水力学-第5章 明渠恒定均匀流(精品).ppt

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1、第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流5.5 5.5 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系:一一、已已 知知 渠渠 道道 的的 断断 面面 尺尺 寸寸 b b、m m、h h及及 底底 坡坡 i i、粗粗 糙糙 系数系数n n，求通过的流量（或流速）。，求通过的流量（或流速）。二二、已已 知知 渠渠 道道 的的 设设 计计 流流 量量 Q Q、底底 坡坡 i i、底底 宽宽 b b、边边 坡坡 系数系数m m和粗糙系数和粗糙系数n n，求水深，求水深h h。三三、已已 知知 渠渠 道道 的的 设设

2、计计 流流 量量 Q Q、底底 坡坡 i i、水水 深深 h h、边边 坡坡 系数系数m m及粗糙系数及粗糙系数n n，求渠道底宽，求渠道底宽b b。四四、已已 知知 渠渠 道道 的的 设设 计计 流流 量量 Q Q，水水 深深 h h、底底 宽宽 b b、粗粗 糙糙 系数系数n n及边坡系数及边坡系数m m，求底坡，求底坡i i。五五、已已 知知 流流 量量 Q Q、流流 速速 v v、底底 坡坡 i i、粗粗 糙糙 系系 数数 n n和和 边边 坡系数坡系数m m，要求设计渠道断面尺寸。，要求设计渠道断面尺寸。主要有下列几种类型：主要有下列几种类型：例例例例5.25.2 某电站引水渠，在粘

3、土中开凿，未加护面，某电站引水渠，在粘土中开凿，未加护面，某电站引水渠，在粘土中开凿，未加护面，某电站引水渠，在粘土中开凿，未加护面，渠线略有弯曲，在使用过程中，岸坡已滋生杂草。今测渠线略有弯曲，在使用过程中，岸坡已滋生杂草。今测渠线略有弯曲，在使用过程中，岸坡已滋生杂草。今测渠线略有弯曲，在使用过程中，岸坡已滋生杂草。今测得下列数据：断面为梯形，边坡系数得下列数据：断面为梯形，边坡系数得下列数据：断面为梯形，边坡系数得下列数据：断面为梯形，边坡系数 mm 为为为为 1.5 1.5，底宽，底宽，底宽，底宽 b b 为为为为 34 m34 m，底坡，底坡，底坡，底坡 i i 为为为为 ，渠底至堤

4、顶高差为，渠底至堤顶高差为，渠底至堤顶高差为，渠底至堤顶高差为3.2 m3.2 m（见（见（见（见图）。图）。图）。图）。（1 1）电站引用流量）电站引用流量）电站引用流量）电站引用流量 Q Q 为为为为 67 m67 m3 3/s/s。今因工业发展需。今因工业发展需。今因工业发展需。今因工业发展需要，要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为要，要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为要，要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为要，要求渠道供给工业用水，试计算渠道在保证超高为0.5m0.5m的条件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水的条件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水的条

5、件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水的条件下，除电站引用流量外，尚能供给工业用水若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。若干？并校核此时渠中是否发生冲刷。（2 2）与电站最小水头所相应的渠中水深）与电站最小水头所相应的渠中水深）与电站最小水头所相应的渠中水深）与电站最小水头所相应的渠中水深 h h 为为为为 1.5 m1.5 m，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道，试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下渠道是否发生淤积

6、（已知不淤流速是否发生淤积（已知不淤流速是否发生淤积（已知不淤流速是否发生淤积（已知不淤流速 为为为为0.5m/s0.5m/s）。）。）。）。（3 3）为便于运行管理，要求绘制该渠道的水深流）为便于运行管理，要求绘制该渠道的水深流）为便于运行管理，要求绘制该渠道的水深流）为便于运行管理，要求绘制该渠道的水深流量关系曲线，（在第（量关系曲线，（在第（量关系曲线，（在第（量关系曲线，（在第（1 1）项和第（）项和第（）项和第（）项和第（2 2）项要求的流量间）项要求的流量间）项要求的流量间）项要求的流量间绘制）。绘制）。绘制）。绘制）。解解解解:(1)(1)求保证超高求保证超高求保证超高求保证超高

7、0.5m 0.5m 时的流量，并校核冲刷。时的流量，并校核冲刷。时的流量，并校核冲刷。时的流量，并校核冲刷。当超高为当超高为当超高为当超高为0.5m 0.5m 时，渠中水深时，渠中水深时，渠中水深时，渠中水深 h=(3.2h=(3.20.5)m=2.7m0.5)m=2.7m，此，此，此，此时的断面水力要素为时的断面水力要素为时的断面水力要素为时的断面水力要素为 :查表可知，对渠线弯曲并已滋生杂草的土查表可知，对渠线弯曲并已滋生杂草的土查表可知，对渠线弯曲并已滋生杂草的土查表可知，对渠线弯曲并已滋生杂草的土 n n=0.03=0.03由表查得，渠道土质为粘土时为不冲流速由表查得，渠道土质为粘土时

8、为不冲流速由表查得，渠道土质为粘土时为不冲流速由表查得，渠道土质为粘土时为不冲流速 0.85 m/s0.85 m/s，当，当，当，当R R为为为为2.35m2.35m时时时时在保证电站引用流量条件下，渠道能供给工业用水量为在保证电站引用流量条件下，渠道能供给工业用水量为在保证电站引用流量条件下，渠道能供给工业用水量为在保证电站引用流量条件下，渠道能供给工业用水量为:故在此条件下，渠道不会发生冲刷。故在此条件下，渠道不会发生冲刷。故在此条件下，渠道不会发生冲刷。故在此条件下，渠道不会发生冲刷。（2 2 2 2）计算计算计算计算 h h 为为为为 1.5 1.5 1.5 1.5 mm 时，渠道通过

9、的流量并校核时，渠道通过的流量并校核时，渠道通过的流量并校核时，渠道通过的流量并校核淤积。计算淤积。计算淤积。计算淤积。计算 h h =1.5=1.5=1.5=1.5 m m 时的断面水力要素：时的断面水力要素：时的断面水力要素：时的断面水力要素：故渠道在故渠道在故渠道在故渠道在 h h=1.5 m=1.5 m 时，不会发生淤积。时，不会发生淤积。时，不会发生淤积。时，不会发生淤积。（3 3 3 3）绘制）绘制）绘制）绘制 h h=(1.5=(1.5 2.7)m2.7)m 间水深流量曲线。间水深流量曲线。间水深流量曲线。间水深流量曲线。根据上表根据上表根据上表根据上表可绘出可绘出可绘出可绘出

10、h h Q Q 曲线（见图）曲线（见图）曲线（见图）曲线（见图）例例例例5.3 5.3 某电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采用梯某电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采用梯某电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采用梯某电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采用梯形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损失和加强渠道耐冲能力；取边坡系数耐冲能力；取边坡系数耐冲能力；取边坡系数耐冲能力；取边坡系数 m m 为为为为 1 1；根据天然地形，为使挖、；根据天然地形，为使挖

11、、；根据天然地形，为使挖、；根据天然地形，为使挖、填方量最少，选用底坡填方量最少，选用底坡填方量最少，选用底坡填方量最少，选用底坡 i i 为为为为1/800 1/800，底宽，底宽，底宽，底宽 b b 为为为为 6 m 6 m，设计流，设计流，设计流，设计流量量量量 Q Q 为为为为 70 m70 m3 3/s/s。试计算渠堤高度（要求超高。试计算渠堤高度（要求超高。试计算渠堤高度（要求超高。试计算渠堤高度（要求超高0.5m0.5m）。）。）。）。2、已知渠道的已知渠道的Q，i，b，m，n，求水深求水深 h。解：解：（1 1）试算图解法）试算图解法）试算图解法）试算图解法 可假设一系列可假设

12、一系列可假设一系列可假设一系列 h h 值，代入上式计算相应的值，代入上式计算相应的值，代入上式计算相应的值，代入上式计算相应的 Q Q 值，并值，并值，并值，并绘成绘成绘成绘成 h h Q Q曲线，然后根据已知流量，在曲线上即可查曲线，然后根据已知流量，在曲线上即可查曲线，然后根据已知流量，在曲线上即可查曲线，然后根据已知流量，在曲线上即可查出要求的出要求的出要求的出要求的 h h 值。值。值。值。设设设设 h h=2.5=2.5，3.03.0，3.53.5，4.0 m4.0 m，计算相应的，计算相应的，计算相应的，计算相应的 A A，R R，C C 及及及及 Q Q 值如下表值如下表值如下

13、表值如下表 由上表绘出由上表绘出由上表绘出由上表绘出 h h Q Q 曲线。从曲线查得：曲线。从曲线查得：曲线。从曲线查得：曲线。从曲线查得：当当当当 Q Q=70 m=70 m3 3/s/s 时，时，时，时，h h=3.3 m=3.3 m 。（2 2）查图法）查图法 令令令令 代入上式，化简可得代入上式，化简可得代入上式，化简可得代入上式，化简可得 为为为为 及及及及 m m 的函数的函数的函数的函数可绘出一组以可绘出一组以可绘出一组以可绘出一组以 mm 为参数为参数为参数为参数的的的的 曲线曲线曲线曲线（见（见（见（见附图附图附图附图1 1）若将式等号两边除以若将式等号两边除以若将式等号两

14、边除以若将式等号两边除以 ，可得，可得，可得，可得 根据上式就可绘出另一组曲线根据上式就可绘出另一组曲线根据上式就可绘出另一组曲线根据上式就可绘出另一组曲线 （见（见（见（见附图附图附图附图IIII）现应用附图现应用附图 II 解本例解本例，由附图由附图由附图由附图IIII，当，当，当，当 时，在时，在时，在时，在 mm =1=1 的曲线上查得的曲线上查得的曲线上查得的曲线上查得 ，故故故故:（3 3）迭代计算法）迭代计算法 化简成迭代形式化简成迭代形式:迭代计算迭代计算:假定一个初始假定一个初始hi值值,得到得到hi+1,当当hi+1-hi 满足精度时满足精度时,h=hi+1 例例例例5.4

15、 5.4 某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土（用某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土（用某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土（用某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土（用括泥刀做平）预制构件拼接成矩形断面（图），根据渡括泥刀做平）预制构件拼接成矩形断面（图），根据渡括泥刀做平）预制构件拼接成矩形断面（图），根据渡括泥刀做平）预制构件拼接成矩形断面（图），根据渡槽两端渠道尺寸及渠底高程，初步拟定渡槽的底坡槽两端渠道尺寸及渠底高程，初步拟定渡槽的底坡槽两端渠道尺寸及渠底高程，初步拟定渡槽的底坡槽两端渠道尺寸及渠底高程，初步拟定渡槽的底坡 i i 为为为为 1/10001/1000，水深，水深，水深，水深

16、h h 为为为为3.5m3.5m，设计流量，设计流量，设计流量，设计流量Q Q为为为为 31m31m3 3/s/s。试计算。试计算。试计算。试计算渠道底宽渠道底宽渠道底宽渠道底宽 b b 。3 3、已知渠道的设计流量已知渠道的设计流量已知渠道的设计流量已知渠道的设计流量 Q Q，底坡底坡底坡底坡 i i，水深水深水深水深 h h，边坡系边坡系边坡系边坡系数数数数 m m 及粗糙系数及粗糙系数及粗糙系数及粗糙系数 n n，求渠道底宽求渠道底宽求渠道底宽求渠道底宽 b b。4 4、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量 Q Q，底宽，底宽，底宽，底宽 b b

17、，水深，水深，水深，水深 h h，边坡系，边坡系，边坡系，边坡系数数数数 m m 及粗糙系数及粗糙系数及粗糙系数及粗糙系数 n n，求底坡，求底坡，求底坡，求底坡i i。5 5、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量、已知渠道的设计流量 Q Q，流速，流速，流速，流速v v,边坡系数边坡系数边坡系数边坡系数 m m,粗糙系粗糙系粗糙系粗糙系数数数数 n n，底坡，底坡，底坡，底坡i,i,求断面尺寸求断面尺寸求断面尺寸求断面尺寸.例例例例5.55.55.55.5例例例例5.65.65.65.65.65.6粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的

18、水力计算5.6.1 5.6.1 断面周界上的粗糙度不同的明渠均断面周界上的粗糙度不同的明渠均 匀流的水力计算匀流的水力计算当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算在一般情况下，也可以按照加权平均方法估算，即在一般情况下，也可以按照加权平均方法估算，即在一般情况下，也可以按照加权平均方法估算，即在一般情况下，也可以按照加权平均方法估算，即二复式断面明渠均匀流的水力计算二复式断面明渠均匀流的水力计算 复式断面形状如图所示复式

19、断面形状如图所示复式断面形状如图所示复式断面形状如图所示:22 通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，复式断面明渠均匀流的流量计算方法：复式断面明渠均匀流的流量计算方法：复式断面明渠均匀流的流量计算方法：复式断面明渠均匀流的流量计算方法：23 例例5-75-7一复式断面如图，已知一复式断面如图，已知b b与与b b为为6m6m，b b为为10m10m；h h与与h h为为1.8m1.8m；m m与与m m均为均为1.51.5，m m为为2.02.0；n n为为0.020.02及及i i为为0.00020.0002求求Q Q及及v v 解：解：24 各部分的湿周分别为：各部分的湿周分别为：各部分的流量模数分别为各部分的流量模数分别为:于是，复式断面的流量于是，复式断面的流量: