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第六章 明渠均匀流 目的要求：掌握明渠均匀流的计算方法，能解决各类计算问题 重点：明渠均匀流的特性及计算公式。 恒定流 均匀流：流线为相互平行的直线 明渠水流 非均匀流 非恒定流 §6-1 概述 一、明渠的分类 1、棱柱形渠道与非棱柱形渠道 棱柱形渠道：断面形状、尺寸沿程不变的长直渠道。 非棱柱形渠道： 2、顺坡、平坡和逆坡渠道 （渠底沿程降低） （渠底水平） （渠底沿程升高） 底坡 通常土渠的底坡很小（i≤0.01），在这种情况下，水流的过水断面可由水流中所取的铅垂断面代替，两断面间的距离可由水平投影长度来代替。 二、明渠均匀流的特证及产生条件 1、水力特性 （1）从几何角度：三线平行：，v、h沿程不变。 （2）从运动学角度：质点做等速直线运动（均匀流）。 （3）从能量角度： ，对于单位重量液体，重力功=阻力功 （4）从力学角度：外力沿流动方向的分量平衡 即：重力沿流动方向的分力与摩擦力抵消。 对于平坡和逆坡渠道，重力沿流动的正方向无分力，故不能产生均匀流。 2、明渠均匀流产生的条件 （1）水流应为恒定流。 （2）流量沿程不变，即无支流的汇入或分出。 （3）渠道必须是长而直的棱柱形顺坡明渠，且i、n沿程不变。 （4）渠中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。 严格满足以上条件的渠道不存在，作近似处理。 §6-2 明渠均匀流的计算公式 连续性方程和谢才公式 （） ，， 令流量模数 当断面形状尺寸、n值一定时，K=f(h)。 均匀流水深叫正常水深，用表示。 通常谈到的某一渠道的输水或排水能力时，指的是在一定正常水深时所通过的流量。 曼宁公式： 巴氏公式： 粗糙系数n综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流的阻力作用。若n 值选的偏小，计算所得断面也偏小，易发生漫溢。若n值过大，不仅造成浪费还会因实际流速过大而造成冲刷。 §6-3 明渠水力最优断面和允许流速 一、水力最优断面 1、定义：当i、n不变时，在断面积相等的各种断面形状中通过流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。 2、条件 当、i、n一定时，要使Q最大最小 工程中常用断面为梯形，就梯形断面而言，在边坡系数m一定时，随b、h Q也变化，下面讨论m一定时，梯形的水力最优断面。 梯形断面的边坡系数m由边坡稳定要求确定。 则 对于矩形：m=0，b=2h 注意：实际中必须依据造价、施工技术、运转要求和养护等各方面条件综合考虑和比较，水力最优条件只是应考虑的因素之一。 二、允许流速 渠中流速过大会造成冲刷，过小形成淤积。 vmin：不淤允许流速，vmax：不冲允许流速。 §6-4 明渠均匀流水力计算的基本问题 验算渠道过流能力 已知b、h、m、n、i，求Q，直接代公式。 决定底坡 已知b、h、m、n、Q，求i，直接代公式。 决定渠道断面尺寸 1、已知Q、h、m、n、i，求b。 试算—图解法： 设b~Q曲线。 2、已知Q、b、m、n、i，求h。 试算——图解法：。 3、已知Q、m、n、i、求b、h。 试算——图解：绘制h～Q或b～Q曲线。 4、已知Q、m、n、i、vmax求b、h。 ， 联立求（舍去一组不合理解）。 §6-5 无压圆管均匀流的水力计算 一、水力要素 过水断面 湿 周 水力半径 流 速 流 量 充 满 度 二、水流特征 除具有一般明渠均匀流的特性外，还具有这样一种水力特性，即流速和流量分别在水流为满流之前达到最大值，在水深较小时，过水断面积随水深增大而迅速增加（水面宽增加），的增长率大于的增长率，水深达到一定程度后，会使过水断面积的增长率比相应的湿周的增长率小（R减小），此时Q反而会相对减小。 可以证明，当无压圆管的充满度时，其输水性能最优， 从图中看出： （1）当水流充满度时，呈最大值，＝1.087。此时管中通过的流量达最大值，它超过管内恰好满流时的流量的8.7％。 （2）时，则呈最大值，＝1.160。此时管中断面平均流速大于管内恰好满流时的流速的16％。 三、无压管道的计算问题 公式Q= ，一般预先确定。 1、已知d、、n、i，求Q 2、已知d、、n、Q，求i 可直接求解 ，具体应用时注意设计规范。 3、已知、n、i、Q，求d §6-6 复式断面渠道的水力计算 明渠复式断面，如图6—1—1所示，由两个或三个单式断面组成，例如天然河道中的主槽和边滩。在人工渠道中，如果要求通过的最大流量和最小流量相差很大，也常采用复式断面。它与单式断面比较，能更好地