水利明渠均勻流施工設(shè)計(jì)分析

楊會(huì)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(jì)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(gè)值得我們深入研究的課題之一。這個(gè)課題的研究，對(duì)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(jì)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(jì)中的各種原理與技術(shù)，就水利明渠設(shè)計(jì)施工提出了建議。

【關(guān)鍵詞】水利明渠；均勻流；施工設(shè)計(jì)

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(dòng)細(xì)長板）的設(shè)置角度和放置深度都會(huì)對(duì)明渠均勻流帶來一定的影響。為了獲得明渠水流運(yùn)動(dòng)的各種數(shù)據(jù)，必須首先了解明渠的各種因素以及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響。最終在明渠的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)參數(shù)沒有隨著時(shí)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(dòng)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(diǎn)

鑒于明渠均勻流的特殊狀態(tài)，因此，它具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）過水?dāng)嗝娴膸缀畏植肌⒋笮〖吧疃然静蛔儯?/p>

（2）過水?dāng)嗝娴恼w流速、平均流速保持不變；水流中蘊(yùn)含的勢(shì)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(shí)的流動(dòng)，其動(dòng)能保持不變，水流自身勢(shì)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?yàn)榉呛愣鞯乃鲿?huì)產(chǎn)生波動(dòng)，無法實(shí)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(duì)水流形成阻礙。

由于明渠的功能設(shè)計(jì)不一，總會(huì)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(qiáng)、切面較為平整的河道時(shí)，也可以視同明渠均勻流。

2、水利明渠的技術(shù)要點(diǎn)

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(duì)稱狀的幾何圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)過程中，泄洪溝、水渠最常用的是梯形或者矩形明渠設(shè)計(jì)；地下排水管在設(shè)計(jì)容量和流量的時(shí)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(shí)，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(shí)，使用矩形橫斷面會(huì)更方便一點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)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(jì)。在不同的渠段和功能上，對(duì)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(jì)

眾所周知，將一個(gè)物體置于流水中，會(huì)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(huì)增加摩擦阻力；在彎曲明渠中放置構(gòu)筑物會(huì)增加水流的壓差阻力。物體的迎水面會(huì)受到一定的附加壓強(qiáng)，背水面則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小型的低壓回流漩渦，這種設(shè)施（細(xì)長板）受壓差作用，會(huì)對(duì)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(huì)用到類似壩門等節(jié)流閉鎖設(shè)施，而且會(huì)有一定的設(shè)置角度，這個(gè)角度的大小以及深度對(duì)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(shí)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(duì)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(huì)隨之增加，細(xì)長板傾斜度也隨之增加。這對(duì)測(cè)算明渠均勻流的流量，進(jìn)行明渠功能與承載力的實(shí)際有重要的指導(dǎo)作用。對(duì)水利明渠橫斷面進(jìn)行準(zhǔn)確的尺寸設(shè)計(jì)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(cè)算整個(gè)水利明渠大體的功能參數(shù)以及使用和維護(hù)時(shí)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(shí)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(jì)了。對(duì)此，還需進(jìn)行更深入的研究與實(shí)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(huì)造成下游水量增加，形成局部緩流，自上而下的急流就會(huì)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(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水躍前后的水流動(dòng)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(dòng)緊密相連，因此，計(jì)算水躍動(dòng)能，需要用動(dòng)量方程進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)論：

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

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂生，楊中，劉美義，王德智.利用VB 實(shí)現(xiàn)明渠均勻流的水力計(jì)算[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2010（02）： 121-123.

[2]王毅，楊昆，雷兵榮.水利工程明渠均勻流水力計(jì)算探討[ J] .工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2012（11） ： 148-149.

[3]劉力奐，徐輝，于永海，王高鵬.細(xì)長板開啟角度與明渠均勻流流量關(guān)系研究[J].水利水電科技進(jìn)展，2009（25）：45-46.