水利明渠均勻流施工設(shè)計分析

楊會英

【摘要】近年來，我國水利工程建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展。盡管我國的水利事業(yè)取得了不小的進(jìn)步，但是，我國的水利工程施工設(shè)計還有許多地方需要進(jìn)一步研究。比如，水利明渠均勻流與非均流就是一個值得我們深入研究的課題之一。這個課題的研究，對于水庫、河流水利工程、城市供水、農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)等施工過程中明渠的設(shè)計和施工有重要的影響。本文分析了當(dāng)前水利明渠均勻流施工設(shè)計中的各種原理與技術(shù)，就水利明渠設(shè)計施工提出了建議。

【關(guān)鍵詞】水利明渠；均勻流；施工設(shè)計

明渠均勻流受各種因素的影響。包括渠道斷面、大小、渠道粗糙程度有關(guān)，甚至渠道中構(gòu)筑物（繞軸轉(zhuǎn)動細(xì)長板）的設(shè)置角度和放置深度都會對明渠均勻流帶來一定的影響。為了獲得明渠水流運動的各種數(shù)據(jù)，必須首先了解明渠的各種因素以及其對水流運動的影響。最終在明渠的設(shè)計和施工中取得突破。

1、水利明渠均勻流概況

1.1、水利明渠均勻流的定義

在明渠中，如果明渠水流中動態(tài)參數(shù)沒有隨著時間的變化而發(fā)生變化，我們把這種現(xiàn)象叫做明渠恒定流；反之，如果各種要素變化劇烈，就是明渠的非恒定流。明渠均勻流一般是指水流在明渠流動過程中，水流流線呈一種平行的直線狀態(tài)，且水深、斷面流速均值保持不變。

1.2、明渠均勻流的特點

鑒于明渠均勻流的特殊狀態(tài)，因此，它具有以下兩個特點：

（1）過水?dāng)嗝娴膸缀畏植?、大小及深度基本不變?/p>

（2）過水?dāng)嗝娴恼w流速、平均流速保持不變；水流中蘊含的勢能修正能力及流速水頭也保持穩(wěn)定。

這種明渠水流形成是有特殊原因的，即底坡為常數(shù)的正坡棱柱形渠道、光滑度沿程不變、無構(gòu)筑物干擾、水流為恒定流、流量沿程不變。明渠均勻流是重力和阻力相平衡時的流動，其動能保持不變，水流自身勢能的消耗產(chǎn)生的水頭損失。其特性是總水頭線、水面線與渠道底坡線為互相平行的直線，水力坡度和渠道底坡相等。

1.3、產(chǎn)生條件

在水利明渠均勻流的研究中，其形成條件也是有許多要求的。首先明渠中的水流應(yīng)該是恒定流，或者接近恒定流。因為非恒定流的水流會產(chǎn)生波動，無法實現(xiàn)水流流線的直線狀態(tài)；其次要保證沒有其他渠道的水量匯入或者分流；第三渠道的光滑程度以及渠道橫斷面的形狀不能出現(xiàn)大的變化；最后要保證渠道中不能出現(xiàn)障礙物對水流形成阻礙。

由于明渠的功能設(shè)計不一，總會在渠道內(nèi)建立各種功能性設(shè)施，使得大多數(shù)明渠在嚴(yán)格意義上是非均勻流。為了方便進(jìn)行明渠均勻流的研究，我們一般認(rèn)為，在保證渠道一定長度的前提下，部分河段或者構(gòu)筑物之間的水流只要大體符合均勻流形成條件，就可以近似的視為均勻流。如果是天然河道，由于斷面的影響，形成均勻流的可能性較低。但是遇見水流沖擊力較強、切面較為平整的河道時，也可以視同明渠均勻流。

2、水利明渠的技術(shù)要點

2.1、明渠橫斷面的概況

明渠可以分為人工明渠、天然明渠和排水管道。人工的明渠形狀，通常都是按照對稱狀的幾何圖形進(jìn)行設(shè)計。常見的有圓形明渠、矩形明渠、梯形明渠等。天然河道的橫斷面正好相反，一般是不規(guī)則的形狀。

在水利明渠的設(shè)計過程中，泄洪溝、水渠最常用的是梯形或者矩形明渠設(shè)計；地下排水管在設(shè)計容量和流量的時候通常留有一定空間，這樣做主要是為了容納水中揮發(fā)出的各種氣體，防止爆炸破壞。在土質(zhì)地基上施工時，經(jīng)常選擇梯形橫斷面，工程具體的尺寸應(yīng)該根據(jù)土壤的類型以及表面保護(hù)情況設(shè)定；在巖石地形上開鑿明渠時，使用矩形橫斷面會更方便一點。在工程設(shè)計和施工中，要注意全面考慮地形、地質(zhì)條件等因素進(jìn)行綜合設(shè)計。在不同的渠段和功能上，對于橫斷面形狀、大小底坡等選擇也不盡相同。

棱柱體渠道指的是明渠的斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，又叫做無彎曲渠道。由于這種渠道減少了各種因素的阻礙和影響，更容易形成水流直線，這也是形成均勻流的前提。

2.2、明渠中細(xì)長板開啟角度的設(shè)計

眾所周知，將一個物體置于流水中，會與水流相互摩擦，產(chǎn)生摩擦阻力和壓差阻力，從而降低水流的速度。在棱柱體明渠中設(shè)立構(gòu)筑物會增加摩擦阻力；在彎曲明渠中放置構(gòu)筑物會增加水流的壓差阻力。物體的迎水面會受到一定的附加壓強，背水面則會出現(xiàn)一個小型的低壓回流漩渦，這種設(shè)施（細(xì)長板）受壓差作用，會對水流速度有一定的影響。水壩、泵站等水利工程的明渠施工中經(jīng)常會用到類似壩門等節(jié)流閉鎖設(shè)施，而且會有一定的設(shè)置角度，這個角度的大小以及深度對明渠是否形成均勻流有重大的影響。

經(jīng)過水利工程師不斷的實踐，并參考國內(nèi)外的相關(guān)理論書籍，水利明渠的施工中，細(xì)長板的開啟角度與明渠均勻流流量和流速有一定的對應(yīng)關(guān)系，，明渠均勻流流量增加 ，平均水深與斷面平均流速也會隨之增加，細(xì)長板傾斜度也隨之增加。這對測算明渠均勻流的流量，進(jìn)行明渠功能與承載力的實際有重要的指導(dǎo)作用。對水利明渠橫斷面進(jìn)行準(zhǔn)確的尺寸設(shè)計之后，結(jié)合科學(xué)的設(shè)備安裝，就可以根據(jù)細(xì)長板的傾斜度測算整個水利明渠大體的功能參數(shù)以及使用和維護(hù)時間。

上文提到的理論和研究內(nèi)容，只限于明渠均勻流或者接近明渠均勻流的渠道，適用于梯形、矩形等幾何橫斷面。但在實際施工過程中，受各種因素限制，明渠的工程多數(shù)是非均勻流的渠道，這就需要參考其他具體的影響因素進(jìn)行綜合設(shè)計了。對此，還需進(jìn)行更深入的研究與實踐。

2.3.水躍

當(dāng)水流因某種原因產(chǎn)生急流，明渠中尾門關(guān)小后，會造成下游水量增加，形成局部緩流，自上而下的急流就會越過這片區(qū)域。這種水流流速突然減緩，造成水面的迅速增高的現(xiàn)象就叫做水躍。

水利明渠均勻流設(shè)計中，不可避免的需要考慮水躍現(xiàn)象帶來的各種影響。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)表明，水躍前后的水流動能相差接近一半，水躍現(xiàn)象的出現(xiàn)，不僅能夠完成渠道的鏈接，還是一種重要的消能手段。水躍的能量變化與水躍存在的環(huán)境有關(guān)，與水深、流速的波動緊密相連，因此，計算水躍動能，需要用動量方程進(jìn)行計算。

結(jié)論：

總之， 水利明渠施工設(shè)計的發(fā)展，正在改變著水利工程建設(shè)的方式，同時也提高了施工的效率，增強了施工單位的專業(yè)性。所以，我們要不斷加強理論研究和實際實踐，完善各種情況下的設(shè)計方案，提高施工和設(shè)計的科學(xué)性、實用性，適應(yīng)地方政府和人民群眾對水利工程建設(shè)的需要，推動我國水利工程不斷向前進(jìn)。

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