中南大學(xué)《流體力學(xué)》課件第六章明渠恒定流

1、第6章 明渠恒定流,引言,明渠流動是指水流的部分周界與大氣接觸，具有自由表面的流動。由于自由表面上的相對壓強為零，故又稱無壓流動。,介紹明渠均勻流的產(chǎn)生條件、水力特征、基本方程式及其水力計算問題。,本章主要介紹流體流動的基本方程在無壓流中的應(yīng)用。,明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。,明渠水流分類：,明渠恒定流,明渠非恒定流,明渠均勻流,明渠非均勻流,明渠非均勻流,無,§6.1 概述,,人工渠道、天然河道以及未被

2、液流所充滿的管道都是明渠流.,明渠流與有壓流區(qū)別,有壓管流： ① 具有封閉的濕周； ② 壓力是流動的主要動力。明渠流： ① 具有自由水面（即水面壓強為大氣壓）； ② 重力是流動的主要動力； ③ 渠道的坡度影響水流的流速、水深。 坡度增大，則流速增大 ，水深減?。?③ 邊界突然變化

3、時，影響范圍大。,,一、明渠橫斷面,1.天然河道的橫斷面,呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地,枯水期：水流過主槽豐水期：水流過主槽和灘地,斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件,2.人工明渠的橫斷面,據(jù)渠道的斷面形狀分:,梯形、矩形、圓形、拋物線形等,,h,b,,,,,,,,,,巖石中開鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠 — 矩形排水管道或無壓隧道 — 圓形土質(zhì)地基 — 梯形,一、明渠橫斷面,渠道底寬 b渠中水深 h水面寬

4、度 B過水斷面面積 A水力半徑 R斷面寬深比 ?,邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點間的水平距離,,,m的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護面情況而定，可查表,常見渠道斷面形式,二、明渠的分類,按斷面形狀、尺寸是否沿程變化分,三、明渠底坡,底坡i— 渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡,θ— 渠底線與水平線之間的夾角 如果用水平距離代替實際距離， 用垂直水深代替實際水深,,正（順）坡 i > 0

5、 渠底高程沿流程降低,平 坡 i = 0 渠底高程沿程不變,負（逆）坡 i < 0 渠底高程沿流程增加,,,,i > 0,,,,i = 0,,,,,,,,,,i < 0,三、明渠底坡,意義：底坡反映了重力在流動方向上的分力，表征水流推動力 的大小，愈大，重力沿水流方向分力愈大，流速愈快。,§6.2 明渠均勻流,一、明渠水流運動的一般分析,圖為一正坡棱

6、柱形渠道從水庫引水自渠道進口至斷面1之間的水流,重力與阻力不平衡1斷面之后的水流，重力與阻力平衡,明渠均勻流的水深稱為正常水深 h0 ,以與實際水深 h 相區(qū)別,二、明渠均勻流的形成條件1. 明渠均勻流只可能發(fā)生在順坡的棱柱形渠道中,并且底坡i要在較長一段距離內(nèi)保持不變。（是重力流，依靠重力分力驅(qū)使水流運動，保證流動流向必須有恒定不變的作用力。平坡、逆坡中不可能產(chǎn)生均勻流。）2. 必須是長而直的棱柱形渠道。（避免象彎管

7、、閥門、滾水壩、橋孔等局部阻力對水流產(chǎn)生影響，而導(dǎo)致非均勻流）3. 渠道表面的粗糙系數(shù)應(yīng)沿程不變。（因為粗糙系數(shù)決定了阻力的大小，變化，阻力變化，有可能成為非均勻流。）4.渠道中水流應(yīng)是恒定流。即Q=常數(shù)。 （否則，α和ν都會變化。）,三、明渠均勻流的特征1.明渠均勻流為勻速流、等深流，動能沿程不變，而勢能沿程減少，表現(xiàn)為水面沿程下降，其降落值恰好等于水頭損失。2.明渠均勻流是重力沿流向的分力與阻力相平衡時的流動。3.

8、明渠均勻流具有 渠道底坡線//水面線（測壓管水頭線）//總水頭線,思考題：對于有壓管道均勻流，是否一定也有3個坡度相等？,1.連續(xù)性方程 2.謝才公式 式中謝才系數(shù)　　　　　　　　?。M寧公式）　　　 　或　　　　　　　　　 （巴甫洛夫斯基公式）,,四、明渠均勻流基本公式,明渠均勻流基本都處在阻力平方區(qū),糙率 n 值的確定,天然河道中影響糙率 n 值

9、的因素 ① 河床表面粗糙 ② 斷面的不規(guī)則、平彎情況、灘地交叉、河道阻礙情況 ③ 河堤沙坡影響隨水深變化,注 意: 糙率的選擇時應(yīng)謹慎。對不同材料的明渠，有不同的糙率，即使是同一材料的明渠，由于運用管理情況不同，糙率也不同。糙率的選擇是否恰當，對計算成果和工程造價有很大影響。如江蘇的淮沭河在規(guī)劃時選用n=0.02,竣工后實測n=0.0225,結(jié)果比原設(shè)計的河道過水能力減小11%。,反映了河、渠壁面對水流阻

10、力的大小。是明渠計算中的主要因素之一。,定義 當 一定時，使渠道的過流能力 ，或在Q、i、n一定時，A=Amin的渠道斷面，稱為明渠水力最優(yōu)斷面。優(yōu)化目標函數(shù)分析可知，當 一定時，使渠道的過流能力 ，必有 ，故選濕周　 為優(yōu)化目標函數(shù)．,,五、明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速,1 .明渠水力最優(yōu)斷面,明渠的輸水能力大小取決于底坡i,

11、渠壁的粗糙系數(shù)n及過水斷面的大小及形狀。,§6.2 明渠均勻流,說明：明渠水力最優(yōu)斷面渠道的水力半徑等于水深的一半；明渠水力最優(yōu)斷面渠道并不一定是技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)渠道；明渠水力最優(yōu)斷面渠道一般適用于中小型渠道設(shè)計．,梯形斷面的最佳寬深比，,矩形斷面的最佳寬深比，,一般土渠邊坡m > 1，β m < 1，是深窄形斷面，需深挖高填，造成施工不便、維護管理困難；水深變化大，給通航和灌溉帶來不便，經(jīng)濟上反而不利。

12、因此，限制了水力最佳斷面在實際中應(yīng)用.,§6.2 明渠均勻流,五、明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速 2.允許速度,保證渠道正常運行的允許流速上限和下限值,梯形斷面最佳寬深比,根據(jù)已知的Q, i, n, m和 b = 0.61h, 得:,水力最佳斷面,【例】一條路基排水溝，底坡i=0.005; n=0.025, m=1.5; 要求通過流量

13、 ,試按水力最佳斷面 的原理求出此排水溝的底寬和水深。,【解】,1.允許流速,上述兩組數(shù)據(jù)無實際意義。,由：,,,又：,,,,,或,【例】試按允許流速和水力最優(yōu)條件，分別設(shè)計一土質(zhì)為細砂土的梯形斷面渠道的斷面尺寸，并考慮渠道是否需要加固。已知設(shè)計流量：,【解】,2.按水力最優(yōu),驗算,需要加固,,又水力最優(yōu)時：,,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計算類型

14、 1 .驗算渠道的通過能力Q，已知 m b h n i,求Q,有時需要校核已有渠道的過水能力是否滿足新的要求，如灌溉面積擴大需要增加流量或航運發(fā)展要求增加水深以及水電站流量增加等。,1.當h0=0.5m時，,由：,,得：,能通過 Q=1m3/s 的流量,【例】某一梯形斷面渠道，已知條件如下，當正常水深h0=0.5m時，問通過的流量Q能否達到 1.0m3/s.,【解】,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計

15、算類型 2 .求正常水深h0 ， 已知 m b n Q i,由于A、C和R都與h0有關(guān)，則流量Q也與h0有關(guān)，h0變化，Q相應(yīng)變化，所以通常需要試算。同時h0與Q、i、n以及A的形狀尺寸有關(guān)，當其中有一個量改變，h0就有相應(yīng)的變化。如i變大，則h0變?。籲變大，流速變小，則h0變大。,設(shè)計的堤高應(yīng)等于正常水深h0加堤頂超高查規(guī)范找出對應(yīng)流量下的堤頂超高為0.5m.,【例】

16、某灌溉干渠經(jīng)砂質(zhì)粘土地段，渠道斷面為梯形，已知條件如下，根據(jù)地形，底坡采用i=0.0003，干渠過的設(shè)計流量Q= 9.68m3/s，試設(shè)計堤高。,【解】,根據(jù)已知流量，查圖表，可得h0=1.45m渠堤高=h0+超高=1.45+0.5=1.95m,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計算類型 3 .求渠道底寬 b ， 已知 m h0 n Q i,與求正常水深類似，通常需

17、要試算。,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計算類型 4 .求渠道底寬 b 和h0 ， 已知 m β n Q i,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計算類型 5 .求渠道底坡i ， 已知 m h0 b n Q,可以直接用上述公式計算 此類問題可見

18、于對流速有限制的渠道，如城市下水道，為避免堵塞淤積，要求流速不能太?。挥秩缂嬗型ê揭蟮那?，則流速又不能太大，以免航行困難。,例如，邊坡為混凝土護面，底部為漿砌卵石的渠道,明渠斷面周界上糙率不同的明渠均勻流,n1 ,χ1,n2 ,χ2,,,天然河道主槽與河灘糙率不同,,,,主 槽,,,灘 地,引入綜合糙率nr，其他計算同前,當渠道流量變化大時，斷面形狀采用復(fù)式斷面,復(fù)式斷面明渠均勻流的水力計算,例如，水位剛剛漫上淺灘（第

19、二個臺階）時，濕周突然增大，過水面積變化小，計算流量會突然減小，小于實際流量。,糙率沿濕周可能不變，也可能變化，視具體情況而定，由于水深變化引起濕周變化可能是不連續(xù)的，對于復(fù)式斷面渠道，不能用綜合糙率來計算流量。,,實際流量,h,Q,計算流量,把斷面按水深劃為幾部分，分別計算流速、流量,用垂線把斷面劃分成三部分，注意：計算各部分濕周時，不要把兩垂直分界線計入。,水力計算：,,,,§6.3 無壓圓管均勻流,無壓圓管均勻流過

20、水斷面的水力要素,一、充滿度,滿流,非滿流,,,相對流量、相對流速無量綱曲線,當水深達到近滿管值時，面積A的增長率較相應(yīng)的濕周χ增長率小，從而導(dǎo)致流量反而會隨著水深的增大而減小,二、無壓圓管的最佳充滿度,A、水力最佳發(fā)生在非滿流時 （滿流之前）,最大設(shè)計充滿度管徑 d/mm 或暗渠 H/mm 最大設(shè)計充滿度α 150-300 0.6 35

21、0-450 0.7 500-900 0.75 >1000 0.8,,,,,二、無壓圓管的最佳充滿度,B、當圓管明渠流的充滿度接近1時，均勻流不易穩(wěn)定，一旦受外界波動干擾，則易形成有壓流或無壓流的交替流動，且不易恢復(fù)無壓均勻流流態(tài)，而其它敞口的明渠流動在波

22、動干擾后仍可恢復(fù)均勻流。,按最大流量設(shè)計無壓管流，工程上是否合理？,思考,為什么只有在正坡渠道上才能產(chǎn)生明渠均勻流，而平坡和逆坡則沒有？,水流由于粘性在流動過程中產(chǎn)生了阻力，阻力作負功消耗能量，而在正坡渠道中，因高程降低，重力勢能降低可用來克服阻力所損耗的能量。在平坡和逆坡中,重力是不做功或做負功的，無法提供阻力所損耗的能量，所以不可能產(chǎn)生均勻流。,在下列情況的兩段渠道上（均形成均勻流），m1=m2,試比較正常水深h01和h02的大小。

23、1)Q1>Q2,n1=n2,i1=i2,b1=b22)Q、n、i均相同，但b1>b2,h01>h02; h01<h02,有一長渠道中水流作均勻流動，若要使渠中水流流速減小而流量不變（但仍作均勻流），有哪些措施可以達到？,理論上：增大斷面濕周；加大渠道糙率；使底坡變緩,思考,兩條明渠底坡、底寬和糙率均相同，流量亦相同，斷面形狀不同，當兩條渠道的水流均為均勻流時，這兩條明渠的正常水深是否相等？,不

24、等。正常水深與斷面形狀有關(guān),兩段渠道的斷面形狀和尺寸完全相同，通過的流量也相等。在下列情況下，兩條渠道的正常水深是否相等？如不等，哪條渠道水深大？1）n1=n2,i1>i2,2) i1=i2,n1>n2,由謝才公式，當?shù)灼耰不等時，流速不等。h01h02,進行復(fù)式斷面明渠水力計算時,應(yīng)將深槽與灘地分別計算。解：( ? ),兩條明渠的斷面形狀、尺寸、糙率和通過的流量完全相等，但底坡不同，因此它們的正常水深不等。

25、解：( ? ),由于明渠底坡 i 可以大于、小于或等于零，而明渠均勻流的水力坡度 J= i ,所以明渠均勻流的 J也可以大于、小于或等于零。 解：( ? ),設(shè)計明渠時選用的糙率小于實際的糙率，則明渠的設(shè)計流量將小于實際通過的流量。解：( ? ),設(shè)計明渠時選用的糙率 n 大于實際的糙率，則設(shè)計流量 qvd 與實際通過的流量 qvr 的比較是 ( )(

26、1) qvr qvd; 3) qvr = qvd ; (4) 無法確定 解：( 2 ),有兩條梯形斷面渠道 1和 2，已知其流量、邊坡系數(shù)、糙率和底寬均相同，但底坡 i1 > i2 ,則其均勻流水深 h1 和 h2 的關(guān)系為 (1)h1 > h2 (2)h1 b2 ,則其均勻流水深 h1 和 h2 的關(guān)系為 (1)1大于 2 (2)1小于 2

27、 (3)相等 (4)無法確定 解( 2 ),主要掌握明渠非均勻漸變流的基本特性及水力要素沿程的變化規(guī)律。掌握急流、緩流、臨界流的概念及其判別方法。掌握斷面比能曲線。,§6.4 明渠非均勻流,一、 明渠水流的兩種流態(tài),一）、明渠恒定非均勻流——運動要素隨流程而變化。,二）、明渠恒定非均勻流的分類1、明渠恒定非均

28、勻漸變流,2、明渠恒定非均勻急變流,二、 緩流和急流,緩流：,水流徐緩，流速較小，遇到障礙物阻水時，水面壅高并能逆流上傳至較遠地方。,緩流 :水深h較大，流速v較小，多見于平原河網(wǎng)、近海河流。,二、 緩流和急流,急流：,水流湍急，遇到障礙物阻水時，水面僅在附近隆起，對上游來流無影響。,急流 :水深h較小，流速v較大，多見于山區(qū)河流、陡槽。,臨界流 :介于緩流和急流之間，處于臨界狀態(tài)。,二、 緩流和急流,急流：,對河流和渠道有

29、破壞作用，在很多情況下需要用加固來預(yù)防破壞,在水利工程中，應(yīng)盡量使水流處于緩流狀態(tài),緩流：,流速較慢，在多數(shù)情況下不需要加固,三、 流態(tài)判別方法,波速（c）法,弗勞德數(shù)（Fr）法,斷面比能（Es）法,臨界水深（hk）法,臨界坡度（ik）法,1、波速（c）法 水流遇到障礙物后產(chǎn)生波動（擾動），擾動產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。,靜止水 V=0,運動水 V,三、 流態(tài)判別方法,2、弗勞德數(shù)法,—— 緩流,—— 急流,——臨界流,

30、三、 流態(tài)判別方法,三、 流態(tài)判別方法,3 斷面單位能量（cross-sectional unit energy）：定義:是指當基準面0-0取在該斷面渠底最低高程時，單位重量 流體所具有的機械能。,水流的斷面單位能量Es與單位重量流體機械能E的區(qū)別,基準面的區(qū)別: 基準面選擇不同，兩者相差一個渠底位置高度z，即位能；且E沿程是同一個基準面，而Es是以各自斷面最低點所在的水平面為基準面，沿程基準面不同；沿程變化規(guī)律

31、的區(qū)別: E只能沿程減少，而Es由于基準面不固定，明渠水流速度和水深也沿程變化，則Es沿水流方向可以增大、不變或減少。,斷面單位能量Es曲線,判斷：隨著水深的增加，斷面單位能量必然增加。,Es沿水深的變化規(guī)律 (斷面比能曲線),三、 流態(tài)判別方法,當 , 流態(tài)為臨界流,臨界流方程,或,hk 為臨界水深,三、 流態(tài)判別方法,,

32、,緩流,急流,,,,,h,,,,,,Es min,,,hk,Es,,臨界流,,,,5、斷面比能法,4、臨界水深法,（h > hk）,—— 緩流,（h < hk）,—— 急流,（h = hk）,—— 臨界流,6、臨界水深及其計算 A .定義 相應(yīng)于最小斷面比能時的水深，稱為臨界水深。 B.臨界流方程 上式一般需試算求解。但對

33、于矩形斷面 比較：均勻流水深（正常水深） 臨界水深,三、 流態(tài)判別方法,,任意斷面的明渠,試算法、試算圖解法,7、臨界坡度法,A .定義：相應(yīng)于 時的渠道底坡度為臨界坡度。,三、 流態(tài)判別方法,在斷面形狀、尺寸和糙率沿程不變的棱柱體明渠中，當流量一定時，渠中正常水深h0與明渠底坡i的大小有關(guān)。,當h0=hk時，其相應(yīng)底坡稱為臨界底坡ik,

34、—— 只適用于均勻流動的流態(tài)判別,,,根據(jù) ，繪制曲線,,7、臨界坡度法,B.臨界坡度的計算,三、 流態(tài)判別方法,臨界底坡是一個假想底坡，與渠道實際底坡無關(guān)，僅與渠道流量Q、糙率n、斷面形狀尺寸有關(guān).應(yīng)同時滿足臨界流和均勻流方程。,,,由：,—— 只適用于均勻流動的流態(tài)判別,,,陡坡渠道,臨界坡渠道,緩坡渠道,7、臨界坡度法,三、 流態(tài)判別方法,—— 只適用于均勻流動的流態(tài)判別,在上述

35、三種底坡上，水可以作均勻流動，也可以作非均勻流動，如作均勻流動，則：,臨界底坡,臨界水深,波速c,Fr數(shù),比能 E,特征,緩流,急流,臨界流,,,,,,,,,,流態(tài)判定的幾種方法,,,勢能/動能,均勻流或非均勻流,均勻流,正常水深,例題,【例】有一矩形長渠道，已知流量Q＝25m3/s，渠寬b＝5m，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0005。試用三種方法判別該渠道在均勻流時的流態(tài)。,【解】,2 105

36、 81 10.73 205 132 26.554.1 20.55 13.22 27.504.2

37、215 13.42 28.33,,,,例題,【解】,緩流,緩流,緩流,例題,,,緩流,又,下列各題中，哪些情況可能出現(xiàn)？哪些不可能出現(xiàn)？,是否否,是是否,否否是,是是否,否否否,是是否,思考,明渠非均勻流的水力特征是什么？,1.流速、水深沿程變化2.渠道底坡i、水面坡度Jp和水力坡度J不再相等，且沿流程J不再為常數(shù)。,底坡

38、一定的渠道，是否就能肯定它是陡坡或緩坡？為什么？,不能，臨界底坡的大小與流量、斷面尺寸有關(guān)。例如對一給定渠道，當流量發(fā)生變化時，它可以由陡坡變成緩坡，也可以由緩坡變?yōu)槎钙隆?如果正坡棱柱形明渠水流的Es沿程不變，那么水流是否為均勻流？如果Es沿程增加，那么水力坡度和底坡是否相等？,均勻流；不相同,思考,流量、渠道斷面形狀尺寸一定時，隨底坡的增大，正常水深和臨界水深如何變化？,減小、不變,兩條斷面形狀、尺寸都相同的緩坡棱柱形明渠A、B

39、；1）若QA=QB, nA=nB,但 iA>iB,則兩渠道的正常水深是否相等？臨界水深是否相等？若不相等，哪條渠的大？2）若QA=QB, iA=iB,但 nA>nB 時又怎樣？3）若 iA=iB, nA>nB , 但 QA>QB 時又怎樣？,1)A的正常水深較淺，臨界水深相等。因為臨界水深只 與斷面形狀尺寸和流量有關(guān)。2）臨界水深依然相等，A的正常水深較深。3）臨界水深A(yù)的較深，A的正常水深較

40、深。,緩變流一定是緩流，急變流一定是急流。解：( ? ),兩條明渠的斷面形狀、尺寸、糙率和通過的流量完全相等，但底坡不同，因此它們的正常水深不等。

41、 解：( ? ),臨界流一定是均勻流。解：( ? ),緩流和急流既可以是均勻流，也可以是非均勻流。 解：( ? ),臨界底坡明渠中的水流一定是臨界流。 解：( ? ),有壓管流和明

42、渠水流都可以分為緩流和急流。 解：( ? ),陡坡上出現(xiàn)均勻流必為急流，緩坡上出現(xiàn)均勻流必為緩流。 解：( ? ),急流和緩流既可以是緩變流也可以是急變流。 解：( ? )在緩坡明渠中，不論有無閘壩控制，都能發(fā)生急流。解：( ? ) 在 i <

43、; i k 的棱柱形明渠中發(fā)生非均勻流時，不可能是急流。 解：( ? ),明渠水流中，底坡 i = ic (臨界底坡 ),則水深 h = hc ( 臨界水深 )。這個判別式只適用于明渠均勻流。解：( ? ),緩流時斷面單位能量隨水深的增大而增加，急流時斷面單位能量隨水深的增大而減小。( )解：( ? ),棱柱形明渠水流的流量、斷面形狀、尺寸一定時，斷面單位能量 Es

44、同水深 h 的關(guān)系是 ( ) (1) Es 隨 h 的增大而增大 (2)Es 隨 h 的增大而減小 (3)緩流中 Es 隨 h 的增大而減小，急流中 Es 隨 h 的增大而增大 (4)緩流中 Es 隨 h 的增大而增大，急流中 Es 隨 h 的增大而減小 解：( 4 ),§6.3 明渠水躍,一

45、、水躍：,急流到緩流時水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。從泄水建筑物下泄的水流到達河底時，流速較大，水深較小屬于急流，而下游河道中的水流一般屬于緩流，下泄水流從急流過渡到緩流，必然發(fā)生水躍。,常發(fā)生于閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。,,急流,,緩流,§6.3 明渠水躍,二、水躍特征：,水深在很短的流程內(nèi)由小于臨界水深增加到大于臨界水深，水面不連續(xù)并有反向翻滾，致使水面劇烈波動,水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區(qū)，其中摻有大量氣泡,表

46、面旋滾區(qū)與下部主流區(qū)附近大量質(zhì)點、動量交換，紊動摻混極為強烈,界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層.能量損失非常大。,根據(jù)Fr數(shù)對水躍分類,Fr=1-1.7 Undular jump,Fr=1.7-2.5 Weak jump,Fr=2.5-4.5 Oscillating jump,Fr=4.5-9.0 Steady jump,Fr>9.0 Strong jump,三、水躍形式：,水躍形式

47、Fr1 消能率,波狀水躍 1.0~1.7 0~4.6% 弱水躍 1.7~2.5 4.6~17.5% 擺動水躍 2.5~4.5 17.5~44.5% 穩(wěn)定水躍 4.5~9.0 44.5~70% 強水躍 >9.0

48、 >70%,§6.3 明渠水躍,四、水躍的應(yīng)用,常用水躍消能.保護河床免受急流沖刷、淘刷,§6.3 明渠水躍,五、水躍計算（只研究完整水躍） 假定：①.水躍段長度不大；忽略邊壁對水流的摩擦阻力； ②.躍前、躍后斷面為漸變流斷面； ③.躍前、躍后斷面的動

49、量修正系數(shù)相等，即,§6.3 明渠水躍,1.棱柱體明渠完整水躍的基本方程（動量方程）　設(shè)水躍函數(shù)　則水躍方程可寫成　　　式中　　　　　　 為水躍共軛水深．,上述水躍方程只能在棱柱體明渠底坡不大時使用。,§6.3 明渠水躍,2. 水躍函數(shù)曲線,特性、1.水躍函數(shù)有一極小值，與極小值對應(yīng)的水深為臨界水深 hk; 2.當 h>hk 時，J(h) 隨著躍后水深減小而減??；

50、 3.當 h<hk 時， J(h) 隨著躍前水深減小而增大。,§6.3 明渠水躍,3. 共軛水深的計算,矩形斷面,把矩形斷面的幾何參數(shù)代進去,梯形斷面常采用試算法,§6.3 明渠水躍,4. 水躍能量損失,對躍前躍后斷面寫能量方程,把不同斷面形狀的幾何參數(shù)代進去，即可得出計算公式,對矩形,水躍的消能率,5. 水躍長度計算 完全采用經(jīng)驗公式,遠驅(qū)水躍,臨界水躍,淹沒水躍,§6.4 明

51、渠水跌,一、水跌：,緩流到急流時水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。,常發(fā)生于下游渠底坡度變陡、或下游渠道斷面形狀突然改變時。,,跌坎,明渠對水流的阻力在跌坎處消失，水流以重力為主，自由跌落。,hk,,,b,K,,跌坎,,§6.4 明渠水跌,緩流狀態(tài)下，水深減小時，斷面比能減小，當?shù)采纤娼德鋾r，斷面比能曲線從 b 向 K 減小。在重力作用下，坎上水面最低點只能降至 K 點，如繼續(xù)降低，則為急流狀態(tài)，斷面比能反而增大，所以跌坎上的

52、水深只能是臨界水深。,hk,,b,K,,跌坎,,§6.4 明渠水跌,緩流狀態(tài)下，如底坡突然變陡，致使下游底坡上的水流為急流，那么臨界水深將發(fā)生，而且只能發(fā)生在底坡突變的斷面處。,hk,,b,K,Hydraulic drop,世界上開鑿最早線路最長的人工運河—京杭大運河,世界上開鑿最早、線路最長的人工運河是中國的京杭大運河。 京杭大運河簡稱運河，與萬里長城并列為中國古代最偉大的工程。舉世聞名的京杭大運河，始建于公元

53、前5世紀，后經(jīng)隋、元兩次大規(guī)模擴建，是世界上開鑿最早、最長的一條人工河道。京杭大運河全長1794千米，是蘇伊士運河的16倍，巴拿馬運河的33倍，縱貫?zāi)媳保俏覈匾囊粭l南北水上干線。它北起北京，南至杭州，經(jīng)過北京、天津、河北、山東、江蘇、浙江六省市，溝通了海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系。是我國僅次于長江的第二條“黃金水道”。運河沿線的主要港口有濟寧、徐州、邳州、淮陰、淮安、寶應(yīng)、高郵、揚州、鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、吳江和杭州等

54、。目前，大運河全程雖不能通航，但季節(jié)性通航里程已達1100公里，對分擔(dān)鐵路的貨流，特別是承擔(dān)煤炭、建材、鹽、日用工業(yè)品、糧、油和其他農(nóng)副產(chǎn)品的中短途運輸任務(wù)，對發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟，加強南北交流，起到了一定的作用。今天，大運河將作為南水北調(diào)的主要路徑，古老的大運河必將重新煥發(fā)出青春的活力。我們有理由相信，千年古運河定會在中國21世紀的經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用。,靈 渠,中國溝通長江水系和珠江水系的古運河。又名陡河、興安運河。在今廣西

55、壯族自治區(qū)溢安縣境內(nèi)，秦統(tǒng)一六國后，向嶺南用兵，秦始皇二十八年（公元前219），派監(jiān)郡御史祿鑿靈渠運糧。它溝通了湘江和漓江，由于歷代不斷增修改進，技術(shù)逐步完善，作用日益增大，是2000余年來嶺南（今廣東廣西）與中原地區(qū)的主要交通線路，直至粵漢鐵路和湘桂鐵路通車。靈渠渠首處用攔河壩壅高湘江水位，將其一股（今稱南渠）通過穿越分水嶺的人工渠道引 入漓江上源支流，并對天然河道進行擴挖和整治后，入漓江；將另一股（今稱 北渠）另開新渠屈曲于湘江右再

56、入湘江。用攔河大小天平（用條石砌的溢流壩)、鏵嘴（導(dǎo)水分水堤）、湘江故道和泄水天平，綜合地實現(xiàn)了分水、引水和泄洪等項功能。渠道由人工渠、開挖溪流的半人工渠道和整治后的天然河流組成，南渠長33km，北渠長3.5km以彎道減緩坡度；以陡門和堰壩節(jié)制用水，增加通航水深；以側(cè)向溢流堰分泄洪水，保障安全。唐代已建有陡門18座，宋代發(fā)展到36座，元明清三代多次維修完善，保證了靈渠航運長期不衰，對廣東廣西地區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化有重大影響。1936年和