注册岩土工程师考试 流体力学 管流明渠流及渗流.docx

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注册岩土工程师考试流体力学管流明渠流及渗流

流 体力 学

第四讲 管流、明渠流及渗流

【内容提要】

孔口自由、淹没出流，管嘴出流，收缩断面，流量系数，短管水力计算及特例，串

联、并联长管水力计算。

明渠均匀流产生的必要条件及均匀流特性，谢才公式、满宁公式，明渠均匀流水力计算，最佳水力断面设计。

渗流模型，渗透系数，达西定律，裘布依假设，潜水井计算公式。

【重点、难点】

孔口自由、淹没出流，管嘴出流；达西定律，裘布依假设，潜水井等计算

【内容讲解】

一、孔口、管嘴出流、有压管道恒定流

1、薄壁小孔口恒定出流

   流体经孔口流出称为孔口出流。

如图3-4-1。

当容器中水位（或压强）不变，孔口的出流量恒定时，称为恒定出流。

当容器壁比较薄，或孔口具有锐缘时，孔口的壁厚对出流没有干扰作用，称为薄壁孔口。

流体从容器的四面八方流向孔口，流线成光滑曲线向孔口集中，在孔口断面上流线不相平行，继续收缩至距孔口断面d/2（d为孔口直径）处流线才趋于平行，此断面称为收缩断面，即图3-4-1中断面c-c。

收缩断面的面积A，小于孔口面积A,

3、有压管道恒定流

   液体充满整个管道断面，管壁处处受到液流的压强作用，此压强一般不等于大气压强，这种流动称有压管流。

当管流中各运动要素均不随时间变化，则称为有压管道恒定流。

其中也包括了不考虑压缩性的气体在管道中的恒定流动。

有压管道恒定流的水力计算主要是确定管道中通过的流量；确定相应的水头；确定某断面的压强或压强沿管线的变化。

根据布置不同，可分为简单管道，串并联管道。

（三）并联管道

二、明渠恒定均匀流

天然河道和输水渠、排水沟、无压涵洞等人工渠道以及不满流管道中的水流称为明渠水流。

它们都具有自由表面，表面上各点压强一般都等于大气压强，相对压强为零。

所以明渠水流又称为无压流动。

与有压管流是不同的。

明渠水流的运动要素不随时间变化的称为明渠恒定流；沿流线不变化的称为明渠均匀流，反之则称为明渠非恒定流和非均匀流。

明渠水流在渠道中流动，受到渠道横断面和渠道底坡的制约。

渠道横断面的形状、尺寸沿程不变的称为棱柱形渠道，棱柱形渠道中水流的过水断面的大小只随水深变化。

横断面的形状或尺寸沿程有改变的则称为非棱柱形渠道。

渠道底部高程沿水流方向的变化用底坡表示。

如图3-4-6（）所示：

1、明渠均匀流的形成条件和水力特征

形成明渠均匀流的条件：

长而直的棱柱形渠道；底坡i>0，且保持不变；渠道的粗糙情况沿程没有变化；渠中水流为恒定流，且沿程流量不变。

只有满足以下全部条件，才会形成明渠均匀流。

明渠均匀流流线为平行直线，过水断面的形状、尺寸、水深、流量、断面平均流速、断面上的流速分布沿程均不变。

所以水面线与渠底平行，总水头线与水面线平行（水面线即测压管水头线），水力坡度与测压管坡度与底坡均相等。

所以明渠均匀流是在特定条件下，作用在液流上的重力和阻力相平衡的产物。

它的计算特别简单，因此虽然实际工程中常遇到明渠非均匀流，但在长直的顺坡人工沟渠中，取最大流量来校核渠道的通过能力，或按最大流量来设计断面时，按均匀流计算可以很方便地得到足够准确的结果。

2、明渠均匀流的水力计算

三、渗流

1、概述

流体在孔隙介质中的流动称为渗流。

本节主要讨论水在土壤孔隙中流动的规律。

这种渗流也

称为地下水流动。

在工程问题中，需要知道的是某一范围内渗流的平均效果，如平均渗流量、平均渗透压力等，而不需要知道土壤孔隙中渗流的详细过程，因此研究渗流时引入简化的渗流模型来替实际的渗流运动。

简化的渗流模型是：

认为渗流区内不存在土壤颗粒且为水所充满。

这样整个渗流区可以被看成是为水所充满的连续流动。

它必须满足：

①．对同一过水断面，模型的渗流量应等于真实的渗流量；②.作用于模型任意面积上的渗透压力应等于真实的渗透压力。

必须注意，渗流模型中的流速和实际渗流中的流速是不会相等的。

2、渗流的达西定律

（一）达西定律

达西分析了大量实验资料，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度成正比，并和土壤的透水性能有关。

达西建立的基本关系为：

5、大口井与基坑排水

大口井是采取浅层地下水的一种井，井径较大，大致为2～10m或更大些。

井底出水量是总出水量的一个组成部分。

由于大口井与基坑排水的性质近似，计算方法基本相同。

大口井有井壁进水和井底进水等方式，而井底进水方式往往占重要的地位。

对于井壁

进水的完全井，其出水量公式与单井同。

下面讨论井底进水的不完全井。

如图3-4-8所示大口井，井壁四周为不透水层，井底为半球形，与下层无限深的含水层紧接。

这样可以认为渗流流线是径向的，过水断面是半球面。

则