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(dòng)是指水流的部分周界與大氣接觸，具有自由表面的流動(dòng)。由于自由表面上的相對(duì)壓強(qiáng)為零，故又稱無(wú)壓流動(dòng)。,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(jì)算問(wèn)題。,本章主要介紹流體流動(dòng)的基本方程在無(wú)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(wú),§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(dòng)的主要?jiǎng)恿?。明渠流?① 具有自由水面（即水面壓強(qiáng)為大氣壓）； ② 重力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ?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(shí)，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(guò)主槽豐水期：水流過(guò)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(kāi)鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠 — 矩形排水管道或無(wú)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e 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(diǎn)間的水平距離,,,m的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護(hù)面情況而定，可查表,常見(jiàn)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(shí)際距離， 用垂直水深代替實(shí)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(fù)（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(dòng)方向上的分力，表征水流推動(dòng)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(yùn)動(dòng)的一般分析,圖為一正坡棱

6、柱形渠道從水庫(kù)引水自渠道進(jìn)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(shí)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，保證流動(dòng)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(zhǎng)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(duì)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?yàn)榇植谙禂?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(huì)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(dòng)能沿程不變，而勢(shì)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(shí)的流動(dòng)。3.

8、明渠均勻流具有 渠道底坡線//水面線（測(cè)壓管水頭線）//總水頭線,思考題：對(duì)于有壓管道均勻流，是否一定也有3個(gè)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(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。對(duì)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(yùn)用管理情況不同，糙率也不同。糙率的選擇是否恰當(dāng)，對(duì)計(jì)算成果和工程造價(jià)有很大影響。如江蘇的淮沭河在規(guī)劃時(shí)選用n=0.02,竣工后實(shí)測(cè)n=0.0225,結(jié)果比原設(shè)計(jì)的河道過(guò)水能力減小11%。,反映了河、渠壁面對(duì)水流阻

10、力的大小。是明渠計(jì)算中的主要因素之一。,定義 當(dāng) 一定時(shí)，使渠道的過(guò)流能力 ，或在Q、i、n一定時(shí)，A=Amin的渠道斷面，稱為明渠水力最優(yōu)斷面。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)分析可知，當(dāng) 一定時(shí)，使渠道的過(guò)流能力 ，必有 ，故選濕周　 為優(yōu)化目標(biāo)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(guò)水?dāng)嗝娴拇笮〖靶螤睢?§6.2 明渠均勻流,說(shuō)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(jì)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(jì)．,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(hù)管理困難；水深變化大，給通航和灌溉帶來(lái)不便，經(jīng)濟(jì)上反而不利。

12、因此，限制了水力最佳斷面在實(shí)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(yùn)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(guò)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(wú)實(shí)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(jì)一土質(zhì)為細(xì)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(jì)流量：,【解】,2.按水力最優(yōu),驗(yàn)算,需要加固,,又水力最優(yōu)時(shí)：,,§6.2 明渠均勻流,五、明渠均勻流水力計(jì)算類型

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

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(shí)h0與Q、i、n以及A的形狀尺寸有關(guān)，當(dāng)其中有一個(gè)量改變，h0就有相應(yīng)的變化。如i變大，則h0變小；n變大，流速變小，則h0變大。,設(shè)計(jì)的堤高應(yīng)等于正常水深h0加堤頂超高查規(guī)范找出對(duì)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(guò)的設(shè)計(jì)流量Q= 9.68m3/s，試設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算 此類問(wèn)題可見(jiàn)

18、于對(duì)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??；又如兼有通航要求的渠道，則流速又不能太大，以免航行困難。,例如，邊坡為混凝土護(hù)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(jì)算同前,當(dāng)渠道流量變化大時(shí)，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(jì)算,例如，水位剛剛漫上淺灘（第

19、二個(gè)臺(tái)階）時(shí)，濕周突然增大，過(guò)水面積變化小，計(jì)算流量會(huì)突然減小，小于實(shí)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(duì)于復(fù)式斷面渠道，不能用綜合糙率來(lái)計(jì)算流量。,,實(shí)際流量,h,Q,計(jì)算流量,把斷面按水深劃為幾部分，分別計(jì)算流速、流量,用垂線把斷面劃分成三部分，注意：計(jì)算各部分濕周時(shí)，不要把兩垂直分界線計(jì)入。,水力計(jì)算：,,,,§6.3 無(wú)壓圓管均勻流,無(wú)壓圓管均勻流過(guò)

20、水?dāng)嗝娴乃σ?一、充滿度,滿流,非滿流,,,相對(duì)流量、相對(duì)流速無(wú)量綱曲線,當(dāng)水深達(dá)到近滿管值時(shí)，面積A的增長(zhǎng)率較相應(yīng)的濕周χ增長(zhǎng)率小，從而導(dǎo)致流量反而會(huì)隨著水深的增大而減小,二、無(wú)壓圓管的最佳充滿度,A、水力最佳發(fā)生在非滿流時(shí) （滿流之前）,最大設(shè)計(jì)充滿度管徑 d/mm 或暗渠 H/mm 最大設(shè)計(jì)充滿度α 150-300 0.6 35

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

22、動(dòng)干擾后仍可恢復(fù)均勻流。,按最大流量設(shè)計(jì)無(wú)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(méi)有？,水流由于粘性在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了阻力，阻力作負(fù)功消耗能量，而在正坡渠道中，因高程降低，重力勢(shì)能降低可用來(lái)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(fù)功的，無(wú)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(zhǎng)渠道中水流作均勻流動(dòng)，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(dá)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(dāng)兩條渠道的水流均為均勻流時(shí)，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(guò)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(dāng)?shù)灼耰不等時(shí)，流速不等。h01h02,進(jìn)行復(fù)式斷面明渠水力計(jì)算時(shí),應(yīng)將深槽與灘地分別計(jì)算。解：( ? ),兩條明渠的斷面形狀、尺寸、糙率和通過(guò)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(jì)明渠時(shí)選用的糙率小于實(shí)際的糙率，則明渠的設(shè)計(jì)流量將小于實(shí)際通過(guò)的流量。解：( ? ),設(shè)計(jì)明渠時(shí)選用的糙率 n 大于實(shí)際的糙率，則設(shè)計(jì)流量 qvd 與實(shí)際通過(guò)的流量 qvr 的比較是 ( )(

26、1) qvr qvd; 3) qvr = qvd ; (4) 無(wú)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(wú)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(yùn)動(dòng)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(shí)，水面壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。,緩流 :水深h較大，流速v較小，多見(jiàn)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(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來(lái)流無(wú)影響。,急流 :水深h較小，流速v較大，多見(jiàn)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(duì)河流和渠道有

29、破壞作用，在很多情況下需要用加固來(lái)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(dòng)（擾動(dòng)），擾動(dòng)產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。,靜止水 V=0,運(yùn)動(dòng)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(dāng)基準(zhǔn)面0-0取在該斷面渠底最低高程時(shí)，單位重量 流體所具有的機(jī)械能。,水流的斷面單位能量Es與單位重量流體機(jī)械能E的區(qū)別,基準(zhǔn)面的區(qū)別: 基準(zhǔn)面選擇不同，兩者相差一個(gè)渠底位置高度z，即位能；且E沿程是同一個(gè)基準(zhǔn)面，而Es是以各自斷面最低點(diǎn)所在的水平面為基準(zhǔn)面，沿程基準(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng) , 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(jì)算 A .定義 相應(yīng)于最小斷面比能時(shí)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(duì)

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(shí)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(dāng)流量一定時(shí)，渠中正常水深h0與明渠底坡i的大小有關(guān)。,當(dāng)h0=hk時(shí)，其相應(yīng)底坡稱為臨界底坡ik,

34、—— 只適用于均勻流動(dòng)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(jì)算,三、 流態(tài)判別方法,臨界底坡是一個(gè)假想底坡，與渠道實(shí)際底坡無(wú)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(shí)滿足臨界流和均勻流方程。,,,由：,—— 只適用于均勻流動(dòng)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(dòng)的流態(tài)判別,在上述

35、三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，也可以作非均勻流動(dòng)，如作均勻流動(dòng)，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(shì)能/動(dòng)能,均勻流或非均勻流,均勻流,正常水深,例題,【例】有一矩形長(zhǎng)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(shí)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(duì)一給定渠道，當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，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(shí)，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(shí)又怎樣？3）若 iA=iB, nA>nB , 但 QA>QB 時(shí)又怎樣？,1)A的正常水深較淺，臨界水深相等。因?yàn)榕R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(guò)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(wú)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(shí)，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(gè)判別式只適用于明渠均勻流。解：( ? ),緩流時(shí)斷面單位能量隨水深的增大而增加，急流時(shí)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(shí)，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(shí)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(dá)河底時(shí)，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(guò)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(dòng),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(diǎn)、動(dòng)量交換，紊動(dòng)摻混極為強(qiáng)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(duì)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(dòng)水躍 2.5~4.5 17.5~44.5% 穩(wěn)定水躍 4.5~9.0 44.5~70% 強(qiáng)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(hù)河床免受急流沖刷、淘刷,§6.3 明渠水躍,五、水躍計(jì)算（只研究完整水躍） 假定：①.水躍段長(zhǎng)度不大；忽略邊壁對(duì)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(dòng)

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(dòng)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(shí)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(duì)應(yīng)的水深為臨界水深 hk; 2.當(dāng) h>hk 時(shí)，J(h) 隨著躍后水深減小而減?。?/p>

50、 3.當(dāng) h<hk 時(shí)， 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(jì)算,矩形斷面,把矩形斷面的幾何參數(shù)代進(jìn)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(duì)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(jìn)去，即可得出計(jì)算公式,對(duì)矩形,水躍的消能率,5. 水躍長(zhǎng)度計(jì)算 完全采用經(jīng)驗(yàn)公式,遠(yuǎn)驅(qū)水躍,臨界水躍,淹沒(méi)水躍,§6.4 明

51、渠水跌,一、水跌：,緩流到急流時(shí)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(shí)。,,跌坎,明渠對(duì)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(shí)，斷面比能減小，當(dāng)?shù)采纤娼德鋾r(shí)，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(diǎn)只能降至 K 點(diǎn)，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(kāi)鑿最早線路最長(zhǎng)的人工運(yùn)河—京杭大運(yùn)河,世界上開(kāi)鑿最早、線路最長(zhǎng)的人工運(yùn)河是中國(guó)的京杭大運(yùn)河。 京杭大運(yùn)河簡(jiǎn)稱運(yùn)河，與萬(wàn)里長(zhǎng)城并列為中國(guó)古代最偉大的工程。舉世聞名的京杭大運(yùn)河，始建于公元

53、前5世紀(jì)，后經(jīng)隋、元兩次大規(guī)模擴(kuò)建，是世界上開(kāi)鑿最早、最長(zhǎng)的一條人工河道。京杭大運(yùn)河全長(zhǎng)1794千米，是蘇伊士運(yùn)河的16倍，巴拿馬運(yùn)河的33倍，縱貫?zāi)媳?，是我?guó)重要的一條南北水上干線。它北起北京，南至杭州，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)江、錢塘江五大水系。是我國(guó)僅次于長(zhǎng)江的第二條“黃金水道”。運(yùn)河沿線的主要港口有濟(jì)寧、徐州、邳州、淮陰、淮安、寶應(yīng)、高郵、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州、吳江和杭州等

54、。目前，大運(yùn)河全程雖不能通航，但季節(jié)性通航里程已達(dá)1100公里，對(duì)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(yùn)輸任務(wù)，對(duì)發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)，加強(qiáng)南北交流，起到了一定的作用。今天，大運(yùn)河將作為南水北調(diào)的主要路徑，古老的大運(yùn)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(yùn)河定會(huì)在中國(guó)21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著不可替代的作用。,靈 渠,中國(guó)溝通長(zhǎng)江水系和珠江水系的古運(yùn)河。又名陡河、興安運(yùn)河。在今廣西

55、壯族自治區(qū)溢安縣境內(nèi)，秦統(tǒng)一六國(guó)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(yùn)糧。它溝通了湘江和漓江，由于歷代不斷增修改進(jìn)，技術(shù)逐步完善，作用日益增大，是2000余年來(lái)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(guò)穿越分水嶺的人工渠道引 入漓江上源支流，并對(duì)天然河道進(jìn)行擴(kuò)挖和整治后，入漓江；將另一股（今稱 北渠）另開(kāi)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(shí)現(xiàn)了分水、引水和泄洪等項(xiàng)功能。渠道由人工渠、開(kāi)挖溪流的半人工渠道和整治后的天然河流組成，南渠長(zhǎng)33km，北渠長(zhǎng)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(yùn)長(zhǎng)期不衰，對(duì)廣東廣西地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化有重大影響。1936年和