16高职高专水力学第六章明渠恒定水流

'学院教师授课教案课程名称：水力学20年至20年第二学期第十九次课班级：编制日期：20年3月日教学单元（章节）：第六章　明渠恒定水流§6-1　概述§6-2明渠均匀流的特性及计算公式§6-3明渠均匀流的水力计算（1）目的要求：了解明渠均匀流的一些基本概念（明渠边壁的几何特性和水力特性）；掌握明渠均匀流的水力计算。知识要点：明渠均匀流的一些基本概念、明渠均匀流的水力计算。技能要点：明渠均匀流的水力计算。教学步骤：1、讲授本次课内容、提问、讲授；2、总结归纳、布置作业。教具及教学手段：多媒体作业布置情况：6-1课后分析与小结：授课教师：授课日期：20年5月17日第页 教学内容板书或旁注第六章　明渠恒定水流§6-1　概述1、人工修建的过水渠道：渡槽、涵洞、渠道；2、自然形成的天然河道。明渠水流一、人工渠道的几个基本概念：（一）明渠底坡与横断面1、明渠的底坡1）渠底坡度（底坡）i：——渠底线沿流动方向每米单位长度的下降量。i=sin=一般情况下，＜6°（或i≤0.01：sin≈tg,l’≈l（误差0.55%）∴i≈tg=为量测和计算方便：h≈h’（铅直水深=垂直于流向的实际水深）。2）底坡的分类：①i＞0，正坡（顺坡）；②i=0，平坡（零坡）；③i＜0，负坡（逆坡）。天然河道：①渠底线是一条起伏不平的曲线（或折线）；②某一河段用平均底坡说明河床纵向变化趋势。第页 教学内容板书或旁注2、明渠横断面1）人工渠道（以梯形为例）断面形状——梯形、矩形、圆形、U形及复式断面。补充：复式断面图：①仿天然河道；②大小流量差别大。（在黑板上画出给学生看、讲清楚）断面水力要素：水面宽：B=b+2mh；过水断面面积：A=(b+mh)h；湿周：=b+2h；水力半径：R=。边坡系数m：土壤性质（表4-1）；侧壁的衬砌情况（砌石、混凝土衬砌）：m可减小。天然河道：主槽+边滩：断面水力要素随水深变化是不连续的，由实测资料通过绘图和计算而得（不能用解析式表示）。§6-2　明渠均匀流的特性及计算明渠均匀流的基本特性与产生条件（一）明渠均匀流的基本特征1．流线为一簇平行直线：①过水断面形状及尺寸和水深均沿程不变；②断面平均流速及流速分布均沿程不变。2．总水头线、测压管水头线（水面线）与渠底线相互平行。即：J＝Jp＝i（二）明渠均匀流产生的条件1．渠道必须是正坡（i>0）；2．渠道必须是长直的、底坡沿程不变的棱柱体渠道；3．水流必须是恒定流；4．渠道边壁的粗糙度沿程不变；5．渠道中（沿程）不能有建筑物对水流形成干扰。第页 教学内容板书或旁注明渠均匀流水力计算的基本公式（一）基本方程式由谢才公式＝C则有Q＝A＝AC……①又∵明渠均匀流J＝Jp＝I……②∴Q＝AC明渠均匀流计算公式令K＝AC，K——流量模数（m3/s，l/s，l/h）∴Q＝K计算公式（二）正常水深h0——明渠均匀流的水深，称为正常水深，以h0表示。与此对应，h0→A0、、C0、R0、K0。例4-1已知：m＝1.0，b＝10m，i＝0.0001，h0＝2.4m，Q1＝17.5m3/s，Q2＝11.0m3/s问：能否保证供应Q2的流量。解：本题只要求出QQ1+Q2即可。第页 学院教师授课教案课程名称：水力学20年至20年第二学期第二十次课班级：编制日期：20年3月12日教学单元（章节）：第六章　明渠恒定水流§6-3明渠均匀流的水力计算（2）目的要求：掌握明渠均匀流的水力计算。知识要点：明渠均匀流的水力计算。技能要点：明渠均匀流的水力计算。教学步骤：1、讲授本次课内容、提问、讲授；2、总结归纳、布置作业。教具及教学手段：多媒体作业布置情况：6-5课后分析与小结：授课教师：授课日期：20年5月19日第页 教学内容板书或旁注第六章　明渠恒定水流§6-3　明渠均匀流的水力计算②四、渠道水力计算的几个问题（一）渠道的允许流速问题＞＞1、——不冲允许流速（接近渠道的最大流速）（表4-3）：①与边壁土壤类型或衬砌材料有关；②与流量、水力半径等要素有关。2、——不淤允许流速（最小流速）：①取决于水流夹沙能力及沙粒组成；②一般≥0.5m/s，清水渠道＝0.2m/s。（二）明渠的水力最佳断面问题——在一定的流量下，得到最小的过水断面面积；或在过水断面面积一定的条件下，通过流量最大。∵Q＝AOC0＝A0在i、n、A0一定的条件下，Qmax→Rmax＝→min。不同形状明渠→圆形为最佳断面（水力半径最大，湿周最小）。梯形明渠的水力最佳断面——最佳宽深比。第页 教学内容板书或旁注∵A＝（b+mh）hb＝-mh＝b+2h∴＝-mh+2h当＝0→min，则有：＝＝0∴即为-∴＝＝2（-）矩形断面∵＝0∴＝＝2第页 教学内容板书或旁注三）综合糙率ne问题：ne＝（四）复式断面明渠的水力计算问题Q＝Q1+Q2+Q3＝K01+K02+K03＝（K01+K02+K03）K0＝A0C0五、明渠均匀流的水力计算（一）明渠均匀流的水力计算任务1．设计人工渠道的横断面尺寸和渠道底坡；2．在已建渠道中，确定渠道的过水能力、渠中流速或渠中水深等水流参数。（二）明渠均匀流的水力计算举例举例已知：l＝125m，b＝1.6m，h0＝1.8m，2＝151.2m，Q＝8.2m3/s求：1＝?解：本题一定要画一个示意图出来，以帮助学生理解题义—槽底高程与底坡之间的关系，便于学生分析掌握方法。第页 学院教师授课教案课程名称：水力学20年至20年第二学期第二十一次课班级：编制日期：20年3月15日教学单元（章节）：第六章　明渠恒定水流§6-4明渠均匀流计算中的几个问题目的要求：掌握水力最佳断面的计算，掌握渠道的允许流速；了解复式断面明渠均匀流计算的处理方法知识要点：水力最佳断面的计算，渠道的允许流速技能要点：水力最佳断面的计算，渠道的允许流速教学步骤：1、讲授本次课内容、提问、讲授；2、总结归纳、布置作业。教具及教学手段：多媒体作业布置情况：6-7课后分析与小结：授课教师：授课日期：20年5月26日第页 教学内容板书或旁注§6-4明渠均匀流计算中的几个问题一、水力最优断面和允许流速1）水力最优断面：给定渠道断面形状、尺寸、断面面积A、n、i，能通过的Q=Qmax。（或通过给定流量，A=Amin)。以梯形断面为例：当A=const,欲使Q=Qmax,必须FD=Fmin,即χ=χmin最优宽深比最优断面面积最优湿周最优水力半径第页 教学内容板书或旁注梯形断面的边坡系数m梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌，边坡的稳定性及边坡系数m选择由土壤力学性质决定。水力最优断面存在的问题当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比b/h是唯一的。m0(矩)0.51.01.52.02.5 2.01.2360.8280.6060.4720.385水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的。实用经济断面①指导思想：认为水力最优断面不是唯一的一个，而是有一个范围，可从中选择一个既便于施工、应用，又很经济的断面，同时也基本符合最优断面的要求。②实用经济断面存在可能性第页 教学内容板书或旁注3）渠道的允许流速①不冲不淤流速要求：v″＜v＜v′不冲流速:由土壤的种类、粒径、密实度等决定（见表7-2-3）；不淤流速：由水流挟沙量决定。②最小流速要求：南方清水渠道：v>0.5m/s北方结冰渠道：v>0.6m/s③技术经济要求：根据渠道所担负的任务。4.明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算有3种类型：1）验算已设计好渠道的输水能力：2）确定渠道的底坡：已知和渠道的断面形状、尺寸。注意：定出后，还须验算是v否满足不冲、不淤要求（加糙、减糙等）。以上两种方法均可直接用公式。第页 学院教师授课教案课程名称：水力学20年至20年第二学期第二十二次课班级：编制日期：20年3月19日教学单元（章节）：第六章　明渠恒定水流习题课目的要求：掌握明渠均匀流中有压管流、明渠流的水力计算知识要点：明渠均匀流中有压管流、明渠流的水力计算技能要点：明渠均匀流中有压管流、明渠流的水力计算教学步骤：1、总结、例题讲解2、总结归纳、布置作业。教具及教学手段：多媒体作业布置情况：6-11课后分析与小结：授课教师：授课日期：20年6月2日第页 教学内容板书或旁注明渠的几何参数一般明渠：过水断面面积A：垂直于流向的横断面水面宽、B水深底坡：明渠纵断面上渠底线的坡度因θ很小，通常可取②梯形断面明渠教学内容板书或旁注第页 是最常见的人工渠道。其基本几何参数为水深h、底宽b和边坡系数m。边坡系数，由土壤的力学性质决定。过水断面面积水面宽湿周水力半径当m=0，为矩形断面。例题讲解一、是非题1、明渠过流断面上各点的流速都是相等的。2、缓坡上可以出现均匀的急流。3、两条明渠的断面形状、尺寸、糙率和通过的流量完全相等，但底坡不同，因此它们的正常水深不等。4、恒定流一定是均匀流，层流也一定是均匀流。5、矩形断面明渠水力最佳断面的宽深比β等于2。教学内容板书或旁注第页 二、计算题1、有一矩形断面混凝土渡槽，糙率n=0.014，底宽b＝1.5m，槽长L＝120m。进口处槽底高程=52.16m，出口槽底高程＝52.04m，当槽中均匀流水深=1.7m时，试求渡槽底坡i和通过的流量Q。 2、有一梯形渠道，底宽b=10m，水深h＝3m，边坡为1:1，糙率n＝0.014，底坡i＝0.001。如流动在紊流粗糙区，求通过的流量Q。 3、有一矩形断面混凝土渡槽，糙率n=0.014，底宽b＝1.5m，槽长L＝120m。进口处槽底高程=52.16m，出口槽底高程＝52.04m，当槽中均匀流水深=1.7m时，试求渡槽底坡i和通过的流量Q。 4、有一梯形断面渠道，底宽b=2.0m，边坡系数m=1.5，底坡i=0.0006，糙率n=0.014，渠中发生均匀流时的水深=3.0m。试求通过渠中的流量Q和流速。 5、已知梯形断面棱柱体渠道，底坡¡=0.00025，底宽b=1.5m，边坡系数m=1.5，正常水深h0=1.1m，糙率n=0.0275，求流量Q。第页'