關于水利明渠均勻流的研究分析

呂麟

摘要：水流的流動狀態(tài)主要是受到明渠的尺寸、斷面形狀和底坡等因素的影響，因此如果想研究明渠中水流的運動規(guī)律.就必須先對明渠進行研究了解它是哪一種類型，并分析這種類型對水流產(chǎn)生了怎樣的影響，只有對通過調(diào)查得到的數(shù)據(jù)進行分析和研究，才能確保在進行施工設計時不會出現(xiàn)問題。結(jié)合筆者實踐工作經(jīng)驗，本文對水利明渠均勻流進行了研究分析，以供相關從業(yè)人員借鑒參考。

關鍵詞：水利明渠 均勻流 縱橫斷面 底坡 條件 特征 施工設計

所謂明渠均勻流，即滿足以下條件：水流是恒定的，流量沿程不變；正坡并且底坡沿程不變；棱柱體渠道，且糙率沿程不變；明渠必須充分直長，且渠道中沒有水工建筑物的干擾。明渠中如果水流的運動要素隨著時間的變化而變化，那么就將這種水流稱之為明渠非恒定流，反之如果明渠中的水流不因為時間的變化而產(chǎn)生變化時，這種水流就被稱作明渠恒定流。在明渠恒定流中加果水流的流線呈現(xiàn)出的狀態(tài)時一簇平行的直線.而且水深和斷面平均流速不因為流程的改變而發(fā)生變化，那么就將這種水流稱之為明渠恒定均勻流，如果水流的流線并非平行直線，那么就將這種水流稱之為明渠恒定非均勻流。以下將對明渠縱橫斷面的變化和底坡情況從而得出明渠均勻流的產(chǎn)生條件和相關特性進行闡述，以及對其施工設計的研究分析。

一、明渠的縱橫斷面變化

天然河道的橫斷面一般是呈現(xiàn)出不規(guī)則的圖形，而人工明渠的橫斷面一般是圓形、矩形或者梯形，可以看到它們呈現(xiàn)出明顯的規(guī)則，一般是對稱的幾何形狀。

在進行排水的過程中排水管一般不會出現(xiàn)滿流的情況，這主要是因為非滿流可以容納其他液體或者氣體，例如高峰流量超過了正常流量那么在非滿流的情況下，依舊可以排出而一些污廢水中釋放的有毒氣體和易燃易爆氣體，也可以在這種情況下由排水管排出。而梯形或者矩形的明渠就被運用在排洪溝和雨水溝之中。根據(jù)不同的地質(zhì)明渠會采取不同的橫斷面，如果是在土質(zhì)地基上，一般會首先考慮梯形橫斷面的明渠，河以用坡度系數(shù)m來表示兩邊與底的夾角，m代表如果渠道的水深增加了lm，那么相應的梯形的寬就要增加1m。m的大小應該根據(jù)土壤的大小和護面的情況來確定。而巖石開鑿或者兩側(cè)用條石砌筑成的渠道一般采用矩形斷面，還有混凝土渠和木渠也經(jīng)常采用矩形的斷面。

在實際的施工過程中，由于受到不同地質(zhì)地形條件的限制，或者為了使渠道能夠發(fā)揮最大效用，在了解了不同段的水流運動規(guī)律后，針對不同的情況選擇最合適的橫斷面尺寸、形狀或者坡底。如果在整個流程中斷面形狀、尺寸、底坡沒有發(fā)生任何變化，那么這種渠道成為棱柱體渠道反之則稱之為非棱柱體渠道。

二、明渠的底坡

我們把明渠渠底的縱向傾斜角度稱為底坡，明渠的底坡一般會用i這個符號來表示.如果明渠底逐漸降低，這種明渠就稱為順坡明渠，這個時候i>0，如果明渠底始終是水平狀態(tài)，那么這種明渠就稱作平坡明渠，i=0，如果明渠底隨著流程逐漸升高，那么這種明渠稱作逆婆明渠，此時i<0。均勻流一般只產(chǎn)生于順坡明渠中。

三、明渠的均勻流產(chǎn)生的條件

由于明渠均勻流具有一些特殊的性質(zhì)，因此只有具備一定的條件才能形成均勻流：首先只有恒定的水流才有可能產(chǎn)生均勻流。因為在明渠非恒定流中.必然會因為水流的急緩而出現(xiàn)波浪等情況，而非恒定流的渠道也不是標準的棱柱體，因此流線不會呈現(xiàn)出平行直線的樣子。

均勻流的流量應該在流程的每一個部分都沒有變化，既沒有支流分出也沒有支流匯入。均勻流一般只會出現(xiàn)在長而直的棱柱體順坡明渠中，非棱柱體的明渠或者非順流的明渠都不會產(chǎn)生均勻流。均勻流的粗糙系數(shù)不會隨著流程的改變而發(fā)生變化。均勻流所處的渠道的斷面形狀一般是固定不變的。均勻流所處的渠道不會受到閘門、水壩、跌水等等構(gòu)筑物的局部干擾。

上述條件較為苛刻，所以在實際的施工中也不可能有渠道能夠完全的滿足以上產(chǎn)生均勻流的條件，而且在渠道中也不是空無一物的經(jīng)常會有一些構(gòu)筑物的出現(xiàn)，可以說大部分的明渠是不存在均勻流的。但是有一些特殊情況例如順直棱柱體順坡明渠，如果它的水流的流量在全程沒有發(fā)生變化，只要渠道夠長，在距進出口、構(gòu)筑物一定距離后，就可將水流看成是均勻流。至于天然的河道，因為它們的斷面尺寸、坡度、粗糙系數(shù)很容易隨著流程而改變，因此一般不會出現(xiàn)均勻流，而如果河段相對比較順直整齊，其余條件和均勻流產(chǎn)生的條件比較接近時，我們在處理時也可以看成是均勻流。

四、明渠均勻流的特征

明渠均勻流的流線呈現(xiàn)出的形狀是兩條相互平信的直線，根據(jù)這一特性我們可以得出以下明渠均勻流的特點：

首先過水斷面具有唯一性，它的尺寸、形狀和水深不會因為流程的改變而發(fā)生變化。其次是過水斷面的流速分布、斷面平均流速也不會隨著流程的改變而發(fā)生變化，因此水流的動能修正系數(shù)和流速水頭也會保持不變。根據(jù)以上特性可以知道，明渠均勻流的所有參數(shù)基本是固定不變的，因而在進行施工設計時要充分考慮這一點，以確保水利施工的順利進行。明渠均勻流和非均勻流有著顯著的區(qū)別，因此施工前必須明確究竟是均勻流還是非均勻流，才能進行下步的工作。

五、水跌與水躍

水跌和水躍是自然界和實際施工的過程中最常見的水利現(xiàn)象。

1、水跌。過坎后水流會呈現(xiàn)出自由跌落的情況，在這種情況下重力遠遠大于阻力，因此跌坎上游的水面會出現(xiàn)急劇下降的情況，在斷面處會無限接近臨界流使得水流的速度由緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖購亩斐闪怂默F(xiàn)象。一般針對這一現(xiàn)象可以繪制出曲線加圖。如果水速較緩水深又呈現(xiàn)出不斷減小的狀態(tài)那么斷面比能就會移動。但是由于重力的限制，跌坎的水深不是無限縮小的達到臨界水深后就不在減小。進行以上計算的前提是水流屬于漸變流，而在實際情況中，跌坎處的水流并不是漸變流，而是急變流，因此計算結(jié)果和實際往往存在誤差。經(jīng)過實驗發(fā)，臨界水深往往出現(xiàn)在跌坎的上游，相距不是很遠因此可以將水流發(fā)生變化的位置限定在跌坎斷面處。

2、水躍。水躍現(xiàn)象是另外一種常見的水利現(xiàn)象，它是進行工程消能的一種有效措施，以下將簡單介紹：（1）水躍現(xiàn)象。水從明渠中的構(gòu)筑物上溢出在這一過程中水流屬于急流，而隨之下游的水深增加并逐漸形成了緩流。這樣一來水流就會由急流逐漸變成緩流。這種從急流變成緩流的水流是因為水面突然增高而產(chǎn)生的，這一現(xiàn)象我們稱之為水躍。根據(jù)相關的數(shù)據(jù)分析來看發(fā)生水躍現(xiàn)象之后水流的單位機械能會損失一半左右而如果躍后的水深礦越大那么隨之損失的能量也會越大，因此水躍不僅僅是一種水流的銜接形式池是一種有效的工程消能措施。（2）水躍的水力計算水躍前后會出現(xiàn)兩個明顯不同的水深情況，而且彼此之間相互對應我們將這種兩種水深共轆水深。這兩種水深的差一半被稱為水躍的高度而躍前和躍后兩個斷面之間的距離被稱之為水躍的長度。一般進行水躍的水力計算主要就是計算水躍的共轆水深和水躍的長度。水躍區(qū)的水流呈現(xiàn)出十分紊亂額現(xiàn)象，因此普通的能量方程式無法使用，一半會采用動量方程式進行計算。

結(jié)束語

進行明渠均勻流的施工設計時必須充分了解均勻流產(chǎn)生的條件和特性，從而設計相關的施工方案。受外界條件的限制，完全的均勻流幾乎不存在，但是可以將一些近似均勻流的明渠看做均勻流進行設計。同時充分考慮水跌和水躍的情況進行相關的參數(shù)計算，從而確保施工能夠高效有序的展開，為水利工程的質(zhì)量提供有效地保證，使水利工程能夠真正為經(jīng)濟建設服務。

參考文獻

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