6.5明渠恒定流

了解明渠分類；理解明渠均勻流的產(chǎn)生條件及水力特征。理解明渠水力最優(yōu)斷面及允許流速概念；了解明渠恒定非均勻流的流動狀態(tài)；掌握名曲均勻流水力計算。

知識點一:明渠流的基本概念（了解）

人工渠道、天然河道以及未充滿水流的管道等統(tǒng)稱為明渠

明渠流是一種具有自由表面的流動，自由表面上各點受當(dāng)?shù)卮髿鈮旱淖饔?，其相對壓強為零，所以又稱為無壓流動。與有壓管流不同，重力是明渠流的主要動力，而壓力是有壓管流的主要動力。

明渠水流根據(jù)其水力要素是否隨時間變化分為恒定流和非恒定流動。明渠恒定流動又根據(jù)流線是否為平行直線分為均勻流和非均勻流。（流程）

明渠流的自由表面會隨著不同的水流條件和渠身條件而變動，形成各種流動狀態(tài)和水面形態(tài)，在實際問題中，很難形成明渠均勻流。但是，在實際應(yīng)用中，如在鐵路、公路、給排水和水利工程的溝渠中，其排水或輸水能力的計算，常按明渠均勻流處理。

1、明渠流的分類

由于過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸與底坡的變化對明渠水流運動有重要影響，因此在水力學(xué)中把明渠分為以下類型。

凡是斷面形狀及尺寸沿程不變的長直渠道，稱為棱柱形渠道，否則為非棱柱形渠道。前者的過水?dāng)嗝婷娣ea僅隨水深h變化，即a=f(h)；后者的過水?dāng)嗝婷娣e不僅隨水深變化，而且還隨著各斷面的沿程位置而變化，即a=f(h,s)，s為過水?dāng)嗝婢嗥淦鹗紨嗝娴木嚯x。

明渠渠底線(即渠底與縱剖面的交線)上單位長度的渠底高程差，稱為明渠的底坡，用i表示，如圖，1-1和2-2兩斷面間，渠底線長度為δs，該兩斷面間渠底高程差為(a1-a2)=δa，渠底線與水平線的夾角為θ，則底坡i為

 

 

在水力學(xué)中，規(guī)定渠底高程順?biāo)飨陆档牡灼聻檎?/span>

當(dāng)渠底坡較小時，例如i＜0.1或θ＜6°時，因兩斷面間渠底線長度δs，與兩斷面間的水平距離δl，近似相等，δs≈δl，則由圖可知

 

 

在上述情況下，兩斷面間的距離δs可用水平距離δl代替，并且，過水?dāng)嗝婵梢钥醋縻U垂平面，水深h也可沿鉛垂線方向量取。

明渠底坡可能有三種情況(如圖)。渠底高程沿流程下降的，稱為順坡(或正坡)，規(guī)定i＞0；渠底高程沿流程保持水平的，稱為平底坡，i=0；渠底高程沿流程上升的，稱為逆坡(或負坡)，規(guī)定i＜0。

2、明渠均勻流的特征和形成條件

(1)過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽?、流速分布、流量和水深，沿流程都不?/span>

(2)總水頭線、測管水頭線(在明渠水流中，就是水面線，其坡度以j_w表示)。和渠底線都互相平行(圖)，因而它們的坡度相等

根據(jù)上述明渠恒定均勻流的各種特性，可見只有同時具備下述條件，才能形成明渠恒定均勻流：

(1)明渠中水流必須是恒定的，流量沿程不變；

(2)明渠必須是棱柱形渠；

(3)明渠的糙率必須保持沿程不變；

(4)明渠的底坡必須是順坡，同時應(yīng)有相當(dāng)長的而且其上沒有建筑物的順直段。只有在這樣長的順直段上而又同時具有上述三條件時才能發(fā)生均勻流。

知識點三:水力最優(yōu)斷面和允許流速（掌握）

從水力學(xué)的角度考慮，最感興趣的一種情況是：在流量、底坡、糙率已知時，設(shè)計的過水?dāng)嗝嫘问骄哂凶钚〉拿娣e；或者在過水?dāng)嗝婷娣e、底坡、糙率已知時，設(shè)計的過水?dāng)嗝嫘问侥苁骨劳ㄟ^的流量為最大。這種過水?dāng)嗝娣Q為水力最優(yōu)斷面

所以要在給定的過水?dāng)嗝娣e上使通過的流量為最大，過水?dāng)嗝娴臐裰芫捅仨殲樽钚　?/span>

從幾何學(xué)知，在各種明渠斷面形式中最好地滿足這一條件的過水?dāng)嗝鏋榘雸A形斷面(水面不計入濕周)，因此有些人工渠道(如小型混凝土渡槽)的斷面設(shè)計成半圓形或u形，但由于地質(zhì)條件和施工技術(shù)、管理運用等方面的原因，渠道斷面常常不得不設(shè)計成其它形狀。下面對土質(zhì)渠道常用的梯形斷面討論其水力最優(yōu)條件。

得到水力最優(yōu)的梯形斷面的寬深比條件