吕麟

摘要：水流的流动状态主要是受到明渠的尺寸、断面形状和底坡等因素的影响，因此如果想研究明渠中水流的运动规律.就必须先对明渠进行研究了解它是哪一种类型，并分析这种类型对水流产生了怎样的影响，只有对通过调查得到的数据进行分析和研究，才能确保在进行施工设计时不会出现问题。结合笔者实践工作经验，本文对水利明渠均匀流进行了研究分析，以供相关从业人员借鉴参考。

关键词：水利明渠 均匀流 纵横断面 底坡 条件 特征 施工设计

所谓明渠均匀流，即满足以下条件：水流是恒定的，流量沿程不变；正坡并且底坡沿程不变；棱柱体渠道，且糙率沿程不变；明渠必须充分直长，且渠道中没有水工建筑物的干扰。明渠中如果水流的运动要素随着时间的变化而变化，那么就将这种水流称之为明渠非恒定流，反之如果明渠中的水流不因为时间的变化而产生变化时，这种水流就被称作明渠恒定流。在明渠恒定流中加果水流的流线呈现出的状态时一簇平行的直线.而且水深和断面平均流速不因为流程的改变而发生变化，那么就将这种水流称之为明渠恒定均匀流，如果水流的流线并非平行直线，那么就将这种水流称之为明渠恒定非均匀流。以下将对明渠纵横断面的变化和底坡情况从而得出明渠均匀流的产生条件和相关特性进行阐述，以及对其施工设计的研究分析。

一、明渠的纵横断面变化

天然河道的横断面一般是呈现出不规则的图形，而人工明渠的横断面一般是圆形、矩形或者梯形，可以看到它们呈现出明显的规则，一般是对称的几何形状。

在进行排水的过程中排水管一般不会出现满流的情况，这主要是因为非满流可以容纳其他液体或者气体，例如高峰流量超过了正常流量那么在非满流的情况下，依旧可以排出而一些污废水中释放的有毒气体和易燃易爆气体，也可以在这种情况下由排水管排出。而梯形或者矩形的明渠就被运用在排洪沟和雨水沟之中。根据不同的地质明渠会采取不同的横断面，如果是在土质地基上，一般会首先考虑梯形横断面的明渠，河以用坡度系数m来表示两边与底的夹角，m代表如果渠道的水深增加了lm，那么相应的梯形的宽就要增加1m。m的大小应该根据土壤的大小和护面的情况来确定。而岩石开凿或者两侧用条石砌筑成的渠道一般采用矩形断面，还有混凝土渠和木渠也经常采用矩形的断面。

在实际的施工过程中，由于受到不同地质地形条件的限制，或者为了使渠道能够发挥最大效用，在了解了不同段的水流运动规律后，针对不同的情况选择最合适的横断面尺寸、形状或者坡底。如果在整个流程中断面形状、尺寸、底坡没有发生任何变化，那么这种渠道成为棱柱体渠道反之则称之为非棱柱体渠道。

二、明渠的底坡

我们把明渠渠底的纵向倾斜角度称为底坡，明渠的底坡一般会用i这个符号来表示.如果明渠底逐渐降低，这种明渠就称为顺坡明渠，这个时候i>0，如果明渠底始终是水平状态，那么这种明渠就称作平坡明渠，i=0，如果明渠底随着流程逐渐升高，那么这种明渠称作逆婆明渠，此时i<0。均匀流一般只产生于顺坡明渠中。

三、明渠的均匀流产生的条件

由于明渠均匀流具有一些特殊的性质，因此只有具备一定的条件才能形成均匀流：首先只有恒定的水流才有可能产生均匀流。因为在明渠非恒定流中.必然会因为水流的急缓而出现波浪等情况，而非恒定流的渠道也不是标准的棱柱体，因此流线不会呈现出平行直线的样子。

均匀流的流量应该在流程的每一个部分都没有变化，既没有支流分出也没有支流汇入。均匀流一般只会出现在长而直的棱柱体顺坡明渠中，非棱柱体的明渠或者非顺流的明渠都不会产生均匀流。均匀流的粗糙系数不会随着流程的改变而发生变化。均匀流所处的渠道的断面形状一般是固定不变的。均匀流所处的渠道不会受到闸门、水坝、跌水等等构筑物的局部干扰。

上述条件较为苛刻，所以在实际的施工中也不可能有渠道能够完全的满足以上产生均匀流的条件，而且在渠道中也不是空无一物的经常会有一些构筑物的出现，可以说大部分的明渠是不存在均匀流的。但是有一些特殊情况例如顺直棱柱体顺坡明渠，如果它的水流的流量在全程没有发生变化，只要渠道够长，在距进出口、构筑物一定距离后，就可将水流看成是均匀流。至于天然的河道，因为它们的断面尺寸、坡度、粗糙系数很容易随着流程而改变，因此一般不会出现均匀流，而如果河段相对比较顺直整齐，其余条件和均匀流产生的条件比较接近时，我们在处理时也可以看成是均匀流。

四、明渠均匀流的特征

明渠均匀流的流线呈现出的形状是两条相互平信的直线，根据这一特性我们可以得出以下明渠均匀流的特点：

首先过水断面具有唯一性，它的尺寸、形状和水深不会因为流程的改变而发生变化。其次是过水断面的流速分布、断面平均流速也不会随着流程的改变而发生变化，因此水流的动能修正系数和流速水头也会保持不变。根据以上特性可以知道，明渠均匀流的所有参数基本是固定不变的，因而在进行施工设计时要充分考虑这一点，以确保水利施工的顺利进行。明渠均匀流和非均匀流有着显著的区别，因此施工前必须明确究竟是均匀流还是非均匀流，才能进行下步的工作。

五、水跌与水跃

水跌和水跃是自然界和实际施工的过程中最常见的水利现象。

1、水跌。过坎后水流会呈现出自由跌落的情况，在这种情况下重力远远大于阻力，因此跌坎上游的水面会出现急剧下降的情况，在断面处会无限接近临界流使得水流的速度由缓慢转变为快速从而造成了水跌的现象。一般针对这一现象可以绘制出曲线加图。如果水速较缓水深又呈现出不斷减小的状态那么断面比能就会移动。但是由于重力的限制，跌坎的水深不是无限缩小的达到临界水深后就不在减小。进行以上计算的前提是水流属于渐变流，而在实际情况中，跌坎处的水流并不是渐变流，而是急变流，因此计算结果和实际往往存在误差。经过实验发，临界水深往往出现在跌坎的上游，相距不是很远因此可以将水流发生变化的位置限定在跌坎断面处。

2、水跃。水跃现象是另外一种常见的水利现象，它是进行工程消能的一种有效措施，以下将简单介绍：（1）水跃现象。水从明渠中的构筑物上溢出在这一过程中水流属于急流，而随之下游的水深增加并逐渐形成了缓流。这样一来水流就会由急流逐渐变成缓流。这种从急流变成缓流的水流是因为水面突然增高而产生的，这一现象我们称之为水跃。根据相关的数据分析来看发生水跃现象之后水流的单位机械能会损失一半左右而如果跃后的水深矿越大那么随之损失的能量也会越大，因此水跃不仅仅是一种水流的衔接形式池是一种有效的工程消能措施。（2）水跃的水力计算水跃前后会出现两个明显不同的水深情况，而且彼此之间相互对应我们将这种两种水深共辘水深。这两种水深的差一半被称为水跃的高度而跃前和跃后两个断面之间的距离被称之为水跃的长度。一般进行水跃的水力计算主要就是计算水跃的共辘水深和水跃的长度。水跃区的水流呈现出十分紊乱额现象，因此普通的能量方程式无法使用，一半会采用动量方程式进行计算。

结束语

进行明渠均匀流的施工设计时必须充分了解均匀流产生的条件和特性，从而设计相关的施工方案。受外界条件的限制，完全的均匀流几乎不存在，但是可以将一些近似均匀流的明渠看做均匀流进行设计。同时充分考虑水跌和水跃的情况进行相关的参数计算，从而确保施工能够高效有序的展开，为水利工程的质量提供有效地保证，使水利工程能够真正为经济建设服务。

参考文献

[1]林霖.水利明渠均匀流施工设计[1].大众科技2013 6

[2]杨岑.明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究[D].西北农林科技大学2010.