摘要：水利工程是利国利民的基础设施，为人们的日常生活提供了极大的便利。本文对水利工程中的明渠均匀流施工设计进行分析研究。明渠的恒定流指的是明渠水流不会随时间变化而发生变化，在明渠的恒定流当中，水流的流线假定是一条直线，并且水深以及明渠断面水流速也不发生变化时就是明渠恒定均匀流，本文对明渠均匀流及水跃与水跌施工设计进行重点介绍，以便为水利工程的施工设计提供一定的作用。
关键词：水利明渠；均匀流；水跃与水跌；施工设计
明渠水流动的主要影响因素为明渠断面尺寸、性质以及底坡等，为了研究明渠均匀流的施工设计，也需要对水流运动的相关规律进行研究，分析明渠类型，针对不同类型明渠对水流产生的影响，然后再进行有针对性的施工设计工作，为水利工程的建设实施提供依据。
1、明渠纵横断面的变化分析
明渠横断面的形状一般都呈现为对称的几何形状，明渠形状在施工中大多都是矩形、圆形以及梯形等形状，同样还有不规则形状的明渠，大多都是天然的河渠，如下图所示：
（a）梯形断面的明渠；（b）圆形断面的明渠；（c）天然明渠
水利工程中的排水管正常状态下都是非满流的，这也使得水渠中污废水含有的有毒气体等能够通过正常的渠道排送出去，通常状况下，排洪沟及雨水沟设计都是选择梯形或是矩形的形状。如果明渠的地基为土质地基时，断面选择为梯形，明渠两侧倾斜度选择为m（m=ctga），当渠道的水深每增大1m，则梯形的宽度随系数的增大而增加，边坡系数则是根据地基土质的情况以及护面确定的。如下表所示。
梯形渠道边坡系数取值
土质情况
边坡系数（m）
土质情况
边坡系数（m）
粉砂
3.0~3.5
粘土、黄土及粘壤土
1.25~1.5
细砂、中砂以及粗砂
2.0~2.5
卵石、砌石
1.25~1.5
半岩性抗水土壤
0.5~1.0
风化岩石
0.25~0.5
沙壤土
1.5~2.0
未风化岩石
0~0.25
矩形断面一般都是采用条石砌筑的，通常混凝土明渠断面也选择矩形。由于地形及地质条件的影响，同一条的明渠在经过不同的地质环境下，明渠的断面尺寸、形状等都是不同的。这也将其分为棱柱体及非棱柱体两种渠道，前者的断面尺寸、形状等都是相同的，并且渠道无弯曲；后者则是根据渠道的改变，明渠的断面尺寸及形状等随之发生改变。
由于非棱柱体渠道的断面尺寸及形状等都发生改变，也使得水流的流线不是直线，所以水流也不是均匀流动，因此，只有棱柱体明渠才是均匀流的渠道。
2、明渠底坡
明渠底坡即渠底纵向倾斜角度，分为顺坡、平坡以及逆坡等三种。明渠底部高程逐渐降低为顺坡，当渠底没有坡度时为平坡，当渠底高程逐渐增加时为逆坡明渠，只有渠底为顺坡时才能够产生均匀的水体流动。
3、明渠均匀流形成的基本条件分析
3.1、明渠均匀流特性
明渠水体的均匀流的流线为一簇平行直线，它具有这么几个明显的特点：（1）明渠水体的过水断面尺寸、形状以及水深处于不变的状态；（2）明渠水体的流动速度以及断面平均流速始终处于匀速状态，这也使得水流的流速沿程都不会发生变化，包括水流的修正系数。
3.2、均匀流条件
根据明渠水体均匀流特点的分析，形成均匀流需要下面的条件：（1）明渠中水流必须为恒定流，如果水体的流动为非恒定流，必然会在明渠中产生波浪，造成水体的流线产生弯折，不能形成平行直线。（2）明渠中的水流量沿线不会发生变化，也就是明渠没有支流的分出及汇入。（3）渠道的横断面形状必须选择为规则的棱柱形顺坡明渠，满足这两个条件才可能是均匀流的明渠。（4）明渠渠侧壁及底板粗糙系数整个不会发生变化。（5）明渠的横断面尺寸及形状沿线没有变化。（6）明渠渠道在沿线没有闸门、水坝等构筑物，避免对水流造成影响。
明渠均匀流显然在实际操作中是存在很多困难的，很多条件并不能达到理想状态，尤其是许多明渠中设置有各种的构筑物，这也造成对渠道中水体造成一定干扰形成了非均匀流。但是，我们在棱柱体顺坡的明渠渠道中水流状态如果流量在沿线不发生变化时，同时渠道长度达到一定条件，渠道进出口以及距离构筑物一定长度的渠道中，水体流动我们可以视为均匀流。如图所示：
渠道中的均匀流划分
在水利工程中，一般都将上图所示区域视为均匀流。对于天然河道来说，由于渠道断面尺寸、粗糙系数以及坡度等都会随渠道的延伸而发生改变，一般都没有均匀流。当河流比较顺直并且整齐时，并且其他条件也近似时，我们也将这种天然河道视为均匀流。
4、水跃与水跌现象
4.1、水跃
水跃属于水利工程中的一种水力现象，指的是在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深，也就是明渠中的水流由急流状态过度到缓流状态时，产生一种水面突然跃起的特殊水力现象。通过尾门控制下游水深度，将水流速度变缓慢，这个水流速度从急到缓的过程也就形成了水跃现象。水跃现象的过程也是渠道中水深以临界水深为界限从小变大的一个过程，渠道中的水面从较低的高度急速变化为较高的高度的一个现象。我们通过大量的实验能够发现，水跃现象中跃前的水能在水跃后能够降低一半以上，并且水跃的深度越大，水流中能量损失也就越大。这也被利用到水利工程中的消能措施当中，属于水流的衔接方式。
正因为水跃现象存在两个水深，我们将两个水深进行一一对应，称之为共轭水深。两个水深的高差也就是水跃高度，水跃水力计算需要计算两个值，一个是水跃深度，另一个则是水跃的长度。
水跃区域中的水体流动非常紊乱，这也使得水力计算不能通过正常的方程式来进行能量的计算以及水能损失的大小。水跃现象中水深度与水跃前后变化关系比较大，并且同水流速有很大的关系，水跃前与水跃后的压力是不同的，并且水流能量的下降也使得水体流动速度降低，因此，我们可以采用动量方程来进行水力计算。
4.2、水跌
水跌现象属于水力现象的另外一种，它与水跃现象是截然不同的。我们可以通过一个实验来进行分析，当渠道中的水流过坎后会发生自由落体运动，水体受到的重力影响要比阻力大的多，这也会使得跌坎上游的水面急剧下降，同时水流以临界流的状态快速通过突变段，水流速也从缓慢的状态迅速转化为急速，形成了水跌现象。
水跌现象使得明渠中的水流速从缓慢转化为急速，水深度变化为以临界水深为界限从大到小的一个突变过程，水面从急剧到平缓的下落状态也就是水跌现象。根据突变处给定的流量大小，能够绘出水跌曲线图。水跌现象中，跌坎的水深由于受到重力作用的影响，最低只能达到临界水深，因此，在跌坎部位的水流断面比为最小值，也证明跌坎的极限水深度为临界水深。
水跌的水力计算是从渐变流的基础中计算得出的。跌坎处水流一般都很弯曲，属于急变流，所以，在根据理论计算时是与实际存在一定偏差的。通过实验证明，渠道的临界水深一般都在跌坎的上游处，距离理论位置相差不多，因此，我们认为水流条件突然发生变化的位置也就位于跌坎的断面处。
总结
水利明渠的均匀流施工设计需要对明渠的横断面尺寸、形状以及产生条件等进行分析，进而计算其水力条件，才能进行下一步的设计施工。均匀流仅仅是存在于理论状态下，但是，我们可以将条件近似相同的以均匀流条件进行设计施工，保证水利明渠的设计施工符合要求，满足人们的使用。
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论文作者:李吉平
论文发表刊物:《基层建设》2015年11期
论文发表时间:2016/11/4
标签：明渠论文; 水流论文; 均匀论文; 水深论文; 断面论文; 渠道论文; 水体论文; 《基层建设》2015年11期论文;