水力学_第7章 明渠流动课件.ppt

'水力学教学课件主讲教师：刘伟答疑地点：综合实验楼106 第六章内容回顾简单管道水力计算的基本公式简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算特例——虹吸管及水泵串联管道的水力计算并联管道的水力计算 第7章明渠流动 本章讲述明渠恒定均匀流的基本特性﹑形成条件﹑基本公式以及如何运用公式解决水力工程的均匀流计算等问题。明渠均匀流运动规律，是渠道设计的重要理论依据之一，广泛用于工程实践。同时它又是学习明渠非均匀流的基础，因此，应当熟练掌握基本概念﹑基本公式和基本方法。明渠水流的自由水面会随着渠道条件和水流条件而变化。所以在水力计算上，明渠流问题比有压管流问题要复杂一些。 本章的重点明渠的几何性质（横断面、底坡）；明渠均匀流的特性和形成条件；明渠均匀流的基本公式；水力最佳断面与实用经济断面，允许流速；明渠均匀流水力计算的类型和方法。 明渠一种人工修建、或自然形成的渠明渠流有自由面（液面处为大气压强）。明渠流又称无压流。§7.1明渠流动概述 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，故明渠流为无压流。明渠流特点：①具有自由水面（水面压强为大气压），重力是流动的主要动力；②底坡的改变对断面流速和水深有直接影响；③局部边界的变化引起水深在很长的流程上发生变化；④明渠水面线即测压管水头线。有压管流：①具有封闭的湿周；②压力是流动的主要动力。 明渠流与有压流区别自由液面明渠流：有自由面,随时空变化,呈现各种水面形态有压管流：无自由液面非恒定均匀流明渠流：非恒定流必是非均匀流有压管流：非恒定管流可以是均匀流 明渠恒定流明渠流中的水力要素（时均值）均不随时间变化，称明渠恒定流，否则称明渠非恒定流。 明渠均匀流明渠流中，流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不变。 明渠断面形状、尺寸、底坡对水流运动有重要影响。因此，要了解明渠水流运动的规律，首先必须了解明渠类型及其水力要素等。 （一）明渠的底坡渠底与纵剖面的交线称为渠底线，常用符号i来表示，是指渠底的高差与相应渠长的比值。当底坡较小时： 明渠底坡有三种类型正坡（顺坡）i>0渠底高程沿流程降低平坡i=0渠底高程沿程不变负坡（逆坡）i<0渠底高程沿流程增加 （二）棱柱形渠道与非棱柱形渠道明渠的横断面垂直于渠道壁面的平面与水流的接触面人工明渠横断面天然河道 明渠断面形式 人工明渠横断面通常有矩形、梯形、圆形、马蹄形断面等形式 1.矩形断面水面宽度过水面积湿周水力半径常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠混凝土渠木渠hb 2.梯形断面：水面宽度B=b+2mh过水面积湿周水力半径Bhb1m土基上的渠 3.圆形断面水面宽度过水面积湿周水力半径用于无压隧洞dhθ 断面形状水面宽度B过水断面积A湿周x水力半径R*式中以弧度计常见的过水断面的水力要素 河道横断面河道横断面形状不规则，分主槽和滩地两部分枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地滩地主槽 天然河道横断面形状不规则，由主槽与滩地组成。其一般是非棱柱体；若断面变化不大，又较平顺，可近似作为棱柱体渠道。滩地主槽 渠道分类棱柱体渠道非棱柱体渠道渠道的分类 棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道不弯曲糙率例如，人工开凿的大部分渠道沿程不变非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体 非棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道弯曲糙率例如，天然河道人工渠道连接段（扭面）沿程改变非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体 非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体332211 7.2.1明渠均匀流的水力特征过水断面形状、尺寸、水深沿程不变断面流速分布断面平均流速流量动能修正系数等沿程不变§7.2明渠均匀流底坡、水面坡度、总水头线互相平行 θihhJJzvv底坡、水面坡度、总水头线互相平行 7.2.2明渠均匀流的形成条件充分必要条件力学条件渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）能量条件水面下降值始终等于水头损失 明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡．设想在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCD进行分析，则作用于流段上所有外力杂流动方向的分量必须相互平衡，即因FP1=FP2则有。上式表明明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向的分力相平衡。 必要条件恒定流流量沿程不变（无分叉和汇流情况）渠道为长、直的棱柱体顺坡渠渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰底坡、糙率沿程不变底坡i>0,并在较长距离内保持不变 ①棱柱形直渠道;②顺坡i＞0;③n沿程不变；④无局部障碍；⑤恒定流Q=const。 实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。 近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期 图明渠中的流动均匀流段非均匀流段非均匀流段离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流 7.2.3明渠均匀流的水力计算1.基本公式由谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式 1769年在总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式－谢才公式，以后又有确定谢才系数的满宁公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。谢才（A.Chezy） 对于明渠均匀流，A为过水面积，则式中，为流量模数 综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度为1时的流量（当i=1时，Q=K）。单位：（m3/s） 谢才系数C反映断面形状、尺寸和边壁粗糙程度的一个综合系数。常用曼宁公式计算R：水力半径，以米（m）计n：糙率 注意选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏小，对实际输水能力影响较大。 某渠设计时选n=0.015，竣工后实测0.016。设计水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大，可能造成水漫渠顶事故。 各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.04~0.05野草丛生的砂壤土或砾石渠面0.033~0.04散布粗石块的土渠面0.025~0.030砾石（直径20~60mm）渠面0.017~0.020夯实光滑的土面土渠：n渠道衬砌材料表人工渠道的糙率 各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.05~0.065粗劣的极不规则的凿岩渠0.04~0.05细致开爆的凿岩渠0.033~0.040中等粗糙的凿岩渠0.025~0.035光滑而均匀石渠：n渠道衬砌材料表人工渠道的糙率 各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.025~0.035干砌块石渠0.020~0.025粗糙的浆砌碎石渠0.017~0.023浆砌块石0.013~0.017整齐勾缝的浆砌方石圬工渠：n渠道衬砌材料表人工渠道的糙率 各种土质、衬砌材料渠道的糙率表0.020~0.025喷浆表面不整齐的混凝土0.018~0.023喷浆粗劣的混凝土衬砌0.0155~0.0165表面较光的刮平混凝土0.01~0.011水泥浆抹光，钢模混凝土混凝土渠：n渠道衬砌材料表人工渠道的糙率 由均匀流公式式中，有6个变量（含Q）2计算方法 式中，共有六个变量（含Q）边坡系数m和糙率n一般根据土质、或衬砌材料用经验法确定水力计算任务给定Q、b、h、i中三个，求解另一个 7.2.4水力计算校核渠道的过流能力求水深求底宽求底坡设计断面尺寸 校核渠道的过流能力已知断面形状、b、h、m、底坡i、糙率n校核流量Q 一电站已建引水渠为梯形断面，m=1.5，底宽b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤顶高程差为3.2m，电站引水流量Q=67m3/s。因工业发展需要，要求渠道供给工业用水。试计算超高0.5m条件下，除电站引用流量外,还能供给工业用水若干？b3.2超高m=1.5 渠中水深过水断面湿周水力半径谢才系数流量保证电站引用流量下，渠道还可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/sb3.2超高m=1.5 求底坡已知Q、n，m，n，h、b、求i方法：直接计算 求底坡例一矩形断面渡槽，b=2.0m，槽长l=120.m进口处槽底高程z1=50.0m，槽身为预制混凝土n=0.013，设计流量Q=10.0m3/s，槽中水深为h=1.8m。试求：（1）求渡槽出口底部高程z？（2）当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深随底坡的变化规律。 解求渡槽底坡i:出口槽底高程 设计断面尺寸已知Q、v、i、n，m，设计渠道断面尺寸问题分析为已知h，b为待求的未知数。两个方程可解出两个未知数h，b 例一梯形渠道，流量Q=19.6m3/s，流速v=1.45m/s，m=1.0，糙率n=0.02，i=0.0007，试求渠道断面b及h。m/s 因此，在i、n已定条件下，7.2.5水力最佳断面和设计流速底坡i：根据地形条件、技术条件考虑选定糙率n：取决于渠壁材料断面形状和尺寸断面形状和尺寸 水力最佳断面：仅从水力条件出发，渠道最经济断面当Q=一定，要求：A→Amin当A=一定，要求：Q→Qmax 水力最佳断面的一般条件均匀流计算公式当i、n、A=给定→minR→RmaxQ→Qmax 最佳断面形状：半圆形原因：由几何学，面积相同图形中，周界最小的断面为圆形。因此，明渠最佳断面形状是半圆形。例如，预制钢筋混凝土、钢丝网水泥渡槽等，但土渠难挖成半圆形，且两岸边坡不稳定。从地质和施工条件考虑，工程中接近圆形断面形状的为梯形断面 梯形断面水力最佳条件：已知则 梯形水力最佳断面的宽深比条件：上式表明：梯形水力最佳断面的宽深比仅与边坡系数有关。梯形水力最佳断面的水力半径均等于水深的一半。对于矩形断面 水力最优梯形断面最优宽深比最优断面面积最优湿周最优水力半径 水力最佳断面不一定是渠道的实用经济断面。设计渠道断面时，要从经济和技术方面来考虑，既要考虑水力的最佳断面，但又不能完全受此条件约束。水力最佳断面与实用经济断面 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。水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的。m0(矩)0.51.01.52.02.52.01.2360.8280.6060.4720.385 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:给定A=const，绘出，由图可见χ存在极小值。而χ在的极小值附近变化十分缓慢，即当χ有微小变化：，水深h却有较大的变化范围，因而可从中选择一个合适的宽深比。定义实用经济断面： 允许流速①不冲不淤流速要求：vmin＜v＜vmax不冲流速vmax:由土壤的种类、粒径、密实度等决定（可查阅有关水利设计手册）；不淤流速vmin：由水流挟沙量决定（可根据经验公式确定）。②最小流速要求：南方清水渠道：v>0.5m/s（避免水草滋生）北方结冰渠道：v>0.6m/s（防止结冰）③技术经济要求：根据渠道所担负的任务，如电站引水渠、航运渠道中的流速参照有关规范选定。 复式断面明渠均匀流的水力计算当渠道流量变化大时，断面形状采用复式断面计算流量实际流量hQ计算流量 复式断面渠道，不能用综合糙率来计算流量原因：水深变化引起湿周变化可能是不连续的例如，水位刚刚漫上浅滩（第二个台阶）时，湿周突然增大，过水面积变化小，计算流量会突然减小，小于实际流量。计算流量实际流量hQ计算流量 水力计算：把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量χ1h1χ2χ3h2h3例如，用垂线把断面划分成三部分 注意：计算各部分湿周时，不要把两垂直分界线计入χ1h1χ2χ3h2h3 例8-7　一复式断面如图，已知bⅠ与bⅢ为6m，bⅡ为10m；hⅠ与hⅢ为1.8m；mⅠ与mⅢ均为1.5，mⅡ为2.0；n为0.02及i为0.0002．求Q及v．解： 各部分的湿周分别为：各部分的流量模数分别为： 所给复式断面的流量由公式得到复式过水断面的平均流速为 7.3无压圆管均匀流这里主要介绍城市下水道的水力计算。1)无压圆管均匀流的水流特征：①属明渠均匀流：J=Jp=i；②Q=Qmax发生在满流之前。即水力最优断面的充满度 充满度充满角水深过水断面湿周水力半径 水力最优充满度对于一定的无压圆管（d、n、i一定），流量随管中水深h变化，由基本公式说明无压圆管通过的流量在管道满流前便能达到最大值，相应的充满度是水力最优充满度，与最优充满度对应的充满角是水力最优充满角。 当Q=QMax，V≠Vmax最优充满度Q=QMax最大流速充满度V=Vmax 2)无压圆管水力计算①校核过流能力：已知d,n,和i,求Q②设计底坡：已知Q,d,n,，求i③设计d：已知Q,n,i和，求d这类问题必须试算。 3）无压圆管设计规范①污水管的最大设计充满度污水管道应按不满流计算。 ②雨水管道和合流管应按满流计算。③排水管的最大设计流速：金属管为10m/s,非金属管为5m/s.④排水管的最小设计流速：对污水管道（在设计充满度下），当管径≤500mm时，为0.7m/s;当管径＞500mm,为0.8m/s。在实际工作中可参阅有关手册与规范。 典型习题分析选择题2、水力最优断面是：A、造价最低的渠道断面；B、壁面粗糙系数最小的端面；C、对一定的流量具有最大断面积的断面；D、对一定的面积具有最小湿周的断面。1、明渠均匀流可能发生在：A、平坡棱柱形渠道；B、顺坡棱柱形渠道；C、逆坡棱柱形渠道；D、都有可能。3．水力最优矩形断面，宽深比是：A、0.5；B、1.0；C、2；D、4。BDC'