条件：长而直的棱柱形渠道；底坡i>0，且保持不变；渠道的粗糙情况沿程没有变化；渠中水流为恒定流，且沿程流量不变。只有满足以下全部条件，才会形成明渠均匀流。

明渠均匀流流线为平行直线，过水断面的形状、尺寸、水深、流量、断面平均流速、断面上的流速分布沿程均不变。所以水面线与渠底平行，总水头线与水面线平行(水面线即测压管水头线)，水力坡度与测压管坡度与底坡均相等。

所以明渠均匀流是在特定条件下，作用在液流上的重力和阻力相平衡的产物。它的计算特别简单，因此虽然实际工程中常遇到明渠非均匀流，但在长直的顺坡人工沟渠中，取最大流量来校核渠道的通过能力，或按最大流量来设计断面时，按均匀流计算可以很方便地得到足够准确的结果。

2、明渠均匀流的水力计算

三、渗流

1、概述

流体在孔隙介质中的流动称为渗流。本节主要讨论水在土壤孔隙中流动的规律。这种渗流也

称为地下水流动。

在工程问题中，需要知道的是某一范围内渗流的平均效果，如平均渗流量、平均渗透压力等，而不需要知道土壤孔隙中渗流的详细过程，因此研究渗流时引入简化的渗流模型来替实际的渗流运动。

简化的渗流模型是：认为渗流区内不存在土壤颗粒且为水所充满。这样整个渗流区可以被看成是为水所充满的连续流动。它必须满足：①．对同一过水断面，模型的渗流量应等于真实的渗流量；②.作用于模型任意面积上的渗透压力应等于真实的渗透压力。必须注意，渗流模型中的流速和实际渗流中的流速是不会相等的。

2、渗流的达西定律

(一)达西定律

达西分析了大量实验资料，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度成正比，并和土壤的透水性能有关。达西建立的基本关系为：

5、大口井与基坑排水

大口井是采取浅层地下水的一种井，井径较大，大致为2～10m或更大些。井底出水量是总出水量的一个组成部分。

由于大口井与基坑排水的性质近似，计算方法基本相同。

大口井有井壁进水和井底进水等方式，而井底进水方式往往占重要的地位。对于井壁

进水的完全井，其出水量公式与单井同。下面讨论井底进水的不完全井。如图3-4-8所示大口井，井壁四周为不透水层，井底为半球形，与下层无限深的含水层紧接。这样可以认为渗流流线是径向的，过水断面是半球面。则