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1、第四节明槽恒定急变流明槽急变流：水跌、水跃、弯道水流，堰、闸水流等 明槽急变流的过水断面上的压强分布不满足静水压强分布规律。若以槽底为基准面，断面上的平均测压管水头应为Ihcosv，总水头2E = -h cos 2g向上凸起的水流，一：1 ；向下凹的水流，一：1。本节按传统的一维总流分析方法介绍明槽恒定急变流的规律。一.水跌(Hydaulic drop)当明槽水流由缓流过渡到急流的时候，水面会在短距离内急剧降落，这种水流现象称 为水跌。发生于：明槽底坡突然变陡处，跌坎，上、下游分别为缓流和急流。边界突变，水流底部和下游的受力条件显著改变，使重力作用占主导地位，势能转变为动能，水面急剧地降落到临
2、界水深线之下。明槽渐变流水面线理论：水跌转折断面 上的水深hD应等于临界水深。实验观察，跌坎断面的水深hD约为0.7hK, h = hK的断面约在跌坎断面上游(34) hK 处。.水跃(Hydraulic jump)明槽水流从急流过渡到缓流时水面突然跃起的局部水流现象称为水跃。1 水跃现象及分类典型的水跃流动i裂血漩磁厂匚, 1跃后水球犷厂合三亍二二菲底部主流区-雳勿彩歹存及述?二S :千运丘二？#处芦I跌 X 表面漩滚区有大量漩涡和掺气现象 能量消耗作用，消能。名称Fr1特征能量消耗波状水跃Un dular jump1 1.7形成一系列起伏不平的波 浪，没有表面漩滚 9.0流态汹涌，有波浪7
3、0 85%水跃发生的原因：水流不可能以渐变流形式实现从急流经临界流再到缓流的过渡（1 ）能量守恒的要求（2）水面线陡直上升破坏稳定性水跃 =一个逆流传播的断波，波速=来流流速, 相对于两岸静止。水跃水力计算问题：水跃跃前水深h和跃后水深h之间的关系; 水跃长度l j;水跃的能量损失。2 .水跃基本方程与共轭水深关系平底棱柱形渠道动量方程:Q (、；2V 2 -iV 1 ) Pi 1卩2 -Ff(yc=过水断面A的形心在水面下的深度);假定：摩擦阻力 Ff可以忽略；p= Y ya平底棱柱形明槽的水跃基本方程aQ2 +yciAi =EQ2 +yc2A2gAigA2:厂！Qvi yciAi = ：
4、：QviyC2A2水跃函数J (h )已知其中一个，可以求解另外一个J(hK)= Jmin。J(h ) =J(h)跃前、跃后水深称为共轭水深(Conjugate depths), h越小，相应的h就越大，反之亦然若平底明槽断面为矩形时，yc=h/2, A=bh，单宽流卜 2 2量 q =Q/b，贝H -h 2 J _h 2gh 2 gh 2整理得 h h (h h )二&:亙g g已知h 或h,分别解该方程得平底矩形断面明槽水跃共轭水深关系如下:h =$ (J 8Fr1 -1)Fl = q2 ghFr,h : * ( 1 8Fr2 -1).Fr2以上各式也可以近似用于坡度较缓的明槽例：闸孔泄流
5、下游水跃发生的位置和形态已知：闸孔出流收缩断面水深 (与H、e等有关)，下游水深ht当ht hK时，下游为缓流，两种流态以水跃的形式衔接，跃后水深h = ht 。he=以hc为跃前水深计算出的跃后水深(1) ht = he时跃前水深h= he，水跃发生于收缩断面，为 临界水跃(Critical jump);(2) ht he ,水跃发生在收缩断面的下游，两者间有一定长度的过渡 段，称为 远离水跃(Remote jump );(3) ht he,计算出h 怩，实际上收缩断面被水跃漩滚所淹没，称为淹没水 跃(Submerged jump)。3 水跃长度消能建筑物设计的主要依据之一还没有可资应用的理
6、论分析公式。经验公式彼此相差较大：水跃位置的摆动；研究者 选择跃后断面的标准不一致经验公式多以h、h和来流的弗劳德数 Fri为自变量。几个常用的平底矩形断面明槽水跃长度计算的经验公式：(1 )美国垦务局公式lj =6.1h(4.5Fr1 0,水深沿程增加，水面曲线为 壅水曲线 (Backwater curves); 降水：dh/ds 0,水深沿程减小，水面曲线为降水曲线(Drawdow n curves )(注意壅水、降水与水面高程z的升、降不是一回事)。如何判断壅水、降水？1-Fr2反映水流流态的急缓，以临界水深为界而正负异号，1 Fr0h : h K (急流)时 h hK (缓流)时i -
7、J反映水流的不均匀程度：(1)顺坡渠道，i - J以正常水深为界而正负异号。i 二Q2 K2 , ( K0 =K (h0)J二q2k2随水深增加而减小0,h h0 (K aK。)时0,h h0 (K VK0 )时(2)平坡和逆坡渠道，i 0,所以i- J hK且h ho,水面线正常水深线(N N线)和临界水深线(K K线)之上，因此 i J 0, 1 Fr2 0，贝V 匹 0ds (+)所以1区的水面曲线均为壅水曲线。(2) 第2区，水面线位于 N N线和K K线之间，有两种可能的情况：h0 h hK, i -J 0，则竺 h h0, i 0, 1-Fr 0，贝V 0。ds 2区的水面曲线均为
8、降水曲线。(3) 第3区，h hK且h h0,水面线位于N N线和K K线之下，因此i- J 0 ,贝yd = Q 0 ，所以3区的水面曲线均为壅水曲线。ds(一)将棱柱形明槽12种类型的水面曲线缓坡：M1、M2、M3型水面曲线陡坡：S S 2、S 3型水面曲线临界坡：G、C3型水面曲线 (h0= hK,没有2 区) 平坡：出、H3型水面曲线(h0= g,没有1区)逆坡：A?、A3型水面曲线以M1、M2、M3和S2型曲线比较常见流态：所有1区曲线和M2、H2、A2型曲线为缓流 所有3区曲线和S2型曲线为急流z/ / /77?/ /由于相邻区域的水深变化趋势相反，在同一段渠道里，水面曲线一般情况
9、下不能从一 个区域以渐变流的方式连续过渡到另外一个区域。设想：如果3区壅水曲线能够连续地进入 2区，必然在2区形成至少一小段壅水曲线，与 2区降水曲线的规律矛盾。水面线接近正常水深时，以N-N线为渐近线lim 虫=0hho d s若渠道足够长，MM2型曲线往上游方向,（临界坡渠道除外）S2、S3型曲线往下游方向，将趋于均匀流。水深很大时（1区水面线和H2、A2型曲线），水面将变得近似水平。hf8, Atb, vt0, Jt0, Frt0,.dz dhdzbdhbi i i =0ds dsdsds水面线趋于与 K-K线垂直相交。dh hthK , 1-Fr2 t0,. lim hTK ds实际上将发生水跃或水跌（急变流）。=（临界坡渠道除外）7/7/dh/dsT +8的情况：水跃。水跃发生位置取决于水跃共轭水深关系，只要条件合适，水跃可以发生在渠道中的任 何地方。dh/dsT - 8的情况：水跌。两端都应该是2区降水曲线，水跌不应发生在一段渠道的中间，而应位于两段渠道之 间的转折断面、或渠道的进出口断面上。临界坡渠道：当hth=hK时，i Jf 0, 1 - Fr2 t0,这时dh/ds趋于某个非零常数。 宽矩形断面渠道22 q1 Fr 13gh3且i -JK 2 =A 2C 2 R 二打 h 2 R 4 3 nh103n=iK2 Kk2J:-i k令 n = hK /h,得dh.
