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6.5明渠恒定流

了解明渠分類；理解明渠均勻流的產生條件及水力特征。理解明渠水力最優斷面及允許流速概念；了解明渠恒定非均勻流的流動狀態；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地大氣壓的作用，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，形成各種流動狀態和水面形態，在實際問題中，很難形成明渠均勻流。但是，在實際應用中，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

由于過水斷面形狀、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。前者的過水斷面面積a僅隨水深h變化，即a=f(h)；后者的過水斷面面積不僅隨水深變化，而且還隨著各斷面的沿程位置而變化，即a=f(h,s)，s為過水斷面距其起始斷面的距離。

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

 

 


在水力學中，規定渠底高程順水流下降的底坡為正

當渠底坡較小時，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，過水斷面可以看作鉛垂平面，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)，規定i＜0。

2、明渠均勻流的特征和形成條件

(1)過水斷面的形狀和尺寸、流速分布、流量和水深，沿流程都不變

(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jw表示)。和渠底線都互相平行(圖)，因而它們的坡度相等

根據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，同時應有相當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生均勻流。

知識點三:水力最優斷面和允許流速（掌握）

從水力學的角度考慮，最感興趣的一種情況是：在流量、底坡、糙率已知時，設計的過水斷面形式具有最小的面積；或者在過水斷面面積、底坡、糙率已知時，設計的過水斷面形式能使渠道通過的流量為最大。這種過水斷面稱為水力最優斷面

所以要在給定的過水斷面積上使通過的流量為最大，過水斷面的濕周就必須為最小。

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

得到水力最優的梯形斷面的寬深比條件