2017-03-14 10:21:45

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明渠水流,底面和侧面为固壁而上表面与大气接触的水流。例如河道、渠道以及横断面未充满的管道中的水流等。

基本信息

  • 中文名

    明渠水流

  • 性    质

    水流

  • 特    点

    底面和侧面固壁而上面与大气接触

  • 又    称

    无压流

折叠 编辑本段 简介

明渠水流,底面和侧面为固壁而上表面与大气接触的水流。例如河道、渠道以及横断面未充满的管道中的水流等。因为自由表面上的大气压强以相对压强计为零,所以又称为无压流。由于自由表面是可动边界,明渠水流的现象与所涉及的问题均较管流复杂。明渠水流的研究内容包括分析可能发生的各种水流现象、估算输水能力及渠道纵横断面尺寸、确定水位或水深的沿程变化等。

在水利工程中经常遇到这样的流动问题。如开挖溢洪道或者泄洪道需要有一定的输水能力,以宣泄多余的洪水;为饮水灌溉或发电而修建的渠道或无压隧洞,需要确定合理的断面尺寸等等。这些问题的解决都需要掌握明渠水流的运动规律,应用明渠均匀流的水力计算方法。

折叠 编辑本段 分类

明渠水流可作如下分类:①根据水力要素(水深、流速等)是否随时间变化,明渠水流分为恒定流和非恒定流。严格意义上的恒定流极为少见,通常把水力要素随时间变化很缓慢的情况近似地作为恒定流处理,以使问题简化,例如渠道的水力设计。对于水力要素随时间变化较快的情况,例如天然河道的洪水过程、当水轮机阀门迅速启闭时在电站引水渠中引起的水流波动、入海河口段受潮汐影响的水流等,则应作为非恒定流。②根据流速是否沿程变化,明渠水流还可分为均匀流与非均匀流。前者流速沿程不变,后者则相反。非均匀流又可按流速沿程变化的情况再划分为渐变流和急变流(见明渠恒定非均匀流)。

有时,河渠中除了有沿其轴线方向的流动──主流(又称一次流)以外,在与轴线正交的横断面上还存在流动,称为副流(或二次流)。例如河道弯段的横断面上靠近水面处横向流速指向凹岸,而临近河底处指向凸岸,这样便形成断面环流。弯段上主流与环流叠加而成为螺旋式前进的水流。这对凹、凸两岸的冲刷和淤积甚为重要。

折叠 编辑本段 渠系设计

渠系规划之后就要合理地设计引水渠道,把灌溉用水从水源引到农田中来,也就是要合理地选择渠道的纵坡和横断面,以及设计相应的渠系建筑物。那时在渠道的设计方面积累了许多经验,并产生了初步的理论认识。这些初步的理论认识集中反映在《管子·度地》和《考工记·匠人》这两篇著作中。

"水可扼而使东西南北及高乎?……曰:可。夫水之性,以高走下,则疾至于溺石,而下向高,即留而不行。故高其上,领瓴之,尺有十分之,三里满四十九者,水可走也。乃迂其道而远之,以势行之。"

在这里《管子·度地》记述的是自流引水式渠道纵坡的设计。选取多大的纵坡才能保证顺利地自流引水呢?通常,水是由高处流向低处,但在渠道坡降过陡时,水流速度就会很大,甚至剥蚀石头,冲毁渠道("至于※[左边一"氵",右边一"剽"]石")。而水本身是不会由低处。流往高处("而下向高,即留而不行"),那么又怎样利用水流向下的特性,控制水流,使之流向东西南北,甚至灌溉高处的田地呢?这就需要修筑堰坝等壅水建筑物,抬高上游水位("高其上")。《孟子·告子上》载有:"今夫水,搏而跃之,可使过颡,激而行之,可使在山。"所谓激而行之,大约指的是筑坝拦水,阻遏水势,开渠引水,激之使行山上的意思。水位抬高了,就为引水至"东西南北及高"创造了先决条件。

引水,首先要修建渠首取水建筑物,"领瓴之"也就是说干渠进口("领"),要用砖瓦等修砌("瓴之")。

上游水位抬高后,要顺利引水,最重要的是合理地选择渠道的坡降。坡降大了,水流速度过快,会冲坏渠道,坡降小了,水流速度过慢,又会造成渠道的淤积。那么,一般选择多大的坡降为合适呢?"尺有十分之,三里满四十九者,水可走也"。这里"有"即"又","尺有十分之"就是一寸。若渠道断面较均匀,在三里的距离内,渠底降落四十九寸,在这样坡降的渠道里,则"水可走也"。"三里满四十九"大约相当千分之一的坡降①[注:《史记·秦始皇本纪》记载:"六尺为步",又《大戴礼记》载:"三百步为里",计一里等于一千八百尺。由此换算,"三里满四十九",相当于一千一百分之一的坡降。]。现在陕西的泾惠渠(其最早前身是秦国的郑国渠)的干渠坡降是两千分之一。相比之下,当时千分之一的坡降是嫌大了些,但考虑到那时的测量和施工水平较低,渠道不可能象今天一样顺直平整,管理也不可能有今天的完善,则采用较现代为大的坡降,是需要的。有了适宜的坡降,水流就会沿着渠道顺着地形地势绕道远去,并通过支渠、农渠等下一级渠道,把灌溉用水按需要分配到田间("迂其道而远之,以势行之")。这就可以作到"扼之使东西南北"。不过要使渠道控制尽可能大的灌溉面积,还应尽量使渠道走在高程较高的地面上。以上提到的明渠设计,是无压流水力学问题。

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