明渠均匀流的特征及其形成条件

明渠均匀流的特性及其产生条件一、明渠均匀流的特性明渠均匀流是指渠道中的水流流速及流速分布沿程不变的水流。

其实际上是物理学中的均速直线运动，从力学角度分析，作用在明渠水流运动方向的各种力必须相互平衡。

如图6-５所示，在明渠中选择一段水体ABCD ，其受力分别为重力G 、前后水压力1P 、2P 、周界的摩擦阻力f F 。

α为渠底线与水平方向的夹角。

则沿流向的平衡方程为 0sin 21=--+P F G P f α因为均匀流中过水断面上的动水压强按静水压强分布，且各过水断面水深的过水断面面积相等，则有21P P =，且f F G =αsin 。

这说明，在明渠均流中，水流阻力与重力在水流方向上的分力相平衡。

同理，对于非均匀流f F G ≠αsin ，明渠水流做加速或减速运动。

在明渠均匀流段选择两断面1-1 、2-2列能量方程w h gp g p +++=++222222221111v z v z αγαγ 因为是均匀流则有JL h w =，21v v =，21αα=，21p p = 则可得明渠均匀流的基本特征为：i J J p == (6-7)即明渠水流的水面线、渠底线和总水头线三线平行，三坡相等。

二、 明渠均匀流的产生条件由以上明渠均匀流特性可知，明渠水流必须具备以下条件，才能形成恒定均匀流。

1.明渠水流为恒定流。

2.流量沿程保持不变。

在明渠中，沿程无水流汇入和分出。

3.明渠必须是正坡（0>i ）的棱柱体渠道。

非正坡渠道，重力与阻力不可能平衡，不能形成均匀流。

非棱柱体渠道，则流速会发生变化；不能形成均匀流。

4.明渠糙率系数沿程不变。

糙率系数如沿程发生变化，则摩擦阻力也将变化，重力与阻力失去平衡，则不能形成均匀流。

5.渠道上不应有建筑物对水流的干扰。

如闸、坝、桥墩等建筑物。

因为建筑物上下游水流衔接，必然有一段非均匀流，要经过一段距离才能达到均匀流。

由上述内容可知，明渠水流运动受到各种因素的影响，从理论上讲要产生真正的均匀流是很少的，实际明渠中大量存在的是非均匀流。

学习单元二、明渠均匀流流特性及其产生条件均匀流动是明渠中最简单的流动形式，均匀流的特征及其形成条件在分析明渠非均匀流问题时有重要的作用。

（一）明渠均匀流的基本特征根据明渠均匀流的概念，我们可以总结出以下几个特征：1.水深、断面平均速度和流速分布等都沿程不变，其流线为一组与渠底先平行的直线。

2.总水头线、测压管水头线和渠底线互相平行。

因此，水面坡度 、总水头线坡度 和明渠底坡 相等，即i J J p ==这是很容易理解的。

明渠均匀流水面线就是测压管水头线，由于水深沿程不变，因而水面线与渠底线平行；又由于流速水头沿程不变，所以总水头线与水面线平行。

3.明渠均匀流的力学意义是：水流重力沿流向分量与水流所受的边壁阻力相平衡。

分析如下：明渠均匀流既然是一种等速直线运动，没有加速度，没有惯性力，则作用在水体上的力必然是平衡的。

在图6-4所示的均匀流动中取出断面1-1和断面2-2之间的水体进行分析，沿流向作用力有：重力在流向的分力θsin G 、边壁阻力F 、两端断面上的动水压力P 1和P 2。

沿流动方向写平衡方程，得:sin 21=--+P F G P θ图6-4 明渠均匀流因为是均匀流动，其过水断面压强符合静水压强分布规律，水深又不变，故P1和P2大小相等，方向相反，互相抵消，得:θFG=sin这说明了明渠均匀流时，水流重力沿流向分量与水流所受的边壁阻力是平衡的。

同时该式表明了在平坡棱柱形明渠中，水体重力沿流向分量；负坡棱柱形渠道中，水体重力沿流向分量，其方向同边界阻力相同。

这两种情况下，上式都不可能成立，即不可能形成均匀流。

在非棱柱形渠道中，由于断面形状、尺寸等沿程发生变化，水流速度、水深会沿程改变，显然也不可能形成满足这个条件，也不能形成均匀流。

可见明渠恒定均匀流只可能发生在正坡棱柱形明渠中。

（二）明渠均匀流的产生条件由于明渠均匀流有上述特征，因此它的形成就需要具备一定的条件：1.水流必须为恒定流。

如果水流是非恒定流，沿流程各断面的水深、流速随时间变化，因而任一时刻各断面水深、流速等各不相等，是非均匀流。

对水利明渠均匀流研究的几点分析所谓明渠均匀流，即满足以下条件：水流是恒定的，流量沿程不变；正坡并且底坡沿程不变；棱柱体渠道，且糙率沿程不变；明渠必须充分直长，且渠道中没有水工建筑物的干扰。

明渠中如果水流的运动要素随着时间的变化而变化，那么就将这种水流称之为明渠非恒定流，反之如果明渠中的水流不因为时间的变化而产生变化时，这种水流就被称作明渠恒定流。

在明渠恒定流中加果水流的流线呈现出的状态时一簇平行的直线.而且水深和断面平均流速不因为流程的改变而发生变化，那么就将这种水流称之为明渠恒定均匀流，如果水流的流线并非平行直线，那么就将这种水流称之为明渠恒定非均匀流。

以下将对明渠纵横断面的变化和底坡情况从而得出明渠均匀流的产生条件和相关特性进行阐述，以及对其施工设计的研究分析。

一、明渠的纵横断面变化天然河道的横断面一般是呈现出不规则的图形，而人工明渠的横断面一般是圆形、矩形或者梯形，可以看到它们呈现出明显的规则，一般是对称的几何形状。

在进行排水的过程中排水管一般不会出现满流的情况，这主要是因为非满流可以容纳其他液体或者气体，例如高峰流量超过了正常流量那么在非满流的情况下，依旧可以排出而一些污废水中释放的有毒气体和易燃易爆气体，也可以在这种情况下由排水管排出。

而梯形或者矩形的明渠就被运用在排洪沟和雨水沟之中。

根据不同的地质明渠会采取不同的横断面，如果是在土质地基上，一般会首先考虑梯形横断面的明渠，河以用坡度系数m来表示两边与底的夹角，m代表如果渠道的水深增加了lm，那么相应的梯形的宽就要增加1m。

m的大小应该根据土壤的大小和护面的情况来确定。

而岩石开凿或者两侧用条石砌筑成的渠道一般采用矩形断面，还有混凝土渠和木渠也经常采用矩形的断面。

在实际的施工过程中，由于受到不同地质地形条件的限制，或者为了使渠道能够发挥最大效用，在了解了不同段的水流运动规律后，针对不同的情况选择最合适的横断面尺寸、形状或者坡底。

如果在整个流程中断面形状、尺寸、底坡没有发生任何变化，那么这种渠道成为棱柱体渠道反之则称之为非棱柱体渠道。

第六章 明渠均匀流一、一、概念：明渠是具有自由表面液体的渠道 分类（据形成）： 天然渠道→天然河流人工渠道→人工河流、不满流的排水管渠明渠流——明渠中流动的液体又称重力流（依靠重力作用而产生） 也称无压流（自由表面相对大气压为0） 分类： 恒定流 均匀流 非恒定流 非均匀流注意特殊性：A 随θ的变化而变化，故不可能发生非恒定均匀流动。

2、水流运动的影响因素： 过水断面形状过水断面尺寸底坡的大小 2、 据影响把明渠分为： 1、棱柱形渠道 非棱柱性渠道 2、顺坡、平坡和逆坡渠道 二、1、 1、 棱柱形渠道：凡是断面形状、尺寸沿程不变，过水断面仅随水深变化而变化的常直渠道。

过水断面面积随形状沿程变化的渠道，称非棱柱形渠道。

棱柱断面 断面规则的长直人工渠道，同管径的排水管道、涵洞 非棱柱断面 连接两条在断面形状、尺寸，不同渠道的过渡段。

渠道断面类型：矩形、梯形、圆形、半圆形、此外有组合型、三角型（复式）、抛物线型、卵型2、 2、 顺坡、平坡、逆坡渠道：底坡——渠道底面的坡度，用i 表示，通常是指单位渠长。

l 上的渠道高差，即θsin =∆=lz iz∆——渠底高差l ——对应z ∆的相应渠长θ——渠底与水平线的夹角一般渠道底坡都很小，即θ很小，实际中，为方便测量渠长和水深，故常用θtg 代替θsin ，水平渠长代替水流方向渠长，铅垂水深代替垂直于底坡的水深。

底坡分类：顺坡：0>i ，渠底沿程降低的底坡。

平坡：0=i ，渠底水平，平坡 逆坡：0<i ，渠底沿程升高。

意义：底坡i 反映了重力在流动方向上的分力，表征水流推动力的大小，i 愈大，重力沿水流方向分力愈大，流速愈快。

§6-1 明渠均匀流的形成条件和水力特征一、一、明渠均匀流的形成条件：1、 1、 明渠均匀流——水深、断面平均流速沿程都不变的流动。

⑴ 渠底必须沿程降低，即0>i 并且要在较长一段距离内保持不变。

（是重力流，依靠重力分力驱使水流运动，保证流动流向必须有恒定不变的作用力。