明渠水力學(xué)

明渠包括棱柱形斷面的人工渠道和非棱柱形的天然河道。明渠水流分為兩大類：水力因素(水深、流速、比降等)不隨時間而變化的為明渠恒定流(亦稱定常流);水力因素隨時間而變化的為明渠不恒定流(亦稱非定常流)。

天然河渠中的水流幾乎都是時間上不恒定和空間上非均勻的流動，如：暴雨形成的徑流;河渠中洪水波運(yùn)動(伴有河床沖淤變化的洪水演進(jìn)問題);堤壩失事后的潰壩波;庫岸或江岸滑坡激起的涌浪;海濱的潮汐、海嘯;水電站或水泵站啟閉過程中，上下游引水渠中水位、流量的變化;通航建筑物及灌溉系統(tǒng)充泄水時變水頭出流等都屬明渠不恒定流。 2100433B

研究重力作用下具有自由面的河渠水流運(yùn)動規(guī)律，是水力學(xué)的分支學(xué)科。明渠水流的特點(diǎn)是具有自由水面。明渠水力學(xué)的研究內(nèi)容當(dāng)上游來流量變化或河渠斷面形狀、邊壁糙度和渠底坡度變化，或下游控制條件改變，以及其他外來擾動加之于水面時，明渠內(nèi)形成的各種形式的水面線(水深)及斷面流速分布等。

水力因素不隨時間變化，但隨沿程變化，又分為漸變流和急變流兩種。

(1)恒定漸變。

(2)恒定急變流。常見的明渠過渡流態(tài)有：從緩流到急流的過渡(如跌水、堰流等);從急流到緩流的過渡(如水躍);變寬度河渠中的流動;彎道水流(急流時可見沖擊波)等。明渠急變流常是三維流動，伴有明顯的能量損失，宜用動量原理或通過模型試驗(yàn)解決。

水力學(xué)是研究液體機(jī)械相關(guān)特性的學(xué)科，是流體力學(xué)的一部分。早期研究水力學(xué)的包括古希臘的發(fā)明家希羅（Hero of Alexandria）及克特西比烏斯(Ctesibius)，不過他們對于實(shí)際應(yīng)用的研究較少。古代居住在斯里蘭卡的僧伽羅人就已經(jīng)開始應(yīng)用水力學(xué)的原理。在二千年前他們就利用 valve tower(valve pit"_blank" href="/item/灌溉系統(tǒng)">灌溉系統(tǒng)。當(dāng)時的斯里蘭卡也有提供家庭園藝及農(nóng)業(yè)的水力系統(tǒng)、也有相關(guān)的排水系統(tǒng)、水土保持，水力也用在裝飾、娛樂及冷卻系統(tǒng)中。

Benedetto Castelli是近代水力學(xué)奠基人之一，他是伽利略的學(xué)生。

流體力學(xué)提供了水力學(xué)的理論基礎(chǔ)，其聚焦與流體特性在工程上的應(yīng)用。水力學(xué)主題涵蓋很多理學(xué)工程學(xué)原理和概念，例如管流、水壩設(shè)計、流線控制、泵、渦輪、水電、流體動力學(xué)計算、流量測量、河流河道特性和侵蝕等等。

• 供水系統(tǒng)

• 廢水處理

• 液壓機(jī)械

• 液壓網(wǎng)絡(luò)

• 液壓流體

河道、渠道、水工無壓隧洞及非滿流管道中的水流等都屬于明渠水流。由于水面上僅作用著大氣壓強(qiáng)，所以又叫無壓流動。渠道的設(shè)計、河道筑壩壅水長度及淹沒損失的計算、洪水演進(jìn)推算等，都必須運(yùn)用明渠水力學(xué)的知識。

明渠水流流動中，重力作用占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著邊界條件的不同，在一定的流量條件下，水面位置可以發(fā)生變化，因而引起過水?dāng)嗝娲笮〖捌淞鲃有螒B(tài)的不同，這是區(qū)別于優(yōu)雅流動的一個重要特點(diǎn)。

明渠包括棱柱形斷面的人工渠道和非棱柱形的天然河道。明渠的渠底高程沿程降低為正底坡；渠底沿程抬高為反底坡或逆坡；沿程不變?yōu)槠降灼?。根?jù)明渠中水流根據(jù)某空間點(diǎn)上運(yùn)動要素是否隨時間變化可將明渠水流分為兩大類:水力因素(水深、流速、比降等)不隨時間而變化的為明渠恒定流(亦稱定常流)；水力因素隨時間而變化的為明渠非恒定流(亦稱非定常流)。

1） 明渠恒定流：

分為兩類:水力因素沿程不變的為恒定均勻流;水力因素沿程變化的為恒定非均勻流。

恒定均勻流：水力因素不隨時間和沿程而改變。常用謝才(A.Chezy)公式表達(dá)。

恒定非均勻流：水力因素不隨時間變化,但隨沿程變化,又分為漸變流和急變流兩種。對于恒定急變流，常見的明渠過渡流態(tài)有：從緩流到急流的過渡(如跌水、堰流等)；從急流到緩流的過渡(如水躍)；變寬度河渠中的流動;彎道水流(急流時可見沖擊波)等。明渠急變流常是三維流動，伴有明顯的能量損失，宜用動量原理或通過模型試驗(yàn)解決。

2） 明渠非恒定流

天然河渠中的水流幾乎都是時間上不恒定和空間上非均勻的流動，如:暴雨形成的徑流；河渠中洪水波運(yùn)動(伴有河床沖淤變化的洪水演進(jìn)問題)；堤壩失事后的潰壩波；庫岸或江岸滑坡激起的涌浪；海濱的潮汐、海嘯；水電站或水泵站啟閉過程中，上下游引水渠中水位、流量的變化；通航建筑物及灌溉系統(tǒng)充泄水時變水頭出流等都屬明渠非恒定流。