水利明渠均勻流施工設計分析

楊會英

【摘要】近年來，我國水利工程建設事業飛速發展。盡管我國的水利事業取得了不小的進步，但是，我國的水利工程施工設計還有許多地方需要進一步研究。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、農田灌溉設施建設等施工過程中明渠的設計和施工有重要的影響。本文分析了當前水利明渠均勻流施工設計中的各種原理與技術，就水利明渠設計施工提出了建議。

【關鍵詞】水利明渠；均勻流；施工設計

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，甚至渠道中構筑物（繞軸轉動細長板）的設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據，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參數沒有隨著時間的變化而發生變化，我們把這種現象叫做明渠恒定流；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，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，因此，它具有以下兩個特點：

（1）過水斷面的幾何分布、大小及深度基本不變；

（2）過水斷面的整體流速、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定。

這種明渠水流形成是有特殊原因的，即底坡為常數的正坡棱柱形渠道、光滑度沿程不變、無構筑物干擾、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該是恒定流，或者接近恒定流。因為非恒定流的水流會產生波動，無法實現水流流線的直線狀態；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大的變化；最后要保證渠道中不能出現障礙物對水流形成阻礙。

由于明渠的功能設計不一，總會在渠道內建立各種功能性設施，使得大多數明渠在嚴格意義上是非均勻流。為了方便進行明渠均勻流的研究，我們一般認為，在保證渠道一定長度的前提下，部分河段或者構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行設計。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，一般是不規則的形狀。

在水利明渠的設計過程中，泄洪溝、水渠最常用的是梯形或者矩形明渠設計；地下排水管在設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出的各種氣體，防止爆炸破壞。在土質地基上施工時，經常選擇梯形橫斷面，工程具體的尺寸應該根據土壤的類型以及表面保護情況設定；在巖石地形上開鑿明渠時，使用矩形橫斷面會更方便一點。在工程設計和施工中，要注意全面考慮地形、地質條件等因素進行綜合設計。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、明渠中細長板開啟角度的設計

眾所周知，將一個物體置于流水中，會與水流相互摩擦，產生摩擦阻力和壓差阻力，從而降低水流的速度。在棱柱體明渠中設立構筑物會增加摩擦阻力；在彎曲明渠中放置構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，背水面則會出現一個小型的低壓回流漩渦，這種設施（細長板）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常會用到類似壩門等節流閉鎖設施，而且會有一定的設置角度，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。

經過水利工程師不斷的實踐，并參考國內外的相關理論書籍，水利明渠的施工中，細長板的開啟角度與明渠均勻流流量和流速有一定的對應關系，，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，細長板傾斜度也隨之增加。這對測算明渠均勻流的流量，進行明渠功能與承載力的實際有重要的指導作用。對水利明渠橫斷面進行準確的尺寸設計之后，結合科學的設備安裝，就可以根據細長板的傾斜度測算整個水利明渠大體的功能參數以及使用和維護時間。

上文提到的理論和研究內容，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，明渠的工程多數是非均勻流的渠道，這就需要參考其他具體的影響因素進行綜合設計了。對此，還需進行更深入的研究與實踐。

2.3.水躍

當水流因某種原因產生急流，明渠中尾門關小后，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域。這種水流流速突然減緩，造成水面的迅速增高的現象就叫做水躍。

水利明渠均勻流設計中，不可避免的需要考慮水躍現象帶來的各種影響。經實驗數據表明，水躍前后的水流動能相差接近一半，水躍現象的出現，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境有關，與水深、流速的波動緊密相連，因此，計算水躍動能，需要用動量方程進行計算。

結論：

總之， 水利明渠施工設計的發展，正在改變著水利工程建設的方式，同時也提高了施工的效率，增強了施工單位的專業性。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計方案，提高施工和設計的科學性、實用性，適應地方政府和人民群眾對水利工程建設的需要，推動我國水利工程不斷向前進。

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