【正文】 （6—16）臨界底坡的計(jì)算見例題。實(shí)際工程中，由于邊界條件的變化，往往造成明渠前一段渠道水流流態(tài)與后一段渠道的水流流態(tài)不同，這就提出了不同流態(tài)的水流之間如何銜接過渡的問題。它只是我們研究明渠水流時(shí)一個(gè)參考水深，不一定真實(shí)存在，只可能在某些場合表現(xiàn)出來，但其本身對明渠水力學(xué)問題的研究卻具有重要的意義。矩形斷面明渠臨界水深的計(jì)算公式(615)。這也說明了借助比能曲線可以判斷水流流態(tài)。比能最小的極值點(diǎn)將比能曲線分成了上下兩支。這就說明在斷面形狀尺寸及流量一定的條件下，斷面比能只是水深的函數(shù)。需要注意：斷面比能與過水?dāng)嗝嫔蠁挝恢亓康囊后w具有的總機(jī)械能之間存在一個(gè)差值，這個(gè)差值正好就是兩個(gè)基準(zhǔn)面之間的高差。斷面比能Es是以通過明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)的單位重量水體所具有的總機(jī)械能，可表示為 （6—12）當(dāng)斷面的形狀、尺寸和流量一定的時(shí)候，Es只是水深h的函數(shù)。（2）明渠水流流態(tài)判別數(shù)——弗汝德數(shù)Fr。當(dāng)水流的速度v小于干擾波的傳播速度vw ，即干擾波能夠向上游傳播，這時(shí)水流為緩流；當(dāng)水流的速度v大于干擾波的傳播速度vw ，即干擾波不能夠向上游傳播，這時(shí)水流為急流；當(dāng)水流的速度v等于干擾波的傳播速度vw ，這時(shí)干擾波也不能夠向上游傳播，其水流為臨界流。（2）確定渠道的糙率n，（3）進(jìn)行渠道斷面尺寸的設(shè)計(jì)（包括正常水深h0、渠道底寬b和底坡i的計(jì)算）。（3）允許流速允許流速是為了保證渠道安全穩(wěn)定地運(yùn)行，在流速上的限制。實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面既符合水力最佳斷面的要求，又能適應(yīng)各種具體情況的需要。但一些山區(qū)石渠、渡槽、涵洞等都是按水力最佳斷面設(shè)計(jì)的，在山高坡陡處修建盤山渠道，為了避免大量削坡，有時(shí)甚至采用比水力最佳斷面還要窄深的斷面形式。在實(shí)際工程中，對于流量較大的渠道，通常按水力最佳斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的是窄深式渠道。應(yīng)當(dāng)指出，以上所得出的水力最佳斷面的條件，只是從水力學(xué)角度考慮的。（2）水力最佳斷面當(dāng)過水?dāng)嗝婷娣e一定，渠道能夠通過最大流量的斷面形狀；或者說通過的流量一定，所需過水面積最小的斷面稱為水力最佳斷面。例如混凝土；漿砌石左右；土渠，更為詳細(xì)的資料可參考其它資料。例如，蘇北淮沭河在規(guī)劃階段選定的粗糙系數(shù)，竣工后實(shí)測粗糙系數(shù)，但河道的過流能力卻比設(shè)計(jì)情況減少了11%，最后不得不加高堤岸。明渠表面材料愈光滑，粗糙系數(shù)愈小，相應(yīng)的水流阻力也小，在其它條件不變的情況下，通過的流量就愈大。 （6—9）（1）粗糙率n糙率n是反映渠道邊界和水流對阻力影響的綜合參數(shù)，影響n值的因素很多，確定n值主要依靠經(jīng)驗(yàn)的積累和實(shí)驗(yàn)。即水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。（4）掌握明渠底坡的定義，明渠有三種底坡：正坡（i＞0）平坡（i=0）和逆坡（i＜0。 式中，、為渠道進(jìn)口和出口的槽底高程；為渠道進(jìn)口和出口間的流程長度；為底坡線與水平線之間的夾角。該鉛垂面與水面的交線稱為水面線。在非棱柱體明渠中，過水?dāng)嗝婷娣e除隨水深變化外，還隨流程變化，即。棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不變的長直明渠。明槽非均勻流根據(jù)其流線不平行和彎曲的程度，又可以分為漸變流和急變流。本章有4個(gè)重點(diǎn)：明渠均勻流水力計(jì)算；明渠水流三種流態(tài)的判別；明渠恒定非均勻漸變流水面曲線分析和計(jì)算，這部分也是本章的難點(diǎn)；水躍的特性和共軛水深計(jì)算。掌握棱柱體渠道水面曲線的分類、分區(qū)和變化規(guī)律，能正確進(jìn)行水面線定性分析，了解水面線銜接的控制條件。掌握明渠水流三種流態(tài)（急流、緩流、臨界流）的運(yùn)動(dòng)特征和判別明渠水流流態(tài)的方法，理解佛汝德數(shù)Fr的物理意義。水力學(xué)教案第六章 明槽恒定流動(dòng)【教學(xué)基本要求】了解明槽水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。能進(jìn)行水躍能量損失和水躍長度的計(jì)算?！緝?nèi)容提要和教學(xué)重點(diǎn)】這一章是工程水力學(xué)部分內(nèi)容最豐富也是實(shí)際應(yīng)用最廣泛的一章。 明槽和明槽水流的幾何特征和分類（1） 明槽水流的分類 明槽恒定均勻流 明槽恒定非均勻流（包括漸變流和急變流） 明槽非恒定流明槽非恒定流一定是非均勻流。（3）棱柱體明渠和非棱柱體明渠按照明渠橫斷面形狀尺寸是否沿流程變化可將明渠分為棱柱體明渠和非棱柱體明渠兩類。非棱柱體明渠是指斷面形狀尺寸沿流程不斷變化的明渠。（4）縱斷面和底坡沿渠道中心線所做的鉛垂平面與渠底的交線稱為底坡線（渠底線、河底線），即明渠的縱斷面。底坡也稱縱坡，可用下式計(jì)算。人工渠道三種底坡類型均可能出現(xiàn)，但在天然河道中，長期的水流運(yùn)動(dòng)形成往往是正坡。c）總水頭線坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J = Js = I。（2）明渠均勻流公式明渠均勻流計(jì)算公式是由連續(xù)性方程和謝才公式組成的，即 Q = A v （6—5） （6—6）也可表示為： （6—7）曼寧公式為 （6—8）式中K是流量模數(shù)，它表示當(dāng)?shù)灼聻閕 = 1的時(shí)候，渠道中通過均勻流的流量。其中，粗糙系數(shù)對謝才系數(shù)的影響遠(yuǎn)比水力半徑大。反之，如果在設(shè)計(jì)中選定的值較實(shí)際偏小，則設(shè)計(jì)的渠道斷面尺寸必然偏小，影響渠道的過流能力，可能造成水流漫溢，另一方面，渠道中的實(shí)際流速將小于設(shè)計(jì)流速，可能引起渠道淤積。對人工渠道，多年了積累了較多的實(shí)際資料和工程經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)渠道邊界各部分的糙率不同時(shí)，應(yīng)采用綜合糙率來進(jìn)行計(jì)算?？梢宰C明，當(dāng)時(shí)，外切多邊形就為正多邊形。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，例如當(dāng)時(shí)，底寬不足水深的一半。正因?yàn)槿绱?，水力最佳斷面在工程?shí)際中的應(yīng)用有一定的局限性，實(shí)際工程中采用不多。為此，工程實(shí)際中以水力最佳斷面為基礎(chǔ)，提出了“實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面”的概念，工程中也常采用之。設(shè)計(jì)時(shí)可在此范圍內(nèi)選擇出實(shí)用經(jīng)濟(jì)的斷面，具體設(shè)計(jì)方法可參閱有關(guān)資料。明槽均勻流水力計(jì)算包括3類問題：（1）即確定已建渠道的過流能力Q，可以應(yīng)用明槽均勻流公式直接計(jì)算。（1）明渠水流的三種流態(tài)明渠水流的三種流態(tài)(緩流、急流和臨界流)是根據(jù)水流速度與液面干擾波的傳播速度的對比關(guān)系來定義的，它僅存在于明渠水流。另外我們還要注意急流、緩流與急變流、漸變流的區(qū)別，它們是不同的兩個(gè)概念，不