明渠水力学

明渠包括棱柱形断面的人工渠道和非棱柱形的天然河道。明渠水流分为两大类：水力因素(水深、流速、比降等)不随时间而变化的为明渠恒定流(亦称定常流);水力因素随时间而变化的为明渠不恒定流(亦称非定常流)。

天然河渠中的水流几乎都是时间上不恒定和空间上非均匀的流动，如：暴雨形成的径流;河渠中洪水波运动(伴有河床冲淤变化的洪水演进问题);堤坝失事后的溃坝波;库岸或江岸滑坡激起的涌浪;海滨的潮汐、海啸;水电站或水泵站启闭过程中，上下游引水渠中水位、流量的变化;通航建筑物及灌溉系统充泄水时变水头出流等都属明渠不恒定流。 2100433B

研究重力作用下具有自由面的河渠水流运动规律，是水力学的分支学科。明渠水流的特点是具有自由水面。明渠水力学的研究内容当上游来流量变化或河渠断面形状、边壁糙度和渠底坡度变化，或下游控制条件改变，以及其他外来扰动加之于水面时，明渠内形成的各种形式的水面线(水深)及断面流速分布等。

水力因素不随时间变化，但随沿程变化，又分为渐变流和急变流两种。

(1)恒定渐变。

(2)恒定急变流。常见的明渠过渡流态有：从缓流到急流的过渡(如跌水、堰流等);从急流到缓流的过渡(如水跃);变宽度河渠中的流动;弯道水流(急流时可见冲击波)等。明渠急变流常是三维流动，伴有明显的能量损失，宜用动量原理或通过模型试验解决。

水力学是研究液体机械相关特性的学科，是流体力学的一部分。早期研究水力学的包括古希腊的发明家希罗（Hero of Alexandria）及克特西比乌斯(Ctesibius)，不过他们对于实际应用的研究较少。古代居住在斯里兰卡的僧伽罗人就已经开始应用水力学的原理。在二千年前他们就利用 valve tower(valve pit"_blank" href="/item/灌溉系统">灌溉系统。当时的斯里兰卡也有提供家庭园艺及农业的水力系统、也有相关的排水系统、水土保持，水力也用在装饰、娱乐及冷却系统中。

Benedetto Castelli是近代水力学奠基人之一，他是伽利略的学生。

流体力学提供了水力学的理论基础，其聚焦与流体特性在工程上的应用。水力学主题涵盖很多理学工程学原理和概念，例如管流、水坝设计、流线控制、泵、涡轮、水电、流体动力学计算、流量测量、河流河道特性和侵蚀等等。

• 供水系统

• 废水处理

• 液压机械

• 液压网络

• 液压流体

河道、渠道、水工无压隧洞及非满流管道中的水流等都属于明渠水流。由于水面上仅作用着大气压强，所以又叫无压流动。渠道的设计、河道筑坝壅水长度及淹没损失的计算、洪水演进推算等，都必须运用明渠水力学的知识。

明渠水流流动中，重力作用占据主导地位。随着边界条件的不同，在一定的流量条件下，水面位置可以发生变化，因而引起过水断面大小及其流动形态的不同，这是区别于优雅流动的一个重要特点。

明渠包括棱柱形断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为正底坡；渠底沿程抬高为反底坡或逆坡；沿程不变为平底坡。根据明渠中水流根据某空间点上运动要素是否随时间变化可将明渠水流分为两大类:水力因素(水深、流速、比降等)不随时间而变化的为明渠恒定流(亦称定常流)；水力因素随时间而变化的为明渠非恒定流(亦称非定常流)。

1） 明渠恒定流：

分为两类:水力因素沿程不变的为恒定均匀流;水力因素沿程变化的为恒定非均匀流。

恒定均匀流：水力因素不随时间和沿程而改变。常用谢才(A.Chezy)公式表达。

恒定非均匀流：水力因素不随时间变化,但随沿程变化,又分为渐变流和急变流两种。对于恒定急变流，常见的明渠过渡流态有：从缓流到急流的过渡(如跌水、堰流等)；从急流到缓流的过渡(如水跃)；变宽度河渠中的流动;弯道水流(急流时可见冲击波)等。明渠急变流常是三维流动，伴有明显的能量损失，宜用动量原理或通过模型试验解决。

2） 明渠非恒定流

天然河渠中的水流几乎都是时间上不恒定和空间上非均匀的流动，如:暴雨形成的径流；河渠中洪水波运动(伴有河床冲淤变化的洪水演进问题)；堤坝失事后的溃坝波；库岸或江岸滑坡激起的涌浪；海滨的潮汐、海啸；水电站或水泵站启闭过程中，上下游引水渠中水位、流量的变化；通航建筑物及灌溉系统充泄水时变水头出流等都属明渠非恒定流。