明渠水流和堰流

只有人工渠道 才严格满足。
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9.1 明渠均匀流
一.明渠均匀流的基本公式
明渠均匀流一般属于紊流的阻力平方区。
基本公式
连续方程 谢才公式
J =i
量纲
谢才系数 流量
C
1
1
R6
n
Q AC Ri K i
C
1 L2T
1
流量模数
K AC R
i =1时渠道中通过的流量，与流量单位相同。9
谢才系数的确定 巴甫洛夫斯基公式
z 1
i
θ
hn h 2
底坡 i
渠底高程 zb 沿程变化率 i=sin = z/l , 为渠底线与水平线夹角
水深h 断面实际水深 hn，
铅垂水深 h=hn/cos
在小底坡情况下，可以认为 i=sin = tan , cos = 1.0,因此过水断面可近似
地取铅垂面，可用水平距离代替沿程长 度；用铅垂水深代替实际水深。
道底坡 i 彼此相等
。
均匀流的所有运动 要素均沿程不变。
均匀流的流速沿程不
变，故
。
重力在流动方向上的分量和
阻碍水流运动的摩擦力相平
衡
。
均匀流的水深沿程不变，
故
。
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5. 明渠均匀流动的形成条件
h’
zb1
L
O
v 2 2g
hcos
zb2 O
① 恒定流 ② Q 沿程不变 ③ 为棱柱型渠 ④ i 和 n 沿程不变 ⑤i>0
流量
Q AC Ri K i
C 1 R1/6
或
C 1 R y 当R 1m时
n
n
y 1.5 n
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例-1
已知
求
m, b, h, n, i
Q(校核渠道输水能力)
A、R就是对应于h0时的 过水断面积、水力半径。 12
9.2 明渠均匀流的最优断面和允许流速
1. 水力最佳断面 (best hydraulic section)
流量
Q AC
Ri
A1
1
R6
Ri
1
21
AR 3i 2
n
n
明渠均匀流的过流能力取决于n、i及过水断面的形状、尺寸。
在设计渠道时，n取决于渠壁材料，i 一般随地形条件定，故 流量Q只取决于断面形状和大小。
砂质粘土 : 1.0 m/s 粘 土 : 1.2 m/s 草皮护坡 : 1.6 m/s 干砌块石 : 2.0 m/s
▪ 不淤允许流速v : 防止泥沙淤积
雨水明渠 0.4 m/s 雨水管道 0.75 m/s
一般取 v 0.5m/s
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三.明渠均匀流水力计算的基本问题
➢ 校核已有渠道的输水 能力（求流量Q）
对于小型渠道，其造价基本上由过水断面的土方量决定， 其水力最佳断面和经济合理断面比较接近；对于大型渠道， 若按照水力最佳条件设计，则渠道成为窄深式，施工不变， 养护也困难。
实际设计时，水力最佳条件只是考虑因素之一。
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2. 渠道中的允许流速问题
渠道允许流速
▪ 不冲允许流速v: 防止冲刷破坏
0.4m<h<1.0m 时
9 明渠水流和堰流
一.明渠流动的基本概念
1. 明渠流动 水面和大气直接接触的河渠、槽中的流动。
B
h
1
m
b
人工渠道
主槽
滩地
天然河道
1
2. 过水断面的形状
规则断面
梯形断面
B
h
1
m
b
非规则断面
主槽
矩形断面
圆形断面
h b
滩地
天然河道
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3. 明渠的分类
（一）明渠渠身形式分类
棱柱型渠道
断面形状、尺寸及底坡 沿程不变的长、直渠道
h
Q K i AC Ri
b
➢ 确定渠道底坡i
QK i
K AC R
i
Q2 K2
➢ 设计新渠道（决定断面形状尺寸b、h）
mh 1
m
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梯形断面的水力计算
基本要素
底宽b 水深h 边坡系数m
mh
面积
A bh mh2
h
1
m
湿周
b 2h 1 m2
b
水力Байду номын сангаас半径
R A (b mh)h
b 2h 1 m2
曼宁公式
C
1
1
R6
n
C 1 Ry n
当R < 1m 时, y1.5 n 当R > 1m 时, y 1.3 n
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糙率 n 的确定
在明渠设计中，糙率 n 的准确估值是非常重要的， 天然河道中影响糙率n值的因素有：
1 河床表面粗糙 2 断面的不规则、平弯情况、滩地交
叉、河道阻碍情况 3 河堤沙坡影响随水深变化
水力最佳断面 过流断面的面积、糙率、底坡
一定，通过的流量最大的断面形状。
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流量
Q AC
51
Ri
A1 n
21
R 3i 2
1 n
A3 i2
2
3
面积、糙率、底坡一定，流量最大，要求 k 最小。
要求 R 最大
R A
面积A一定
湿周
最小
最佳断面 是圆：面 积一定, 周长最小
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明渠水力最佳断面—半圆 半圆的水力半径和圆的
糙率 n 由实验定或查表求近似值。
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明渠均匀流的正常水深
明渠均匀流的流量 确定后，必有一个水 深与之对应，称为正 常水深h0 .只有这个 水深才能使渠道发生 均匀流。
Q AC Ri K i
对于足够长的正 底坡渠道，只要断 面形状、底坡、渠 壁糙率沿程不变， 水流总是有形成均 匀流的趋势。
解释
dh
dh
d db 2 1 m2 0
dh dh
梯形断面最佳宽深比
mh
面积:
A bh mh2
1
m
湿周:
b 2h 1 m2
m
b h
m
2(
1 m2 m)
矩形水力最佳断面：m=b/h=2
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说明
水力最佳断面只是从水力学角度出发导出的。在工程实践 中还必须依据造价、施工技术、运转要求、养护条件等各方 面情况进行综合考虑和比较，选出最经济合理的过水断面。 有时还要考虑航运对水深和水面宽度等方面的要求；
水力半径相同，所以明渠水力最佳断面是半圆。
半圆形断面施工困难，工程中用的不多，在土壤开 挖的渠道中，一般采用梯形断面。
梯形断面明渠满足水力
最佳条件的宽深比
梯形断面是渠道工程中
常用的一种断面形式。当边坡系数选定以后，可确
定满足水力最佳条件的宽深比m=（b/h)m
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h
b
dA (b mh) h( db m) 0
铅垂水深 hhn
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底坡 i分类
平坡 i = 0
正坡(顺坡)i > 0
渠底高程沿程降低
渠底高程沿程不变 渠底高程沿程升高
反坡(逆坡) i < 0
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4.明渠恒定均匀流的特征
特征：两个不变、三个相等、两个平衡
断面平均流速v和水深h沿程不变。
水力坡度J（总水头线坡度）、水
面坡度Jp（测压管水头线坡度）和渠
A f (h)
非棱柱型渠道
断面形状、尺寸及底坡 沿程变化的渠道
A f (h, z)
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（二）
流 动 分 类
恒定流
B 0 t
非恒定流
B 0 t
均匀 非均匀
基础
渐变流 急变流
均匀（很少）
非均匀
渐变 急变
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（三）底坡i分类
1
2
➢ 明渠底一般是个斜面，在
hn h
纵剖面上便成一条斜直线，
斜线的坡度称渠道底坡i。