明渠恒定均匀流Word下载.docx
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β=R=A
式中，b为底宽；
m为边坡系数；
h为水深；
β为宽深比，定义为
（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。
在棱柱体明渠中，过水断面面积只随水深变化，即A=A（h）。
轴线顺直断面规则的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。
非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。
在非棱柱体明渠中，过水断面面积除随水深变化外，还随流程变化，即A=A（h,s）。
常见的非棱柱体明渠是渐变段（如扭面），另外，断面不规则，主流弯曲多变的天然河道也是非棱柱体明渠的例子。
bh
三、明渠的纵断面和底坡
沿渠道中心线所做的铅垂平面与渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线），即明渠的纵断面。
该铅垂面与水面的交线称为水面线。
对水工渠道，渠底多为平面，故渠道纵断面图上的底坡线是一段或几段相互衔接的直线。
对天然河道，河底起伏不平，但总趋势是沿水流方向逐渐下降，因此，纵断面图上的河底线就是一条时有起伏但逐渐下降的波浪线。
为了表示底坡线沿水流方向降低的缓急程度，引入了底坡的概念。
底坡是指沿水流方向单位长度内的渠底高程降落值，以符号i表示。
底坡也称纵坡，可用下式计算。
i=sinθ=z1-z2
s
式中，z1、z2为渠道进口和出口的槽底高程；
s为渠道进口和出口间的流程长度；
θ为底坡线与水平线之间的夹角。
通常由于θ角很小，故常以两断面间的水平距离来代替流程长度，即sinθ=tgθ。
i>
0称为正坡或顺坡；
i=0称为平坡；
i
称为负坡、逆坡或反坡。
人工渠道三种底坡类型均可能出现，但在天然河道中，长期的水流运动形成往往是正坡。
一、
明渠均匀流就是明渠中水深、断面平均流速、断面流速分布等均保持沿流程不变的流动，其基本特征可归纳如下：
①过水断面的形状和尺寸、流速、流量、水深沿程都不变。
②流线是相互平行的直线，流动过程中只有沿程水头损失，而没有局部水头损失。
③由于水深沿程不变，故水面线与渠底线相互平行。
④由于断面平均流速及流速水头沿程不变，故测压管水头线与总水头线相互平行。
⑤由于明渠均匀流的水面线即测压管水头线，故明渠均匀流的底坡线、水面线、总水头线三者相互平行，这样一来，渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相等。
这是明渠均匀流的一个重要的特性，它表明在明渠均匀流中，水流的动能沿程不变，势能沿程减小，在一定距离上因渠底高程降落而引起的势能减小值恰好用于克服水头损失，从而保证了动能的沿程不变。
⑥从力学角度分析，均匀流为等速直线运动，没有加速度，则作
f用在水体的力必然是平衡的，即该式表明均匀流动是重力沿流动方向的分力和
阻力相平衡时产生的流动，这是均匀流的力学本质。
第二节明渠均匀流的特征明渠均匀流的特性及计算公式Gsinθ=F
二、产生条件
产生条件：
水流为恒定流，流量、粗糙系数沿程不变，没有渠系建筑物干扰的长直棱柱体正坡明渠。
在实际工程中，由于种种条件的限制，明渠均匀流往往难以完全实现，在明渠中大量存在的是非均匀流动。
然而，对于顺直的正坡明渠，只要有足够的长度，总有形成均匀流的趋势。
这一点在非均匀流水面曲线分析时往往被采用。
一般来说，人工渠道都尽量使渠线顺直，底坡在较长距离内不变，并且采用同一材料衬砌成规则一致的断面，这样就基本保证了均匀流的产生条件。
因此，按明渠均匀流理论来设计渠道是符合实际情况的。
天然河道一般为非均匀流，个别较为顺直整齐的糙率基本一致的断面，河床稳定的河段，也可视为均匀流段，这样的河段保持着水位和流量的稳定关系，水文测验中称该河段为河槽控制段。
三、明渠均匀流的计算公式
明渠均匀流的水力计算可利用谢才公式，将其与连续方程联立，可得到明渠均匀流水力计算的基本公式。
v=CRJQ=Av
Q=Ri=K
式中，K为流量模数；
i为渠道底坡，因明渠均匀流水力坡度和渠道底坡相等，故式中以底坡i代替水力坡度J。
C为谢才系数可按曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式计算。
C=f（n,R）。
谢才系数C是反应断面形状尺寸和壁面粗糙程度的一个综合系数，其中，
粗糙系数n对谢才系数C的影响远比水力半径R大。
明渠表面材料愈光滑，粗糙系数n愈小，相应的水流阻力也小，在其它条件不变的情况下，通过的流量就愈大。
在应用曼宁公式时，最困难之处在于确定粗糙系数n的数值，因为至今没有一个选择精确n值的方法，而实用计算中，确定粗糙系数n就意味着对渠道中的水流阻力做出估计，这一工作主要依靠经验。
如果在设计中选定的n值较实际偏大，则势必增大渠道断面尺寸，增加工程量，造成浪费，同时，渠道中的实际流速将大于设计流速，可能引起土质渠道的冲刷。
反之，如果在设计中选定的n值较实际偏小，则设计的渠道断面尺寸必然偏小，影响渠道的过流能力，可能造成水流漫溢，另一方面，渠道中的实际流速将小于设计流速，可能引起渠道淤积。
严格来讲，粗糙系数n值除与渠槽表面的粗糙程度有关外，还与水深、流量、水流是否挟带泥沙等因素有关。
对人工渠道，多年了积累了较多的实际资料和工程经验。
例如混凝土n=0.013~0.017；
浆砌石n=0.025左右；
土渠n=0.0225~0.0275，更为详细的资料可参考其它资料。
天然河道的情况比较复杂，通常要根据对实际河流的实际量测来确定。
第三节水力最佳断面和允许流速
一、水力最佳断面
在流量、底坡、糙率等已定时，设计的渠道断面可以有许多的答案。
因此，要从渠道的设计、施工和运用等方面就设计的断面形式和尺寸进行方案比较。
从水力学角度分析，由明渠均匀流水力计算公式可知：
明渠的过水能力（即流量）Qq与渠道底坡i、糙率n及断面形状和尺寸有关。
在进行渠道设计时，渠道底坡i一般根据地形条件或技术上的考虑选定（如输送的是清水，还是浑水；
渠道是干渠，还是支渠）。
糙率n则主要取决于渠壁材料、土质及目前的运用情况。
因此，当明渠的底坡i和粗糙系数n值一定时，明渠的过水能力就主要取决于断面形状和尺寸。
从经济观点考虑，在流量、底坡、糙率等已知时，总是希望设计的过水断面形式具有最小面积，以减小工程量；
或者说，在底坡、糙率、过水断面面积一定的条件下，设计的断面能使渠道通过的流量达到最大。
凡是符合这一条件的过水断面就称为水力最佳断面。
梯形明渠水力最佳断面的宽深比：
βm=2（+m2-m）
将βm代入梯形断面水力半径公式，可求得梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一Rm=11hRm=h2。
对矩形断面，同样有2的关系。
半，即
以上所得出的水力最佳断面的条件，只是从水力学角度考虑的。
从工程投资角度考虑，水力最佳断面不一定是工程最经济的断面。
在设计渠道断面时，必须结合实际情况，从经济和技术两方面综合考虑。
既考虑水力最佳断面，又不能完全受此约束。
为此，工程实际中以水力最佳断面为基础，提出了“实用经济断面”的概念，工程中也常采用之。
实用经济断面既符合水力最佳断面的要求，又能适应各种具体情况的需要。
二、允许流速
由连续方程可知，对于一定的流量，过水断面面积的大小与断面平均流速有关。
为通过一定的流量，可采用不同大小的过水断面，此时，渠道中就有不同的流速。
如果流速过大，可能引起渠槽冲刷，而流速过小，又可能引起渠槽淤积，降低了渠道的过流能力。
因此，在设计渠道时，必须考虑渠道的允许流速。
渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务（如通航、水电站引水或灌溉），渠槽表面材料的性质，水流含沙量的多少及运行管理上的要求而确定的技术上可靠，经济上合理的流
速。
为了保证技术上可靠，经济上合理，在确定渠道的允许流速时，应该结合工程的具体条件，考虑以下几方面的因素。
（1）流速应不致引起渠槽冲刷，即流速应小于不冲允许流速。
（2）流速应不使水流中的悬砂淤积，即流速应大于不淤允许流速。
（3）流速不宜太小，以免渠中杂草滋生。
为此，一般应大于0.5m/s。
（4）对于北方寒冷地区，为防止冬季渠水结冰，流速也不宜太小。
一般当渠道流速大于0.6m/s时，结冰就比较困难，即使结冰，过程也比较缓慢。
（5）渠道流速应保证技术经济要求和运行管理要求。
第四节明渠均匀流的水力计算
明渠均匀流的水力计算主要包括两类问题。
一类是对已建成的渠道，根据生产运行要求，进行某些必要的水力计算。
如校核已成渠槽的输水能力，即已知渠道的断面形状尺寸、水深、底坡、粗糙系数，求渠道能通过的流量；
或者对某段渠道测定流量，计算粗糙系数。
另一类是进行设计新渠槽的水力计算。
主要有下列情况：
①已知流量、断面形状尺寸、水深以及粗糙系数，要求确定渠道的底坡。
②已知流量、底坡、粗糙系数，要求确定渠道的断面尺寸。
上述两类明渠均匀流的水力计算问题都是如何解算明渠均匀流基本公式的问题。
一、校核渠道过水能力
已知m.b.h0.n.i求Q。
由Q=ACRi直接计算。
m3
例某梯形排水渠道，L=1.0b=3mm=2.5底部落差为0.5mQ设=9
实际水深h=1.5m渠道能否满足Q设的要求。
（n=0.025）解：
Q=ACRi试算当i=z1-z20.5==0.0005L1000
A=0.92m22+mXA=（b+mh）h=10.15mX=b+2h=11.08mR=m
C=39.45Q=ACRi=8.58
只有当Q≥Q设时才满足要求。
二、确定i。
已知m.b.h0.nQ求i
Q2
2ki0三、=
四、n值
ARJzQ五、n=
六、四、设计新渠道
1、已知底宽求水深。
已知m.i.h0.nQ，求b。
2、已知水深求底宽。
已知m.b..nQ求h0。
以上二种情况均为Q=f（h）或Q=f（b）的高次隐函数，一般采用试算图解、查图法、电算解法。
（1）试算法
以求正常水深h为例来介绍试算法。
试算法的主要内容是：
假设若干个h值，代入基本
公式计算相应的流量Q值。
若所得的Q值与已知流量相等，这个相应的h值即为所求，否则，继续试算，直到算到与已知流量相等为止。
在实际试算过程中，为了减少试算工作量，常常假设3～5个h值，求出3～5个相应的流量Q值，这些求出的流量Q值必须把已知流量值包含在中间。
然后，绘出Q=f（h）曲线，利用该曲线可确定出与已知流量相对应的h值，即在曲线上根据已知流量值对应地查出h值，该h值即为所求。
（2）查图法
由于试算法工作量大，比较繁琐。
为了简化计算，工程中已制成了许多图，已备查用。
图的形式较多，在我国最通用的是拉赫曼诺夫梯形断面渠道均匀流水深或底宽求解图。
我国工程技术人员也创造了不少图解法。
图解法的优点是不用内插；
缺点是查曲线图费视力，同时，因图幅小，图中曲线的某些部分精度差甚至查不出。
因此，为保证查图结果的可靠，一般可将查图结果再回代检验。
处查图法外，还有数表法，即将函数关系以表的形式给出。
数表法的优点是查算方便，但仍需内插，精度也不是很高。
（3）电算解法
电算解法具有速度快，精度高，应用方便的优点，在实际工作中正在逐步普及。
电算解法根据其计算方法常用的有二分法、牛顿法、迭代法。
3、已知宽深比，设计渠道断面。
已知m..nQ.i宽深比β，确定h0和b。
将b=βh代入公式后只有一个未知量，可由公式直接求解。
4、按水力最佳断面设计梯形渠道，可直接计算。
5、限定渠道流速设计渠道断面，可由公式直接计算。
第五节粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算
在水利工程中，根据工程实际情况有时渠底和渠壁会采用不同的材料，即会遇到沿湿周各部分粗糙度不同的渠道，这种渠道称为非均质渠道。
例如，沿山坡凿石筑墙而成的渠道，即靠山一侧边坡和渠底为岩石，另一侧边坡为块石砌筑的挡土墙；
底部为浆砌石，边坡为混凝土衬砌的渠道；
冬季被冰封闭的河渠。
由于沿湿周各部分糙率不同，因而它们对水流的阻力也不同，可以采用一个综合的糙率来反映整个断面的情况。
也就是说，对这样的渠道进行水力计算，首先应该解决的是怎样由各部分糙率计算综合糙率的问题。
根据巴甫洛夫斯基提出的方法（具体推导过程参见徐正凡教材）得到的综合糙率计算公式如下。
n=
当渠道底部粗糙系数小于侧壁粗糙系数时，可用上式计算。
根据爱因斯坦提出的方法得到的综合糙率计算公式如下。
22χ1n12+χ2n2+χ3n3χ1+χ2+χ3
χ1n1+χ2n2+χ3n32n=（）χ1+χ2+χ3
一般情况下的综合糙率也可采用对各部分湿周的糙率取加权平均值的方法进行计算，即n=χ1n1+χ2n2+χ3n3
χ1+χ2+χ3
深挖高填的大型渠道，流量变化范围比较大的渠道，常采用复式断面明渠，以有利于边坡稳定。
复式断面常常是不规则的，粗糙系数也可能沿湿周有变。
此外，由于断面上水深不一，各部分流速差别较大，如果把整个断面当作统一的总流来计算，直接用均匀流公式，将会得出不符合实际情况的结果。
主要问题是当水深从主槽刚漫上滩地时，过水断面面积虽有增大，但湿周突然增大许多，使水力半径骤然减小，以致出现水深增大而流量减小的错误结果。
因此，复式断面明渠的水力计算决不能按一个断面统一计算。
对右图所示的复式断面，其流量计算过程如下。
Q1=K1
Q2=K2
1．渠道衬砌设计
渠道衬砌设计总体可分为2步工作，首先是渠道断面形式的选择，即优化断面水力要素，改善防冻条件，然后是衬砌材料的选择，即在渠床表面铺设防渗层以提高防渗能力而进行的材料选择。
1．1渠道断面形式
（1）矩形断面。
这是一种较为原始的断面形式，至今在一些小型渠道工程中仍在延用，这种断面多呈长方形或正方形，设计、施工简单，但是矩形断面的水力半径小，湿周长等不足，使渠道的水力条件较差，从而过水能力较低。
矩形断面渠道的防渗体往往采用浆砌石或混凝土等刚性材料，由于衬砌后的渠底和边坡多为水平和垂直形式，抗冻效果很差，在大型渠道工程中往往不采用矩形断面。
（2）梯形断面。
这种断面形式是在矩形断面不足基础上发展起来的一种形式，早期为大部分渠道工程所采用，它具有较好的水力条件，过水能力相对较高，这种断面呈倒梯形，两侧渠边坡常采用1：
1～1：
1.5，最大可取到1：
2.0以上，水力最优断面的宽深比为0.83～0.61,最小值可为0.47，对于大型渠道宽深比为1～3，防渗衬砌材料常采用黏土料，浆砌块石（砾、卵石）或混凝土、钢筋混凝土；
这种断面形式在各方面较矩形断面有所改进，但是梯形断面的渠道抗冻能力依然较差，而且在大型渠道工程中占地较多。
（3）U型断面。
这种形式在水力条件和抗冻能力等方面都大大优于矩形或梯形断面，其形式为半圆直边式和圆弧斜边式两种，前者多用于小型工程，后者用于较大工程，从面积相等的几何图形可知，圆的周长最短，所以该形式相对湿周较矩形、梯形的水力半径大，在其它条件相同的前提下，U形断面流量大，据有关资料介绍，混凝土U形渠道比混凝土预制板衬砌梯形渠道节省投资20%～30%，减少工程量30%～40%，特别是因为底弧半圆拱的作用，整体结构的抗冻性较好。
但是，这种断面形式在土质渠道中断面成型比较困难，渠坡也不易稳定，所以必须采用混凝土材料衬砌。
另外，U形渠道的衬砌体大部分为预制砌筑，仅限于小型或部分中型渠道，对于流量较大的大型渠道则采用混凝土现浇，其质量多因密实、难均匀、温度缝影响等问题难以控制，在水、电不很便利的山区渠道工程中，给施工造成一定难度。
（4）梯弧形复式断面。
这种断面形式是在梯形和U形渠道断面基础上演变成的一种新型断面形式，在大、中型渠道工程中被广泛应用，该断面底部为圆弧状，两侧渠边坡为直线段，边坡系数根据渠底弧中心角确定，一般类同于梯形断面边坡，范围在1：
1.75之间，个别取值1：
2.0以上；
圆弧中心角大于或等于90°
。
梯弧形复式断面同时具备了梯形和U形断面的优点；
湿周较小，水力半径大，过水条件好，抗冻性能高，占地少，投资省。
1.2建材类型
渠道建材类型很多，根据工程规模、使用条件、防渗抗冻标准以及防污染、防腐蚀和节约工程投资等多方面因素进行综合比较选择，就目前使用的渠道建材类型和各自的特点评价，提供在设计中正确选用。
（1
）纯土料。
土料分布广泛，储量大且造价低，在其它建材类型不足或投资条件限制Q3=K3iQ=Q1+Q2+Q3=（K1+K2+K3）i
的小规模渠道工程中，土料是常用的建材，施工中按照渠道设计开挖断面开凿渠床，然后选择适当的土料进行渠床夯填，夯填的干容重一般要求在1.5t/m3以上，然后再削整成设计断面。
土料衬砌的最大缺陷是受设计不冲不淤条件下的纵坡和开挖断面的影响大，工程开挖，回填量大，而在实际运行当中经常发生渠道渗漏，冲刷或溃堤等现象，容易造成事故，特别是在强湿陷性黄土地区，因渗漏产生的湿陷会导致山体滑坡，山体前缓沉陷裂缝，诱发黄土岩溶等不良后果，所以土料衬砌只限于小型的矩形、梯形渠道，如：
农渠或毛渠及小型排水沟。
（2）混合土料。
混合土料包括：
3:
7灰土，水泥土等，这种材料仍属于土料范畴之内，是由工民建筑的基础材料引入到渠道衬砌工程中的，从50到60年代被重点采用。
至今仍在一些地区受到建设者的欢迎。
它与纯土料相比，具有密度大、强度高、不易湿陷变形及防渗效果好、投资省等优点，但在有些地区因地下水位较高，混合土料的使用效果并不理想，尤其是3：
7灰土中所用的掺合料是石灰即Ca（OH）2，它是通过与空气中的CO2反应生成CaCO3来达到渠基固结目的，但化学反应式：
Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O，可知所析出的水分若不及时蒸发或排泄，将使基础中含水量增大，导致变形或冻胀，而作为基础埋深较大时，Ca（OH）2很难与CO2反应生成CaCO3，则达不到固结的目的，使基础强度减弱，另外有些混合料中含有有害物质污染水质，所以混合料使用的局限性较大。
（3）浆砌石。
在块石或砾石料丰富的地区，浆砌石被广泛应用于渠道衬砌工程中，在60年代这种建材较为推宠。
浆砌石衬砌的特点是：
抗冲刷能力强，抗冻性能好，相对来讲工程造价不十分高；
该材料多用于纵坡较陡，流量较大的大中型渠道工程，而且可根据渠道设计断面的要求砌筑成多种断面形式，施工复杂，但是浆砌石料短缺的地区不易选用，同时浆砌石渠道的渗漏损失仅低于土渠，渠道水损失严重。
另外浆砌石衬砌具有糙率较大，占地多，衬砌砂浆填缝多因间断停水受温度影响变形缝较大缺陷，但因为浆砌石的抗冲抗冻能力其它建材很难达到，所以在北方片的渠道衬砌工程中仍被看成是一种较理想的建材。
（4）混凝土或钢筋混凝土。
随着混凝土生产及工艺的发展，70年代后，混凝土和钢筋混凝土已由原工民建筑或大型水利工程逐渐转向渠道衬砌工程，特别是在大型输水渠道或重要险段工程中被迅速普及和推广。
混凝土或钢筋混凝土材料作为渠道衬砌具有：
板状结构体积轻巧，重量小，施工可塑性强，防渗漏、抗冲刷、适应冻胀变形、使用寿命长等多项良好性能，相对土渠或浆砌石渠道过水流量大。
在实际应用中，混凝土或钢筋混凝土的强度等级一般为C10～C15，有特殊要求的可选取C20，施工手段可分为混凝土预制件和混凝土、钢筋混凝土现浇衬砌两种，前者多用于缺水少电等施工条件较差的中小型渠道，具有保持混凝土工厂生产和控制质量的特征，后者则用于大型渠道工程，现浇混凝土的整体性好，防渗抗冻等条件较混凝土预制件衬砌优越，而且施工进度快。
目前在渠道衬砌工程中所采用的混凝土材料无论是予制还是现浇多制成薄型板结构，厚度在0.06～0.4㎜，最大厚度在0.8㎜左右，作为钢性材料同时又是薄型结构的混凝土衬砌体，从防冻角度出发需要提高渠道的设计、施工质量，对于基础的土料级配情况和夯填手段应高度重视，特别是在湿陷性黄土地区和冻胀敏感土质，对渠基设计的要求就会更高，一般在基土粒径为0.05～0.002㎜之间的土质中，渠道多选择填方或半填半挖渠基的形式，少用深挖渠基形式，必要时将要换基处理，渠基土质最好是含砾卵石较多或排水效果好的砂壤土，避免在粘粒含量过多的基础修渠，渠道基础要求夯填后的干容重γd≥1.5t/m3，保证其稳定和密实，减轻冻害。
由于受渠道衬砌的混凝土体积小的限制，材料本身不抵御强烈的冻胀而只能适应部分基础变形量，所以在设计与施工中就要充分考虑如何降低基础含水量，减少基础冻胀量等措施；
以尽可能地减少渗漏和外来补充水，同时加强基础排水能力来解决大部分的冻胀变形。
其次是结合渠道断面几何形状的不断改进来提高混凝土衬砌结构的适应能力；
在特别重要的渠段或冻胀强烈的地区可采用钢筋混凝土材料衬砌渠道，但造价很高，不能广泛使用，以上所说的混凝土或钢筋混凝土材料在施工中可根据设计浇筑成任何一种断面形式，在大力提倡节水灌溉，减少渠道渗漏损失的形势下，混凝土或钢筋混凝土是一种比较理想，应用极为广泛的建材。
（5）膜料防渗。
膜料防渗是新发展的一种衬砌方式，用于渠道防渗的膜料多为：
土工织物，聚氯乙烯薄膜和沥青玻璃丝布等。
膜料属于柔性材料，目前在渠道工程中被大量采用，它具有防渗标准高，能适应较大的冻胀变形、造价低廉等优点，弥补了混凝土衬砌型式中的许多缺陷，膜料在渠床开挖断面完成后，稍经整平处理后即可铺设，然后加盖保护层，保护层可用土料、混合料或砂浆等，防渗效果较好；
膜料防渗的不足之处也十分突出；
如施工较
复杂、主要是膜料铺盖间的搭接，同时为保证保护层的稳定，渠道边坡较大，均在1：
1.5以上，因而占地较多，另外，膜料对基础土质有较高的要求，如果基土含有大量有机物会导致膜料过早老化而降低防渗标准
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