明渠水流特点

第七章明渠恒定非均匀流由于产生明渠均匀流的条件非常严格，自然界中的水流条件很难满足，故实际中的人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。

明渠非均匀流的特点是底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行(如图7-1所示)。

产生明渠非均匀流的原因很多，例如明渠横断面的几何形状或尺寸的沿流程改变，粗糙度或底坡沿流程改变，在明渠中修建水工建筑物(闸、桥梁、涵洞等)，都能使明渠水流发生非均匀流。

明渠非均匀流中也存在渐变流和急变流，若流线是接近于相互平行的直线，或流线间夹角很小、流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。

反之，则为明渠非均匀急变流。

图7-1本章首先分析和讨论明渠非均匀流的一些基本概念和明渠急变流(水跃和水跌)，然后讨论明渠非均匀渐变流水深(或水位)沿程变化的基本方程，最后着重研究水面曲线变化规律，并进行水面线计算。

而本章的重点是明渠非均匀流中水面曲线变化的规律及其计算方法。

在实际工程中，例如，在桥渡勘测设计时，为了预计建桥后墩台对河流的影响，便需算出桥址附近的水位标高；在河渠上修建水电站，为了确定由于水位抬高所造成的水库淹没范围，亦要进行水面曲线的计算。

因明渠非均匀流的水深沿程变化，即h=f(s)，为了不致引起混乱，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。

§7-1 明渠水流的三种流态明渠水流有的比较平缓，象灌溉渠道中的水流和平原地区江河中的流动。

如果在明渠水流中有一障碍物，便可观察到障碍物上水深降低，障碍物前水位壅高能逆流上传到较远的地方(见图7-2a)；而明渠水流有的则非常湍急，像山区河道中的水流，过坝下溢的水流，跌水、瀑布和险滩地的水流。

如遇障碍物仅在石块附近隆起，障碍物上水深增加，障碍物干扰的影响不能问上游传播(见图7-2b)。

上述两种情况表明，明渠水流存在两种不同的流态。

它们对于所产生的干扰波(Disturbance Wave)的传播，有着不同的影响。

障碍物的存在可视为对水流发生的干扰，下面分析干扰波在明渠中传播的特点。

明渠均匀流发生的条件明渠均匀流是指在一定的条件下，水流在明渠中保持均匀流动的状态。

明渠均匀流发生的条件主要包括：水体流速恒定、水体流量均匀分布、水流与明渠壁面无摩擦以及明渠具备一定的几何形状。

要实现明渠均匀流，水体的流速需要保持恒定。

流速的恒定要求水体在明渠中的流动速度保持不变，即水体通过明渠的各个截面的流速相等。

这要求明渠中的水体流动受到一定的控制，可以通过调整明渠的几何形状、坡度以及流量控制等手段来实现。

明渠均匀流还要求水体的流量均匀分布。

流量的均匀分布要求水体通过明渠的不同截面的流量相等，即明渠中任意截面的流量与其他截面的流量相等。

这要求明渠中的水体流动受到均匀分布的控制，可以通过调整明渠的几何形状、截面面积以及流量控制等手段来实现。

明渠均匀流还要求水流与明渠壁面无摩擦。

这意味着明渠的壁面要求光滑，并且水流与壁面之间没有摩擦力的作用。

只有在这种情况下，水体才能在明渠中自由地流动，不会受到壁面摩擦的影响，从而保持均匀流动的状态。

明渠均匀流的发生还要求明渠具备一定的几何形状。

明渠的几何形状包括渠底形状和渠面形状等。

渠底形状的选择会影响水体在明渠中的流速分布，例如，V型槽和矩形槽的流速分布不同；而渠面形状的选择会影响水体在明渠中的流量分布，例如，圆形渠和矩形渠的流量分布不同。

因此，在设计和施工明渠时，需要根据实际情况选择合适的渠底形状和渠面形状，以实现明渠的均匀流动。

明渠均匀流发生的条件包括流速恒定、流量均匀分布、与明渠壁面无摩擦以及具备一定的几何形状。

只有在满足这些条件的情况下，明渠中的水体才能保持均匀流动的状态。

明渠均匀流的实现对于水利工程的设计和施工具有重要意义，可以保证水体在明渠中的稳定流动，减少水力损失，提高水资源的利用效率。

因此，深入研究和掌握明渠均匀流的形成条件对于水利工程领域具有重要的理论和实际意义。

明渠恒定均匀流和非均匀流概述1.1 明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。

(1) 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。

前者的过水断面面积A 仅随水深h 变化，即A =f (h )；后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化。

(2) 顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡，用i 表示。

图4-1如图4-1(a)，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为Δs ，该两断面间渠底高程差为(a 1-a 2)=Δa ，渠底线与水平线的夹角为θ，则底坡i 为θsin 21=∆∆=∆-=sa s a a i (4-1) 当渠底坡较小时，例如θ＜6°时，可近似认为Δs ≈Δl ，则式（4-1）变为 θtan =∆∆≈∆∆=la s a i （4-2） 所以，在上述情况下，过水断面可以看作铅垂平面，水深h 可沿铅垂线方向量取。

明渠底坡可能有三种情况(如图4-2)。

渠底高程沿流程下降的，称为顺坡 (或正坡)，规定i ＞0；渠底高程沿流程保持水平的，称为平坡，i =0；渠底高程沿流程上升的，称为逆坡 (或负坡)，规定i ＜0。

明渠的横断面可以有各种各样的形状。

天然河道的横断面，通常为不规则断面。

人工渠道的横断面，可以根据要求，采用梯形、圆形、矩形等各种规则断面。

图4-21.2 明渠均匀流的特征和形成条件1.2.1明渠均匀流的特征明渠均匀流有下列特性：(1) 过水断面的形状和尺寸、流速分布、水深，沿流程都不变；(2) 总水头线、测压管水头线(在明渠水流中，就是水面线)和渠底线三者为相互平行的直线(图4-1a)，因而它们的坡度相等，即J=J p=i(4-3)1.2.2明渠均匀流的形成条件对明渠恒定均匀流，图4-1（b)，取1-1、2-2断面之间的水体作为研究对象，分析这块水体上的受力，并沿流向写动力平衡方程为P1-P2+G sinθ-T=0式中P1和P2为1-1和2-2过水断面的动水压力，G为Δs流段水体重量，T为边壁(包括岸壁和渠底)阻力。