第十三节 非均匀流水面曲线演示实验

一、实验目的和要求

（1）通过水面曲线演示，加深对矩形水槽中非均匀渐变流的十二种水面曲线的感性认识，理解它们的特点及发生条件。

（2）观察变底坡情况下水面曲线衔接情况。

二、实验原理

（1）在可变坡的矩形有机玻璃水槽中，放置某一模拟的水工建筑物，改变不同的底坡时，在受边界条件变化的影响范围内，都会导致原有水流运动改变而形成非均匀流动。非均匀流动即可以是渐变流，也可以是急变流，而恒定渐变流的问题研究主要归结为水面曲线分析和计算，其棱柱形明槽非均匀渐变流水深沿程变化的微分方程式如下：

式中：i为底坡；是单位长度上的沿程水头损失，称水力坡度，其中C为谢才系数，R为水力半径。

（2）临界水深的确定。流量及断面形状尺寸一定的条件下，相应的断面能量最小时的水深就是临界水深。

矩形断面临界水深：

（3）临界底坡的确定。明渠均匀流正常水深h₀与临界水深h_c相等时的底坡。

式中：χ_c、C_c、B_c、h_c、R_c分别为明渠临界流时的湿周、谢才系数、槽宽、水深和水力半径；q为单宽流量；n为糙率。

（4）临界底坡确定后，保持流量不变，改变渠槽底坡，就可以形成陡坡（i>i_c）、缓坡（0<i<i_c）、临界坡（i=i_c）、平坡（i=0）、逆坡（i<0），分别在不同坡度下调节闸门开度，则可清楚地显示出十二种水面曲线。水面曲线的型式和名称见表2-13-1。

三、实验设备

设备为自循环水面线演示系统，如图2-13-1所示。实验设备由储水箱、水泵、进水控制阀、上游升降机、下游升降机、回水系统等组成。有机玻璃制成的活动水槽，分为上下两段，每段长度均为3.0m，宽度b为0.078m，中间用转动铰链连接。每段槽身分别设有螺杆升降装置来改变底坡，坡度变化范围为±5°，可由坡度指示器读出。水流由进水管引入，用阀门调节流量。在水槽上安设平板闸门，并配有薄壁堰、实用堰，形成不同底坡与不同流态时的水面曲线。

图2-13-1 水面曲线演示仪

四、实验步骤

（1）开启进水阀门，放水入槽测定流量Q，并计算出临界水深h_c及临界底坡i_c值。调整上下游升降机构，使水槽坡度i=i_c为临界坡，并校核槽内水深应与h_c接近，此时槽中应为临界流。放下闸门①，使其开度小于h_c，即可出现C₁型和C₃型壅水曲线，如图2-13-2所示。

图2-13-2 C₁、C₃型水面曲线示意图

（2）调整上下游槽底坡度，使i₁<i_c（缓坡）和i₂>i_c（陡坡），流量Q不变，此时在水槽上游段下部出现M₂型降水曲线，在下游段的上部出现S₂型降水曲线，M₂型和S₂型两段曲线通过h_c相衔接。M₂型曲线的上游趋向水槽上游段正常水深h₀₁，S₂型曲线的下游趋向水槽下游段正常水深h₀₂，如图2-13-3所示。

图2-13-3 M₂、S₂型水面曲线示意图

（3）在相同底坡i₁和i₂情况下，放下闸门①、闸门②、闸门③，使其相应的闸门开度分别小于h₀₁和 h₀₂，此时在水槽上游段可以出现M₁和M₃型壅水曲线，在水槽下游段出现S₁和S₃型壅水曲线，如图2-13-4所示。

图2-13-4 M₁、M₃、S₁、S₃型水面曲线示意图

（4）调整水槽底坡使i₁=0和i₂<0，将所有闸门打开，此时便可出现H₂和A₂型降水曲线，如图2-13-5所示。

图2-13-5 H₂、A₂型水面曲线示意图

（5）在相同底坡情况下，放下闸门①和闸门②，使其开度都小于h_c，此时便可出现H₃和A₃型壅水曲线，如图2-13-6所示。

图2-13-6 H₃、A₃型水面曲线示意图

（6）可以通过计算作出流量与临界底坡关系图，便于在实验中根据流量确定临界底坡值，该实验也可作为设计型实验用以培养学生的设计能力。图2-13-7为根据实验室设备作出的流量与临界底坡关系图。

图2-13-7 流量、临界底坡关系

五、注意事项

（1）在使用升降机构调节槽底坡度时，应注意升降机构的旋转方向，否则易损坏机械。

（2）水槽及闸门均由有机玻璃制作，在调节闸门开度时，不宜用力过大，以免损伤设备。

（3）量测水深时，应注意精度，在水深变化较大处，所取断面间距不宜过大。

六、思考题

（1）当改变槽中流量，临界水深及临界底坡的数值是否发生变化？

（2）临界水深h_c的影响因素有哪些？临界坡度i_c的影响因素有哪些？

（3）在该实验中，将底坡调整成为平坡或者负坡时，是否具有正常水深线N-N？为什么？

七、讨论分析题

（1）通过该实验观察水跃和水跌现象，分别说明产生现象的原因。

（2）在该实验中，测量流量的方法有哪些？请具体说明测量步骤。