《明渠恒定均匀流》PPT课件.ppt

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1、明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,过水断面形状、尺寸、水深沿程不变,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,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,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,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，

2、方向相反）能量条件 水面下降值始终等于水头损失,由水流向动量方程:由均匀流条件：P1P2；v1 v2,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,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式

3、3.2 计算方法3.2 计算类型,由谢才公式 基于明渠水流资料获得的经验公式,1769年,谢才（A.Chezy）,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。,对于明渠均匀流，A 为过水面积，则,式中，为流量模数,K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,某渠设计时选 n=0.01

4、5，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。,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,由均匀流公式,有6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,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算

5、类型,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？,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：77.467.0=10.4 m3/s,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,已知 Q、i、n，b、m，求 h？,Q、b、m、n及i已知，h为待求量上式

6、含h的高次隐函数，不可直接求解,迭代计算,假定h,结束,y,n,渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m,解,一梯形断面，m=1.0，浆砌石砌护n=0.025，i=1/800b=6.0m，设计流量70m3/s，确定堤顶高度（超高0.5m）,试算图解（计算器、Excel、Matlab等）,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,已知渠道设计流量Q、i、n，h、m，求 b？方法与求h0相同，采用迭代法、试算图解法,例 一矩形断面渡槽，为预制钢筋混凝土 n=0.013，设计流量 Q=31m3/s，i=1/1000，h=3.5m，计算 b？,解：用迭代法计算,将

7、Q=31m3/s，i=1/1000，h=3.5m，n=0.013代入得,简 化,b=3.35m,图解试算法计算,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,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,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，即求 h i 的关系曲线（流量一定）,正常水深h与底坡i 的关系是：i 增大，h0

8、减小,原 因,i 越大，底坡越陡，重力分力越大，流速愈大,极限值,i 0,h,平坡不可能出现均匀流,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式3.2 计算任务3.2 计算类型,已知 Q、v、i、n，m，设计渠道断面尺寸,问题 分析,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？,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,Q=f(i,n,断面

9、形状和尺寸)底坡 i：根据地形条件、技术条件考虑选定糙率n：取决于渠壁材料因此，在i，n 已定条件下，从水力条件出 发，渠道最经济断面？,从水力条件出发，渠道最经济断面？什么是渠道水力最佳断面？什么轮廓形状？,均匀流算公式,When i,n,A=Given minR RmaxQ Qmax,水力最佳断面条件,明渠最佳断面形状：半圆形 原因：由几何学知识，面积相同图形中，周界最小的断面为圆形。预制钢筋混凝土 钢丝网水泥渡槽 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土渠为梯形断面,梯形明渠水力最佳断面条件,m：梯形最佳断面的宽深比,综合考虑水力最佳断面不太

10、合理,综合考虑水力最佳断面不太合理？,一般土渠边坡 m 1，m 1，是深窄形断面，需深挖高填，施工不便、维护管理困难；又水深变化大，给通航和灌溉带来不便，经济上反而不利,综合考虑水力最佳断面不太合理？,因此，限制了水力最佳断面在实际中应用,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,允许流速 保证渠道正常运行的水流允许流速的上限和下限值,不冲流速 v 渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水利设计手册。,不淤流速v 渠道中水流悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件，挟沙特性与水中含沙量大小，可根据经验公式确定。,

11、渠道中流速,渠道中杂草滋生的临界流速一般约 0.5m/s,渠水冬季结冰的临界流速（北方地区）约 0.6m/s,电站引水渠、航运渠道中的流速还应满足技术经济要求及管理要求，参照有关规范选定,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,断面周界糙率不同的明渠均匀流,复式断面明渠均匀流,一些渠道，断面周界各段糙率不同。例如，边坡为混凝土护面，底部为浆砌卵石的渠道。,边坡一侧由山石开凿而成，另侧由浆砌石筑成,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,断面周界糙率不同的明渠均匀流,复式断面明渠均匀流,当渠道流量变化大时，断面形状采用复式断面 糟率沿湿周可能不变，也可能变化，视具体情况而定,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不连续。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。,把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量例如，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,