水力学-第五章 明渠均匀流.ppt

'水力学第五章明渠均匀流齐洪亮 主要内容明渠均匀流的水力特性和基本公式水力最优断面允许流速明渠均匀流的水力计算无压圆管均匀流2021/7/22长安大学2 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学3天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流，水流流动力为重力。明渠水流分类：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均匀流明渠非均匀流如果明渠恒定流中的水深和流速沿程不变，则称为明渠均匀流。所以，水流在前进方向上的合力为零。 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学4ΔZLL’流速V与i成正比重力与阻力达到平衡 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学5明渠的底坡能形成均匀流不能形成均匀流不能形成均匀流 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学6棱柱形渠道和非棱柱形渠道棱柱形渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道。非棱柱形渠道：断面形状、尺寸或底坡改变的渠道。 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学7明渠均匀流形成条件（1）水流必须是恒定流，以保证沿程水深、流速不发生变化；（2）渠道必须是长直棱柱形渠道，以保证过水断面形状、尺寸、表面粗糙系数n等沿程不变；（3）底坡必须沿程不变，且为顺坡;（1）过水断面的形状、尺寸沿流程不变，则水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深，用h0表示；（2）过水断面上流速分布和断面平均流速沿流程不变；（3）水流的总水头线、水面线（测压管水头线）和渠底线三条线平行。故总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Jp=i。明渠均匀流特征明渠均匀流的比动能、比压能沿程不变，比位能沿程减小，比位能减少值等于克服水流阻力所消耗的比能，即重力功完全克服阻力功。明渠均匀流是重力和阻力达到平衡的一种流动。 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学8实际工程中的渠道并不是都能严格满足上述要求的，特别是许多渠道中总有这种或那种建筑物存在，因此，大多数明渠中的水流都是非均匀流。但是，在顺直棱柱体渠道中的恒定流，当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，水流仍近似于均匀流。 5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式2021/7/22长安大学9明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式： 5.2水力最优断面2021/7/22长安大学10在底坡i及粗糙系数n已定的前提下，渠道的过水能力Q取决于渠道的横断面形状及尺寸，从经济观点上来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知的设计流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，称为水力最佳断面。若i、n、A不变时，湿周最小时，Q最大；若i、n、Q不变时，A最小时，湿周最小；所以，水力最优断面的过水断面面积及湿周均为最小。过水断面面积最小，则土方开挖量最小；湿周最小，则渠壁的阻力最小。 5.2水力最优断面2021/7/22长安大学11bh1αmB梯形断面的水力要素过水断面面积A：A=(b+mh)h水面宽B：B=b+2mh湿周： 5.2水力最优断面2021/7/22长安大学12bh1αmB梯形断面的水力要素m00.250.51.01.52.02.53.0b/h2.01.561.2360.8280.6060.4720.3850.32梯形水力最佳断面通常都是窄而深的断面。这种断面虽然工程量最小，但不便于施工及维护。所以，无衬护的大型土渠不宜采用梯形水力最佳断面。 5.3允许流速2021/7/22长安大学13为保证渠道的正常工作，使之在运用中不致发生冲、淤现象，对渠道的平均流速应规定上限值和下限值。这种对渠身不会产生冲刷，也不使水中悬浮的泥沙在渠道中发生淤积的断面平均流速，称为允许流速。允许流速的上限，保证渠道不遭受冲刷，称为不冲流速vmax。允许流速的下限，保证渠道不产生淤积，称为不冲流速vmin。（vmax）不淤流速<断面平均流速<不冲流速（vmin） 5.3允许流速2021/7/22长安大学14最大允许不冲流速 5.3允许流速2021/7/22长安大学15最大允许不冲流速 5.3允许流速2021/7/22长安大学16最小允许不淤流速渠道中的最小允许不淤流速与水中的含沙量、泥沙的粒径及水深等因素有关，一般不小于0.5m/s，具体可以按照经验公式计算。R-水力半径；a-系数，与水中所含泥沙有关，粗沙时a=0.65—0.77；中沙时a=0.58—0.64；细沙时a=0.41—0.45。 5.3允许流速2021/7/22长安大学17例5-2某电站引水渠，在粘土中开凿，情况较坏，在使用过程中岸坡已滋生杂草。今测得下列数据：断面为梯形，边坡系数m为1.5，底宽b为34m，底坡i为1/6500，渠底至堤项高差为3.2m。问：（1）试计算渠道在保证超高为0.5m的条件下，渠中是否发生冲刷。（2）渠中水深h为1.5m，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道是否发生淤积(已知不淤流速为0.5m／s) 5.3允许流速2021/7/22长安大学18由于渠道在粘土中开凿，情况较坏，在使用过程中岸坡已滋生杂草，按照表4-2，取n=0.03。 5.3允许流速2021/7/22长安大学19查表5-5，渠道土质为粘土时，最大允许不冲流速为0.85m/s，当R=2.35时，对应的最大允许不冲流速为0.85×R1/4=1.05m/s，即v