明渠水流水力计算(二)

水利作业导流明渠设计一、明渠及水流的概念明渠在自然界和实际水利工程中极为常见，明渠中的水流是具有自由水面、在重力作用下流动的水流。

因此明渠水流的水力要素和边界条件也将随时间和空间而改变，明渠的横断面形状、类型很多，受地形、地质、地貌、工程材料及管理等因素的影响，边界条件十分复杂。

根据水流运动要素是否随时间改变，将水流分为恒定流与非恒定流。

在恒定流中，又根据水流的运动要素是否沿程变化，将水流分为均匀流与非均匀流。

明渠均匀流是指水力要素随时问和空间不发生变化的水流，是明渠水流中最根本、最简单的水流形态，是明渠水力计算的根底。

根据明渠均匀流的根本特征，要形成均匀流就必须具备一定的条件：一是明渠水流必须是恒定流，且流量沿程不变，无支流的流入和流出；二是明渠为长直棱柱体正坡渠道；三是明渠的底坡、糙率沿程不变；四是明渠中不得有障碍物阻挡水流。

严格地讲，完全符合以上条件的明渠很少，因此均匀流在实际水流中极少发生，一般将大致符合这些条件的明渠水流近似地看作均匀流。

在明渠中，尽可能使渠轴线顺直、断面尺寸和底坡沿程不变，根本满足均匀流的条件，天然河道的水流多为非均匀流。

然而，为简化分析计算，通常将较为顺直整齐、糙率根本一致、河床稳定的单式断面河段中的水流视为均匀流。

二、工程条件某水库设计坝址处第1年11月至次年5月，5年一遇洪峰流量为32m3／s。

设计坝址处左岸山体自然坡度为60。

左右，右岸山体自然坡度为45。

左右。

河床偏于左岸，左岸河床为砂砾石，右岸为黏土堆积岸。

结合工程两岸实际地形、施工能力及在满足平安经济的原那么下，欲将本工程分为两次导流进行施工，第一期先施工左岸局部，并对右岸河床进行整治，在一期施工时洪水由右岸开挖成形的导流明渠泄向下游，从而保证左岸的混凝土施工不受上游来水的干扰，能够顺利进行。

三、导流明渠设计(一)设计参数在明渠水力计算中，常用的水力要素有：水深h、底宽b、边坡系数m，水面宽度B、过水断面面积A、湿周x(液流过水断面与固体边界接触的周界叫做湿周)、水力半径R等。

明渠流- 正文具有显露于大气中的自由水面的水流，如天然河道、人工渠道中的水流。

明渠的流量、断面形式、坡度、糙率等的变化，都会引起自由水面的变化，相应地也使水深和流速变化。

自由水面的计算是工程中需解决的一个重要问题，如引水或排水渠道的合理断面尺寸和流速大小的决定，拦河筑坝以后水库淹没范围的估算，都归结为明渠流水面曲线的绘制。

明渠的渠身形状和大小保持不变的长直渠道称为棱柱形渠道；断面形状和大小沿程变化的渠道称为非棱柱形渠道。

明渠恒定均匀流在顺直棱柱形长渠道中可形成渠中水深、流速沿程不变的均匀流。

均匀流水力计算式：式中Q为流量；v为流速；A为过水断面面积；R为水力半径（过水断面面积与断面固体周长,即湿周之比）；C为谢才系数，通常采用C＝R 1/6/n；n为糙率，表示渠壁的“粗糙”情况；i为底坡,即渠道底线与水平线夹角的正弦。

在工程设计中,有时要求在给定断面面积A的条件下，使渠道通过最大的流量。

从上式看出,当n、A、i一定时，要使流量Q极大，必须水力半径R极大，即湿周极小。

使渠道水力半径为极大的断面，称为水力最佳断面。

通常渠道的断面为梯形。

梯形水力最佳断面满足如下条件：式中m为梯形断面边坡比;h为水深；b为梯形断面的底边。

矩形水力最佳断面的水力半径R＝h/2。

无压管道（如下水道）具有某些水力特点。

如直径为b的圆形断面管道,并非刚刚充满管道时的流量或流速为最大，而是水深h＝0.95b时的流量最大；h＝0.81b时的流速最大。

这是因为过水断面面积A及水力半径R与水深h的关系并非单调变化所引起。

明渠恒定非均匀流在渠道底坡、断面或糙率等沿程变化的渠道中，必然形成水深、流速沿程变化的非均匀流。

棱柱形渠道非均匀渐变流水深h沿流程s的变化，可由伯努利方程和连续性方程得到如下的规律：式中B为断面上水深为h时的水面宽度。

用Fr2表示分母中的Q2B/ɡA3＝v2/ɡh，称为弗劳德数。

当Fr＜1时,渠道某处水流(如水深)的变化可影响该处上下游，这种水流称为缓流；当Fr＞1时,某处水流的变化只波及下游而不影响上游，这种水流称为急流。

第六章明渠恒定均匀流人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠。

明渠流(OpenChannel Flow) 是一种具有自由表面的流动，自由表面上各点受当地大气压的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。

与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。

明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流和非恒定流动。

明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。

明渠流动与有压管流的一个很大区别是：明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身条件而变动，形成各种流动状态和水面形态，在实际问题中，很难形成明渠均匀流。

但是，在实际应用中，如在铁路、公路、给排水和水利工程的沟渠中，其排水或输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。

此外，明渠均匀流理论对于进一步研究明渠非均匀流也具有重要意义。

§6-1 概述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，即A=f(h, s) , s为过水断面距其起始断面的距离。

(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(Bottom slope)，用i表示，如图6-1a，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为A s,该两断面间渠底高程差为(a i-a2)= △ a,渠底线与水平线的夹角为B ,则底坡i 为。

(6-1-1)在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正，因此，以导数形式表示 时应为i=si n所以，在上述情况下，两断面间的距离△ s 可用水平距离△ l 代替，并且，过 水断面可以看作铅垂平面，水深 h 也可沿铅垂线方向量取。