水利明渠均勻流及水躍與水跌施工設(shè)計(jì)分析

摘要：水利工程是利國利民的基礎(chǔ)設(shè)施，為人們的日常生活提供了極大的便利。本文對水利工程中的明渠均勻流施工設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。明渠的恒定流指的是明渠水流不會(huì)隨時(shí)間變化而發(fā)生變化，在明渠的恒定流當(dāng)中，水流的流線假定是一條直線，并且水深以及明渠斷面水流速也不發(fā)生變化時(shí)就是明渠恒定均勻流，本文對明渠均勻流及水躍與水跌施工設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹，以便為水利工程的施工設(shè)計(jì)提供一定的作用。

關(guān)鍵詞：水利明渠；均勻流；水躍與水跌；施工設(shè)計(jì)

明渠水流動(dòng)的主要影響因素為明渠斷面尺寸、性質(zhì)以及底坡等，為了研究明渠均勻流的施工設(shè)計(jì)，也需要對水流運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行研究，分析明渠類型，針對不同類型明渠對水流產(chǎn)生的影響，然后再進(jìn)行有針對性的施工設(shè)計(jì)工作，為水利工程的建設(shè)實(shí)施提供依據(jù)。

1、明渠縱橫斷面的變化分析

明渠橫斷面的形狀一般都呈現(xiàn)為對稱的幾何形狀，明渠形狀在施工中大多都是矩形、圓形以及梯形等形狀，同樣還有不規(guī)則形狀的明渠，大多都是天然的河渠，如下圖所示：

（a）梯形斷面的明渠；（b）圓形斷面的明渠；（c）天然明渠

水利工程中的排水管正常狀態(tài)下都是非滿流的，這也使得水渠中污廢水含有的有毒氣體等能夠通過正常的渠道排送出去，通常狀況下，排洪溝及雨水溝設(shè)計(jì)都是選擇梯形或是矩形的形狀。如果明渠的地基為土質(zhì)地基時(shí)，斷面選擇為梯形，明渠兩側(cè)傾斜度選擇為m（m=ctga），當(dāng)渠道的水深每增大1m，則梯形的寬度隨系數(shù)的增大而增加，邊坡系數(shù)則是根據(jù)地基土質(zhì)的情況以及護(hù)面確定的。如下表所示。

矩形斷面一般都是采用條石砌筑的，通?；炷撩髑嗝嬉策x擇矩形。由于地形及地質(zhì)條件的影響，同一條的明渠在經(jīng)過不同的地質(zhì)環(huán)境下，明渠的斷面尺寸、形狀等都是不同的。這也將其分為棱柱體及非棱柱體兩種渠道，前者的斷面尺寸、形狀等都是相同的，并且渠道無彎曲；后者則是根據(jù)渠道的改變，明渠的斷面尺寸及形狀等隨之發(fā)生改變。

由于非棱柱體渠道的斷面尺寸及形狀等都發(fā)生改變，也使得水流的流線不是直線，所以水流也不是均勻流動(dòng)，因此，只有棱柱體明渠才是均勻流的渠道。

2、明渠底坡

明渠底坡即渠底縱向傾斜角度，分為順坡、平坡以及逆坡等三種。明渠底部高程逐漸降低為順坡，當(dāng)渠底沒有坡度時(shí)為平坡，當(dāng)渠底高程逐漸增加時(shí)為逆坡明渠，只有渠底為順坡時(shí)才能夠產(chǎn)生均勻的水體流動(dòng)。

3、明渠均勻流形成的基本條件分析

3.1、明渠均勻流特性

明渠水體的均勻流的流線為一簇平行直線，它具有這么幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）明渠水體的過水?dāng)嗝娉叽?、形狀以及水深處于不變的狀態(tài)；（2）明渠水體的流動(dòng)速度以及斷面平均流速始終處于勻速狀態(tài)，這也使得水流的流速沿程都不會(huì)發(fā)生變化，包括水流的修正系數(shù)。

3.2、均勻流條件

根據(jù)明渠水體均勻流特點(diǎn)的分析，形成均勻流需要下面的條件：（1）明渠中水流必須為恒定流，如果水體的流動(dòng)為非恒定流，必然會(huì)在明渠中產(chǎn)生波浪，造成水體的流線產(chǎn)生彎折，不能形成平行直線。（2）明渠中的水流量沿線不會(huì)發(fā)生變化，也就是明渠沒有支流的分出及匯入。（3）渠道的橫斷面形狀必須選擇為規(guī)則的棱柱形順坡明渠，滿足這兩個(gè)條件才可能是均勻流的明渠。（4）明渠渠側(cè)壁及底板粗糙系數(shù)整個(gè)不會(huì)發(fā)生變化。（5）明渠的橫斷面尺寸及形狀沿線沒有變化。（6）明渠渠道在沿線沒有閘門、水壩等構(gòu)筑物，避免對水流造成影響。

明渠均勻流顯然在實(shí)際操作中是存在很多困難的，很多條件并不能達(dá)到理想狀態(tài)，尤其是許多明渠中設(shè)置有各種的構(gòu)筑物，這也造成對渠道中水體造成一定干擾形成了非均勻流。但是，我們在棱柱體順坡的明渠渠道中水流狀態(tài)如果流量在沿線不發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)渠道長度達(dá)到一定條件，渠道進(jìn)出口以及距離構(gòu)筑物一定長度的渠道中，水體流動(dòng)我們可以視為均勻流。如圖所示：

渠道中的均勻流劃分

在水利工程中，一般都將上圖所示區(qū)域視為均勻流。對于天然河道來說，由于渠道斷面尺寸、粗糙系數(shù)以及坡度等都會(huì)隨渠道的延伸而發(fā)生改變，一般都沒有均勻流。當(dāng)河流比較順直并且整齊時(shí)，并且其他條件也近似時(shí)，我們也將這種天然河道視為均勻流。

4、水躍與水跌現(xiàn)象

4.1、水躍

水躍屬于水利工程中的一種水力現(xiàn)象，指的是在較短的渠段內(nèi)水深從小于臨界水深急劇地躍到大于臨界水深，也就是明渠中的水流由急流狀態(tài)過度到緩流狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊水力現(xiàn)象。通過尾門控制下游水深度，將水流速度變緩慢，這個(gè)水流速度從急到緩的過程也就形成了水躍現(xiàn)象。水躍現(xiàn)象的過程也是渠道中水深以臨界水深為界限從小變大的一個(gè)過程，渠道中的水面從較低的高度急速變化為較高的高度的一個(gè)現(xiàn)象。我們通過大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，水躍現(xiàn)象中躍前的水能在水躍后能夠降低一半以上，并且水躍的深度越大，水流中能量損失也就越大。這也被利用到水利工程中的消能措施當(dāng)中，屬于水流的銜接方式。

正因?yàn)樗S現(xiàn)象存在兩個(gè)水深，我們將兩個(gè)水深進(jìn)行一一對應(yīng)，稱之為共軛水深。兩個(gè)水深的高差也就是水躍高度，水躍水力計(jì)算需要計(jì)算兩個(gè)值，一個(gè)是水躍深度，另一個(gè)則是水躍的長度。

水躍區(qū)域中的水體流動(dòng)非常紊亂，這也使得水力計(jì)算不能通過正常的方程式來進(jìn)行能量的計(jì)算以及水能損失的大小。水躍現(xiàn)象中水深度與水躍前后變化關(guān)系比較大，并且同水流速有很大的關(guān)系，水躍前與水躍后的壓力是不同的，并且水流能量的下降也使得水體流動(dòng)速度降低，因此，我們可以采用動(dòng)量方程來進(jìn)行水力計(jì)算。

4.2、水跌

水跌現(xiàn)象屬于水力現(xiàn)象的另外一種，它與水躍現(xiàn)象是截然不同的。我們可以通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析，當(dāng)渠道中的水流過坎后會(huì)發(fā)生自由落體運(yùn)動(dòng)，水體受到的重力影響要比阻力大的多，這也會(huì)使得跌坎上游的水面急劇下降，同時(shí)水流以臨界流的狀態(tài)快速通過突變段，水流速也從緩慢的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)化為急速，形成了水跌現(xiàn)象。

水跌現(xiàn)象使得明渠中的水流速從緩慢轉(zhuǎn)化為急速，水深度變化為以臨界水深為界限從大到小的一個(gè)突變過程，水面從急劇到平緩的下落狀態(tài)也就是水跌現(xiàn)象。根據(jù)突變處給定的流量大小，能夠繪出水跌曲線圖。水跌現(xiàn)象中，跌坎的水深由于受到重力作用的影響，最低只能達(dá)到臨界水深，因此，在跌坎部位的水流斷面比為最小值，也證明跌坎的極限水深度為臨界水深。

水跌的水力計(jì)算是從漸變流的基礎(chǔ)中計(jì)算得出的。跌坎處水流一般都很彎曲，屬于急變流，所以，在根據(jù)理論計(jì)算時(shí)是與實(shí)際存在一定偏差的。通過實(shí)驗(yàn)證明，渠道的臨界水深一般都在跌坎的上游處，距離理論位置相差不多，因此，我們認(rèn)為水流條件突然發(fā)生變化的位置也就位于跌坎的斷面處。

總結(jié)

水利明渠的均勻流施工設(shè)計(jì)需要對明渠的橫斷面尺寸、形狀以及產(chǎn)生條件等進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算其水力條件，才能進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)施工。均勻流僅僅是存在于理論狀態(tài)下，但是，我們可以將條件近似相同的以均勻流條件進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，保證水利明渠的設(shè)計(jì)施工符合要求，滿足人們的使用。

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