明渠排水-水面坡度同渠底

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。

第一章明渠水力计算明渠水力计算分为明渠均匀流计算及明渠非均匀流计算，这不仅是渠道工程设计的主要计算项目，也是灌区水工建筑物设计中最基本的水力计算项目。

在渡槽、涵洞、陡坡等建筑物的设计中，常需推算水面线，水面线的推算属于明渠非均匀流计算。

消能计算中的下游尾水深计算及渡槽槽身的水力计算都是明渠均匀流计算；水面线计算中的正常水深也是按明渠均匀流计算。

因此本书将首先在此简要介绍明渠水力计算。

第一节单式断面明渠均匀流水力计算一、计算公式明渠均匀流的基本计算公式如式(1—1)一式(1—3)；二、计算类型根据设计条件及要求，单式断面明渠均匀流一般可分为以下(种计算情况：(1)已知设计流量、渠底比降及渠底宽，计算水深。

(2)已知设计流量，渠底比降及水深，计算渠底宽。

(3)已知设计流量及过水断面面积、计算渠底比降。

(4)已知过水断面面积及渠底比降，计算过水流量。

上述第(3)、(4)两种情况可由式(1—1)直接求得计算结果，但不是设计中的主要计算情况．第(1)、(2)两种情况，因式(1—1)中的w、R、C 等值均包含有渠底宽及第1页水深两个未知数，因此不可能由式(1—1)简单求解，而需要经过反复试算才能得到计算结果，这两种是设计中常见的情况，为了减少计算工作量，过去多是借助有关的计算图表进行计算，现在则可采用电算。

三、算例现以算例介绍单式断面明渠均匀流不同计算情况的计算方法和步骤。

[例1—1，已知某梯形断面渠槽的渠底宽为b＝1．5m，水深为h--3．2m，边坡系数[例1—2] 已知某梯形断面渠槽的设计流量为Q＝20．07m^3／s，渠底宽为b--1．Sm，边坡系数为m--2．5，渠底比降i=1／7000，糙率为n=0．025。

试计算渠道水深。

解：本倒不可能由式(1—1)一次算出水深，需通过假定不同的水深反复试算才能求得所需值。

计算步骤是首先假定一个水深值，计算相应的w、R、C等值，然后按式(1—1)计算过水流量，如流量计算值小于设计流量，表明假定的水深偏小，再加大水深值重新计算；反之，则表明假定的水深偏大，再减小水深值重新计算，如此反复多次，直至按假定的水深计算的过水流量渐进等于设计流量时，该水深即为所求水深。

第五章-明渠恒定均匀流---水力学课程主页第五章 明渠恒定均匀流第一节 概 述一．明渠水流1、明渠定义：人工渠道、天然河道、未充满水流的管道统称为明渠。

2、明渠水流是指在明渠中流动，具有显露在大气中的自由表面，水面上各点的压强都等于大气压强。

故明渠水流又称为无压流。

明渠水流的运动是在重力作用下形成的。

在流动过程中，自由水面不受固体边界的约束（这一点与管流不同），因此，在明渠中如有干扰出现，例如底坡的改变、断面尺寸的改变、粗糙系数的变化等，都会引起自由水面的位置随之升降，即水面随时空变化，这就导致了运动要素发生变化，使得明渠水流呈现出比较多的变化。

在一定流量下，由于上下游控制条件的不同，同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。

正因为明渠水流的上边界不固定，故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。

明渠水流可以是恒定流或非恒定流，也可以是均匀流或非均匀流，非均匀流也有急变流和渐变流之分。

本章首先学习恒定均匀流。

明渠恒定均匀流是一种典型的水流，其有关的理论知识是分析和研究明渠水流各种现象的基础，也是渠道断面设计的重要依据。

对明渠水流而言，当然也有层流和紊流之分，但绝大多数水流（渗流除外）为紊流，并且接近或属于紊流阻力平方区。

因此，本章及以后各章的讨论将只限于此种情况。

二、渠槽的断面形式（一）按横断面的形状分类渠道的横断面形状有很多种。

人工修建的明渠，为便于施工和管理，一般为规则断面，常见的有梯形断面、矩形断面、U 型断面等，具体的断面形式还与当地地形及筑渠材料有关。

天然河道 一般为无规则，不对称，分为主槽与滩地。

在今后的分析计算中，常用的是渠道的过水断面的几何要素，主要包括：过水断面面积A 、湿周χ、水力半径R 、水面宽度B 。

对梯形断面而言，其过水断面几何要素计算公式如下：2)()h m h mh b A +=+=β（h m m h b )12(1222++=++=βχχA R = h m mh b B )2(2+=+=β式中，b 为底宽；m 为边坡系数；h 为水深；β为宽深比，定义为h b =β（二）按横断面形状尺寸沿流程是否变化分类棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。

【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】A、B、C、D、【答案】B【解析】2【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】下列水泵型号中，不属于叶片式水泵的是( )。

A、ISL65-50-160B、300S32AC、200QW360-6-11D、【答案】D【解析】D为支座式安装的螺旋泵，按作用原理不属于叶片式水泵。

答案A的单级单吸、答案B的单级双吸及答案C的潜污泵均属于叶片式水泵。

3【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】下列不是影响酶促反应速度的因素是( )。

A、pHB、温度C、基质浓度D、溶解度【答案】D【解析】其他三项均为影响酶促反应的因素，除此还包括抑制剂和激活剂的影响。

4【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】DNA与RNA的不同之处在于DNA具有( )。

A、核糖和胸腺嘧啶B、核糖和尿嘧啶C、脱氧核糖和胸腺嘧啶D、脱氧核糖和尿嘧啶【答案】C【解析】DNA和RNA两者区别是DNA具有脱氧核糖和胸腺嘧啶，而RNA具有核糖和尿嘧啶。

5【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】测量误差按性质分为系统误差及( )。

A、观测误差B、偶然误差C、仪器误差D、随机误差【答案】B【解析】测量误差按其对测量结果影响的性质；可分为系统误差和偶然误差。

6【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】圆管流的下临界雷诺数( )。

A、随管径变化B、随流体的密度变化C、随流体的黏度变化D、不随以上各量变化【答案】D【解析】圆管流的下临界雷诺数为相对固定的数值，不随管径等因素变化。

7【题型】单项选择题【类目】给水排水（专业基础）【题干】测得两角度观测值及其中误差分别为∠A=100°1440″±5″和∠B=84°55′20″±5″。

由此可知( )。

A、两个角度的测量精度相同B、B角的测量精度高C、A角的相对精度高D、A角的测量精度高【答案】A【解析】因为测角精度只与中误差有关，与角值大小无关，故中误差相等，则精度相同。

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。

第八章明渠流在环境工程、给水排水工程、水利工程、交通运输等工程中，有许多明渠流的问题。

明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，当通过渠槽的水流，形成与大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为大气压强，称为明渠流或无压流。

输水渠道、无压隧道、渡槽、涵洞以及天然河道中的流动均属于明渠流。

当明渠中水流的运动要素不随时间改变时，称为明渠恒定流，否则称为明渠非恒定流。

明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，则水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，称为明渠恒定均匀流；如果流线不是平行直线，则称为明渠恒定非均匀流。

本章仅对明渠恒定流的基本知识和水力计算进行阐述。

§8.1 明渠的几何特性及分类由于明渠的断面形状、尺寸、底坡等几何要素对水流形态有重要影响，下面将阐述明渠的几何要素和类型。

8.1.1明渠的横断面与过流断面垂直于渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线，构成明渠的横断面。

人工渠道的横断面一般为规则的几何形状，常见的有梯形、矩形、三角形、圆形等，如图8-1a、b、c、d。

天然河道的横断面多为不规则形状，而且一条河道各处横断面的形状和尺寸往往差别很大，如图8-1e。

有时流量小水位低，水流集中于主槽中；当流量增大，水位上涨，漫至边滩，横断面就由主槽和边滩两部分组成。

(a) (b) (c)(d) (e)图8-1 明渠的横断面当明渠修在土质地基上时，往往作成梯形断面，其两侧的倾斜程度用边坡系数m表示，m=cotα。

m的大小应根据土的种类或护面情况而定，见表8-1。

矩形断面常用于岩石中开凿或两侧用条石砌筑而成，混凝土渠或木渠也常作成矩形。

圆形断面常用于无压隧洞。

表8-1 梯形渠道的边坡系数这里讲的明渠横断面是指渠道的轮廓，与过流断面不同。

后者是指与流向垂直的断面，除了包括渠道轮廓外，还包括水面轮廓。

一般来说，过流断面与渠底垂直，因而与铅直面之间有一夹角θ，如图8-2。

现以工程中应用最广的梯形断面为例，说明计 算中常用到的过流断面的水力要素。