水利明渠均勻流及水躍與水跌施工設計分析

摘要：水利工程是利國利民的基礎設施，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計進行分析研究。明渠的恒定流指的是明渠水流不會隨時間變化而發生變化，在明渠的恒定流當中，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生變化時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計進行重點介紹，以便為水利工程的施工設計提供一定的作用。

關鍵詞：水利明渠；均勻流；水躍與水跌；施工設計

明渠水流動的主要影響因素為明渠斷面尺寸、性質以及底坡等，為了研究明渠均勻流的施工設計，也需要對水流運動的相關規律進行研究，分析明渠類型，針對不同類型明渠對水流產生的影響，然后再進行有針對性的施工設計工作，為水利工程的建設實施提供依據。

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，排洪溝及雨水溝設計都是選擇梯形或是矩形的形狀。如果明渠的地基為土質地基時，斷面選擇為梯形，明渠兩側傾斜度選擇為m（m=ctga），當渠道的水深每增大1m，則梯形的寬度隨系數的增大而增加，邊坡系數則是根據地基土質的情況以及護面確定的。如下表所示。

矩形斷面一般都是采用條石砌筑的，通常混凝土明渠斷面也選擇矩形。由于地形及地質條件的影響，同一條的明渠在經過不同的地質環境下，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；后者則是根據渠道的改變，明渠的斷面尺寸及形狀等隨之發生改變。

由于非棱柱體渠道的斷面尺寸及形狀等都發生改變，也使得水流的流線不是直線，所以水流也不是均勻流動，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，當渠底沒有坡度時為平坡，當渠底高程逐漸增加時為逆坡明渠，只有渠底為順坡時才能夠產生均勻的水體流動。

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，它具有這么幾個明顯的特點：（1）明渠水體的過水斷面尺寸、形狀以及水深處于不變的狀態；（2）明渠水體的流動速度以及斷面平均流速始終處于勻速狀態，這也使得水流的流速沿程都不會發生變化，包括水流的修正系數。

3.2、均勻流條件

根據明渠水體均勻流特點的分析，形成均勻流需要下面的條件：（1）明渠中水流必須為恒定流，如果水體的流動為非恒定流，必然會在明渠中產生波浪，造成水體的流線產生彎折，不能形成平行直線。（2）明渠中的水流量沿線不會發生變化，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則的棱柱形順坡明渠，滿足這兩個條件才可能是均勻流的明渠。（4）明渠渠側壁及底板粗糙系數整個不會發生變化。（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、水壩等構筑物，避免對水流造成影響。

明渠均勻流顯然在實際操作中是存在很多困難的，很多條件并不能達到理想狀態，尤其是許多明渠中設置有各種的構筑物，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如果流量在沿線不發生變化時，同時渠道長度達到一定條件，渠道進出口以及距離構筑物一定長度的渠道中，水體流動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、粗糙系數以及坡度等都會隨渠道的延伸而發生改變，一般都沒有均勻流。當河流比較順直并且整齊時，并且其他條件也近似時，我們也將這種天然河道視為均勻流。

4、水躍與水跌現象

4.1、水躍

水躍屬于水利工程中的一種水力現象，指的是在較短的渠段內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過度到緩流狀態時，產生一種水面突然躍起的特殊水力現象。通過尾門控制下游水深度，將水流速度變緩慢，這個水流速度從急到緩的過程也就形成了水躍現象。水躍現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現象。我們通過大量的實驗能夠發現，水躍現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中，屬于水流的銜接方式。

正因為水躍現象存在兩個水深，我們將兩個水深進行一一對應，稱之為共軛水深。兩個水深的高差也就是水躍高度，水躍水力計算需要計算兩個值，一個是水躍深度，另一個則是水躍的長度。

水躍區域中的水體流動非常紊亂，這也使得水力計算不能通過正常的方程式來進行能量的計算以及水能損失的大小。水躍現象中水深度與水躍前后變化關系比較大，并且同水流速有很大的關系，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速度降低，因此，我們可以采用動量方程來進行水力計算。

4.2、水跌

水跌現象屬于水力現象的另外一種，它與水躍現象是截然不同的。我們可以通過一個實驗來進行分析，當渠道中的水流過坎后會發生自由落體運動，水體受到的重力影響要比阻力大的多，這也會使得跌坎上游的水面急劇下降，同時水流以臨界流的狀態快速通過突變段，水流速也從緩慢的狀態迅速轉化為急速，形成了水跌現象。

水跌現象使得明渠中的水流速從緩慢轉化為急速，水深度變化為以臨界水深為界限從大到小的一個突變過程，水面從急劇到平緩的下落狀態也就是水跌現象。根據突變處給定的流量大小，能夠繪出水跌曲線圖。水跌現象中，跌坎的水深由于受到重力作用的影響，最低只能達到臨界水深，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。

水跌的水力計算是從漸變流的基礎中計算得出的。跌坎處水流一般都很彎曲，屬于急變流，所以，在根據理論計算時是與實際存在一定偏差的。通過實驗證明，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，我們認為水流條件突然發生變化的位置也就位于跌坎的斷面處。

總結

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

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