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第七章 明槽恒定流动 第一节 明槽与明槽流动 明槽流（明渠流，无压流，Open-channel flow ，Free surface flow ）: 具有自由液面，液面压强为大气压。 天然河道，人工渠道，非满流的管道（无压输水隧洞、下水道） 明槽恒定均匀流或渐变流，水面线与测压管水头线相重合。 水面线随着不同的水流条件和槽身条件而变动。 明槽的底坡 明槽底坡 （Bed slope） 小底坡：∣i∣ 0.1 或 6° 此时Δs≈水平距离ΔL，且i≈Δzb/ΔL = tanθ， cosθ≈1.0 顺坡（或正坡）: i 0，槽底高程沿流程下降； 平坡Horizontal slope : i = 0； 逆坡（或负坡）Adverse slope: i 0，槽底高程沿流程上升。 2.明槽的横断面 天然河道：不规则的断面 人工渠道：梯形、矩形、U形、圆形，抛物线形等。 水深h = 明槽过水断面上槽底最低点至水面的距离 小底坡时，h≈铅垂方向的深度h′= h/cos??。梯形断面Trapezoidal section（土质渠道）: 底宽(Bed width) b 边坡系数 (Side slope) m = cot ?，与构成渠道边坡的岩土的稳定性有关 对称的梯形断面渠道， A = ( b + m h) h B = b +2mh （水面不计入湿周） m = 0时为矩形断面(Rectangular section): A = hb，B = b，c=b+2h。 宽矩形断面: h/B1， → c≈B，R≈h。 圆形断面（隧洞、涵管等） 3. 棱柱形明槽与非棱柱形明槽 棱柱形明槽Prismatic channel：槽身长直，底坡不变，横断面形状尺寸沿程不变的明槽 反之为非棱柱形明槽 Non-Prismatic channel。 天然河道形状复杂不规则，通常为非棱柱形明槽；人工渠道多为棱柱形明槽。 与有压管流不同，明槽水深可以沿程变化，棱柱形明槽中的恒定流动有可能是非均匀流，甚至是急变流。 本章内容： 明槽恒定均匀流——特征及形成条件，基本水力计算问题 明槽恒定非均匀渐变流——明槽流动的流动状态及其判别，水面曲线分析和计算 明槽恒定急变流（水跃、水跌等）。 第二节 明槽恒定均匀流 一．明槽均匀流的特性和形成条件 均匀流=平行直线流动 明槽均匀流的特性： 特性1 流速分布、流量、水深和过水断面的形状大小沿程不变。 →流速水头和水力坡度沿程不变 特性2 明槽恒定均匀流的总水头线、水面线和槽底线相互平行， J＝水面线坡度JP＝i 明槽恒定均匀流的形成条件： 恒定流，流量沿程不变； 明槽为长直的棱柱形槽，底坡、糙率沿程不变，且槽中没有影响水流的建筑物或障碍物； 底坡为顺坡（i0）。 根据均匀流流段作用力平衡条件 P1-P2 + G sinθ-T= 0 两断面上的总压力P1＝P2， i = sinθ=T/G 0 。 平坡和逆坡明槽中不可能发生均匀流。 顺坡渠道中形成非均匀流的原因：渠道的底坡、断面形状尺寸、流量或糙率的沿程变化，或者是水流中的障碍物和建筑物。 二．明槽恒定均匀流的水力计算 1．明槽恒定均匀流的基本公式 根据 谢才公式 和 J＝i 或 应用曼宁公式得 (m/s) 或 (m3/s) R单位： m， A单位：m2 。 可见，底坡越大、糙率越小，明槽均匀流的流量就越大。 2．明槽均匀流正常水深 正常水深 ( Normal depth )h0 ＝明槽均匀流时的水深 （区别于非均匀流的水深） A和R均为水深的函数，已知Q、i、n和断面形状及有关尺寸，即可由 确定正常水深。 一般情况下AR2/3是h的单调增函数，Q或n越大、i越小， h0就越大。 例外：圆形等封闭形状断面的明槽， 3．明槽均匀流水力计算方法 比较简单的明槽均匀流计算问题：： 已知糙率、底坡、水深和断面形状及尺寸，求流量或流速； 已知流量、底坡、水深和断面形状及尺寸，反求糙率n； 已知流量、糙率、水深和断面形状及尺寸，确定底坡； 可以应用基本公式直接计算 略为复杂明槽均匀流水力计算问题： 已知流量Q、底坡i、糙率n和断面形状及有关尺寸，求正常水深h0。 非线性方程的求解问题 试算法（手算）：假设水深值hˊ，计算相应的流量Qˊ，满足Qˊ＝Q的hˊ即为正常水深。 迭代法（手算、计算机程序或用Excel）: 梯形断面渠道的简单迭代法计算式 k = 0, 1,…… 可取初值h0, 0 = 1 m 。