6明渠均匀流与堰流 本章内容包括明渠流的概念、明渠定常均匀流的水力计算、明渠的水力最佳断面、堰 流。要求理解明渠定常均匀流、明渠水力最佳断面、堰流等概念，拿握明渠定常均匀流的 基本计算公式、明渠平均流速的计算及流速的分布规律、水力最佳断面尺寸的确定、矩形 薄壁堰自由出流流量的计算，重点掌握明渠平均流速的计算、矩形薄壁堰自由出流流量的 计算。 6.1明渠流的概念 明渠流是指流体在地心引力作用下形成的重力流动。其特点是果槽具有自由表面，自 由面上各点均受相同的大气压强作用，相对压强为零。因此，明渠流又称为无压流。对于 那种封闭式或不充满管中流动的暗渠，其流动情况与明集相同，也属于无压流动。 明渠流的断面形式有多种多样，且具有自由表面，因而处理明渠问题要比有压管路问 题麻烦，没有通用公式，一般求其平均值。 常常碰到和应用较多的明渠流斯面形式如图6.1所示。 (D) 图6.1明渠流的断面形式 人一水深：一果底宽：m一边坡系数，m=©邮：B一果边坡与水平面夹角： D-直径：一心角，以度表示 明渠流各斯面的水力要素计算公式见表6.1。 表61明渠断面水力要素计算公式 斯面形式 面积A 程周x 水力半轻R 水面宽B 矩形 6+2h 稀形 (B+mh)h 6,2h个+m (6+m)h 6+2h个+m 6+2mM 国形 (e-n) 品 ) 2(D-万
6明果均匀流与耀流 136 明染流中水力要素如不随时间变化称为明集定常流，否则为非定常流。在明巢定常酒 式不变 有面 均流速沿 图62所示。此时，其水力坡度、水面坡度（即 玉力坡度 =,=小 (6.1) 图6.2明军定常均匀流 亦即明果定常均匀流的总比能线E一E、比压线P中及渠底坡面线是三条平行的直线。 由此可见，形成明果定常均匀流必须满足以下条件： (1)流量周定不变，即Q=常数： (2)过流断面、水深及平均流速沿流程均不变，即A=常数、h=常数及=常数： (3)果底坡度周定不变。且等于水力坡度，4==： (4)集槽粗糙度不变，即粗糙系数4=常数： 在实际生产情况中，要满是这样的一些条件是不可能的：但是对比较规则 的、 因素变化不大的 营均匀 匀流是明率流运动中最简单的无形 析他明流动的现论基 如在某些非均匀流的计算中，也可以用分段法近似地按均匀流问题来解决。在环境、士 木、水利等工程实际中，有许多有关明果流的问题，因而研究明果定常均匀流的运动规律 有重要的实用意义。 6.2明渠定常均匀流的水力计算 621基本计算公式 方而总害h的作国形成液流运动，另一方面又受乘槽边壁对液流的摩 yAca。将G分解为垂直与平行于果底之两分力G、与G,则
62明果定常均匀流的水力计算 137 d 2X 图63明巢定常均匀流的水力分析 衡，因而对于巢底湿周面积上所发生的平均切应力 (62) 明流的断面和流速一般都比较大，液流多处于阻力平方区的素流状态。浆西根据实 验认为，液流单位面积上的内摩擦切应力与平均流速的二次方成正比，即 和=舒 (6.3) 式中A一明果流的阻力系数。 将式(6.2)代人式(6.3).得 O=A■cA/Ri=K且 (6.4) 式中K—果槽的流量模数，K=cA。 6.2.2计算平均流速的经验公式 稼西公式中的c是有量纲的系数，单位为m/s。c值不但随要辅的粗酷度李化面改 变，而且与水力半径、渠底坡度及断面形式都有关，并非常数，约在10~90之间，多在 50左右。不少人在这方面进行试验研究，根据不同具体条件得到的经验公式有十多种， 我国常用的有： (I)岗吉立(TaHrwnLe)公式 1+23+0.0155 1÷s0g9a (6.5)
138 6明均匀流与流 式中用—粗精系数。 粗糙系数舞是通过对某些给定的明巢，进行观测、积累的经验数据，它的大小反缺了 集情边壁对液流的阻力作用：因面正确选定粗糙系数根为重要。常用的粗糙系数值列于 表6.2。 表2明课粗精系数值 果精质 表面状况 创光木果 001 a0 Q011a.012Q013Q01 未钢光木晕 0.011 0013 0.01400 不先滑金属 0.0220.0250.02003 配整上果 0.012Q0140.0160.018 水起离石墨 Q07 0.000.0250.030 水泥抹面率 0.0I0 0.OII 0012 0.OI3 式(6.5)中，当n增大时，c诚少，n增加愈大，c诚低愈缓，当R增大时，则e亦增 加，R增加愈大，c增加愈缓：如R=1时，e与i无关，则c=:R<1时，i增加，c随之 增加：> (6.6) 岗古立公式适用于渠底坡度较小的明果。 (2)曼宁(Manning)公式 。=9 (67) 将式(6.7)代人蔡西公式得 c=LR“ (6.8) 由式(67)知，明集液流的流速与及”成正比，而与n成反比。因R=,若A不 变，则R愈大，X就愈小，即液流和果槽边壁接触面积就愈小，摩擦阻力相应减小，流速 就加大：如愈大 沿流向的分力愈大，所以流速也愈大：n愈大，槽摩擦阻力加 )公式 用于m<0.02及R<0.5m集底度较陡的明渠。 1+辰 (6.9y 式中。一粗糙度系数，其值与m不同，见表63
62明果定禽均匀流的水力计算 139 表63巴生公式相是度系数￡值 纯水泥面型 。 。 本视灰装面架 0.c6 01 04 块石型 0.30 00 1.10 根题上西 02 创光木反 028 未侧光木板果 022 a28 新金试见 014 0.22 a.34 120 1.75 215 (4)巴甫洛夫撕基公式 与第5章的式(5.3)相同 c-IR 适用于0.1m≤R≤3m的明果。式中y值计算较繁，可查表6.4。 表64巴甫洛夫斯公式值 001 0.013 a025 0.030 a.05 。g 11 46 613 44 647.6 024 55 621 45.2 .1 026 763 619 459 37.8 21.0 02 77.0 63.7 46.5 34 29.4 23.5 19.4 030 77. 47.2 39.0 29.924.0196 035 793 46 40.3 3L.1 25.1 20.9 07 32 20.0 2L.8 31 29 226 00 1.1 6551945 340278234 挂=1,=256-03-a56-010) 对于粗糙系数较低的明果(0.010≤R≤0.015)，经研究，式(5.1)的y=石，与曼