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1、水力学教案第六章 明槽恒定流动【教学根本要求】1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形 断面明渠的几何特征和水力要素。2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，并能应用它来进展 明渠均匀流水力计算。3、理解水力最优断面和允许流速的概念，掌握水力最优断面的条件和允许流速确实定 方法，学会正确选择明渠的糙率n值。4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进展过流能力和正常水深的计算， 能设计渠道的断面尺寸。5、掌握明渠水流三种流态急流、缓流、临界流的运动特征和判别明渠水流流态的 方法，理解佛汝德数Fr的物理意义。6、理解断面比能、临界水深、
2、临界底坡的概念和特性，掌握矩形断面明渠临界水深 hk 的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。7、了解水跃和水跌现象，掌握共轭水深的计算，特别是矩形断明渠面共轭水深计算。8、能进展水跃能量损失和水跃长度的计算。9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律，能正确进展水面线定性分析， 了解水面线衔接的控制条件。10、能进展水面线定量计算。11、了解缓流弯道水流的运动特征。【内容提要和教学重点】这一章是工程水力学局部内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。本章有4 个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判别；明渠恒定非均匀渐 变流水面曲线分析和计算，这局部也是本章的难点；水跃的特性和共
3、轭水深计算。学习中应 围绕这4 个重点，掌握相关的根本概念和计算公式。明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由外表，自由外表能随上下游的水流条 件和渠道断面周界形状的变化而上下变动，相应的水流运动要素也发生变化，形成了不同的 水面形态。6.1 明槽和明槽水流的几何特征和分类（1）明槽水流的分类明槽恒定均匀流明槽恒定非均匀流包括渐变流和急变流明槽非恒定流明槽非恒定流一定是非均匀流。明槽非均匀流根据其流线不平行和弯曲的程度，又可以分为渐变流和急变流。(2)明槽梯形断面水力要素的计算公式：水面宽度B = b+2 mh2过水断面面积A =b+ mhht 湿周x = b + 2hJ 1 + m2水力
4、半径(b + mh)hb + 2hT 1 + m 261626364式中：b为梯形断面底宽，m为梯形断面边坡系数，h为梯形断面水深。它形状断面的几何要素可按各自的相应公式计算。(3棱柱体明渠和非棱柱体明渠按照明渠横断面形状尺寸是否沿流程变化可将明渠分为棱柱体明渠和非棱柱体明渠两 类。棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。在棱柱体明渠中，过水断面面积只随水深变化，即A二A(h)。轴线顺直断面规如此的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。在非棱柱体明渠中，过水断面面积除随水深变化外，还随流程变化，即A二A(h,s)。常见的非棱柱体明渠是渐变段如
5、 扭面，另外，断面不规如此，主流弯曲多变的天然河道也是非棱柱体明渠的例子。当渠道的断面形状和尺寸沿流程不变的长直渠 道我们称为棱柱体渠道。(4纵断面和底坡沿渠道中心线所做的铅垂平面与渠底的交线称 为底坡线渠底线、河底线，即明渠的纵断面。该 铅垂面与水面的交线称为水面线。为了表示底坡线沿水流方向降低的缓急程度，引入了底坡的概念。底坡是指沿水流方向 单位长度内的渠底高程降落值，以符号i表示。底坡也称纵坡，可用下式计算。i = sin 0式中，z、z为渠道进口和出口的槽底高程；s为渠道进口和出口间的流程长度；0为 底坡线与水平线之间的夹角。通常由于0角很小，故常以两断面间的水平距离来代替流程长 度，
6、即 sin 0 二 tg0。根据底坡的正负，可将明渠分为如下三类：: 0称为正坡或顺坡；i = 0称为平坡；i 0平坡i=0和逆坡iV0。1明槽均匀流的特征：a均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别是水深h沿程不变，这个水深也称 为正常水深。b过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。c总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J = Js =1。 即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。从力学意义上来说：均匀流在水流方向上的重力分量必须与渠道边界的摩擦阻力相等 才能形成均匀流。因此只有在正坡渠道上才可能形成均匀流。2明渠均匀流公式 明渠均匀流计算公式是由连续性方程和谢才公式组成的
7、，即Q =Av6566v = C.：Ri也可表示为：C = R i/6n67曼宁公式为68式中K是流量模数，它表示当底坡为i = 1的时候，渠道中通过均匀流的流量。K = AC、】R = AR 2/369(D粗糙率n糙率n是反映渠道边界和水流对阻力影响的综合参数，影响n值的因素很多，确定n值 主要依靠经验的积累和实验。实际工程计算中，正确选择n值对进展可靠的设计计算十分重 要。谢才系数C是反响断面形状尺寸和壁面粗糙程度的一个综合系数，C = f (n,R)。其中， 粗糙系数n对谢才系数C的影响远比水力半径R大。明渠外表材料愈光滑，粗糙系数n愈 小，相应的水流阻力也小，在其它条件不变的情况下，通
8、过的流量就愈大。在应用曼宁公式 时，最困难之处在于确定粗糙系数n的数值，因为至今没有一个选择准确n值的方法，而实用计算中，确定粗糙系数n就意味着对渠道中的水流阻力做出估计，这一工作主要依靠经验。 如果在设计中选定的n值较实际偏大，如此势必增大渠道断面尺寸，增加工程量，造成浪费， 同时，渠道中的实际流速将大于设计流速，可能引起土质渠道的冲刷。反之，如果在设计中 选定的n值较实际偏小，如此设计的渠道断面尺寸必然偏小，影响渠道的过流能力，可能造 成水流漫溢，另一方面，渠道中的实际流速将小于设计流速，可能引起渠道淤积。例如，苏 北淮沐河在规划阶段选定的粗糙系数n = 0.02，竣工后实测粗糙系数n =
9、 0.0225，两者相 差 0.0025，但河道的过流能力却比设计情况减少了11%，最后不得不加高堤岸。所以，正确 选择粗糙系数n是明渠均匀流计算的关键。严格来讲，粗糙系数n值除与渠槽外表的粗糙程 度有关外，还与水深、流量、水流是否挟带泥沙等因素有关。对人工渠道，多年了积累了较 多的实际资料和工程经验。例如混凝土 n = 0.0130.017 ；浆砌石n = 0.025左右；土渠 n = 0.0225 0.0275 ，更为详细的资料可参考其它资料。天然河道的情况比拟复杂，通常 要根据对实际河流的实际量测来确定。对于重要的工程，除参考前人总结的资料外，最好能 采用实测资料。当渠道边界各局部的糙率
10、不同时，应采用综合糙率来进展计算。2水力最优断面当过水断面面积一定，渠道能够通过最大流量的断面形状；或者说通过的流量一定，所 需过水面积最小的断面称为水力最优断面。梯形断面明渠满足水力最优断面的条件是，渠道的宽深比Bm为610 B m =2(*1 + m 2 m)hm对于矩形断面m = 0,如此Bm =2，即矩形水力最优断面的底宽b等于水深h的2倍。矩形或梯形水力最优断面实际上是半圆的外切多边形断面半圆形断面，h = r，而1 1 1R =三h =r。可以证明，当m =十 时，外切多边形就为正多边形。m 2 2应当指出，以上所得出的水力最优断面的条件，只是从水力学角度考虑的。从工程投资 角度考
11、虑，水力最优断面不一定是工程最经济的断面。水力最优断面宽深比B只与边坡系 m数有关。当 m = 0.75 时，B = 1 ；当 m 1 ；当 m 0.75 时，P 1如此为缓流。弗汝德数 Fr 是水力学中重要的无量纲数之一，它表示过水断面上单位重量液体具有的 平均动能与平均势能的比值，它也表示水流惯性力与重力的比值。FrV1表示水流平均动能 较小，重力占主导，水流为缓流； Fr1 表示水流的平均动能较大，惯性力占主导，水流为 急流。断面比能E是以通过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体所具有的总机械S能,可表示为6122 2 厂7 av7 aQEs = h += h +S2 g2 gA2当断面的形状、
