弯道水流的特性研究

摘要：在大自然中并非每条河道都呈直线，许多河流都是弯弯曲曲的。弯道水流是一种最为常见的水流方式。弯道水流有着特有的水流特性，弯道水流特性与直道水流的特性大不相同。本文将对急流弯道和缓流弯道的一些特性，如：弯道的水流横向比降、断面环流、横向环流和急流冲击波等特性进行分析与研究。

关键词：弯道水流 横比降 横向环流 断面环流

中图分类号：TV131文献标识码： A

1引言

弯道水流是指弯曲河道中的水流，弯道是河流最基本的组成单位，大部分的水流都是弯曲的，很少有直径的河流；弯道水流的外边界是由弯曲河道的床面和岸壁组成，然而由于弯道水流边界条件的不同，使得弯道中的水流运动特性与直道中的水流运动特性有着截然的不同。弯道水流中存在着水的缓流与急流，这就有缓流弯道与急流弯道。

2缓流弯道

2.1弯道水流的水面横比降及超高

弯道水流的水面横比降就是当水流由直段进入弯段后，在离心力的作用下，自由水面的平衡遭到破坏，弯道水流形成凸岸水面低于凹岸水面的横向水面比降。然而，凹岸与凸岸形成的水位差被称为横向水面超高。

2.2断面环流

断面环流是由于弯道水流在横断面上凹岸水面高，凸岸水面低所形成的环形流动。在弯道水流中由于弯道受到离心力、水的冲击力、水的压力等多种力的作用，加之水流运动的连续性，而形成断面水流。

2.3弯道环流

弯道环流又称弯道环流水沙分流；水流在弯道内流动产生的离心力，使表面水流指向凹岸，底面水流指向凸岸，在断面内会形成封闭的横向环流，所形成的横向环流与水流中的纵向环流结合在一起，形成呈螺旋运动的水流。

在天然形成的河道中，弯道部分占百分之八十以上；由此可见，大自然中的河道基本上都是弯曲的。直道河流中的水深、流速、含沙量的分布都是比较均匀的，而在弯道河流中，由于水流在弯道产生离心力的作用，使得河流的水深、流速、含沙量的分布都不均匀，河床高低不均匀。由于离心力的大小与水流流速有关，而水流流速又由河道的弯曲程度和河床的高低决定，所以离心力在水流表层大底层小。由水面差而形成的侧压力的方向与弯道形成的离心力方向相反，而侧压力与离心力的合力方向即为水流的方向。

2.4横向环流

横向环流是由于弯道表层水流由凸岸流向凹岸，底层水流则由凸岸流向凹岸所形成的。弯道水流是一种三维流，水流在垂直方向存在着横向压力梯度，弯道水面横比降会引起弯道断面横向压力差，这种压力差分布是均匀的。由于弯道表层水流的速度大于底层水流速度，会使弯道环流表现为表层水流向凹岸运动，底层水流则向凸岸运动，弯道两岸处则会形成平衡行的流速分量。

3急流弯道水流

弯道中的水流有缓流也有急流，弯道中的急流除了考虑受重力和离心力的作用外，还得考虑弯曲的河道壁对水流的扰动而产生的冲击波，冲击波会在水面形成水波，使得水面变化很复杂。因此，弯道急流除了具有弯道缓流的螺旋水流外，还有弯道壁对水流产生的冲击波，使得水面的运动特别的激烈。

4弯道对工程的影响

4.1缓流弯道对工程的影响

在对弯道进行施工时，往往由于弯道的一些特性给施工带来难度；在自然界的河流中有百分之八十以上是弯道河流，然而，这些河流中绝大部分的河流都是缓流弯道，缓流弯道主要受弯道水流的离心力和弯道缓流的作用。弯道表层水流的方向是指向弯道凹岸流去，再潜入河底向凸岸流去；然而，底层水流流向凸岸，后再翻至水面流向凹岸。水流会将弯道中的泥沙冲向弯道凸岸，并在弯道凸岸堆积，使得凸岸水流变浅，这就也使得凹岸水流变深，形成超高，造成两岸水流的不平衡；这样时间一长，会改变河流弯道的位置，因此，要经常对河床进行清理和维护，并充分了解弯道水流的运动规律，防止河床遭到破坏。

4.2急流弯道对工程的影响

随着社会经济的发展，水利工程也得到了大规模的建设；例如：水利发电、灌溉、生活用水渠道的修建；这些建设呈增长趋势。有些河流的修建是对自然形成的河流进行加工修整，以达到使用的需求；然而，在建设过程中会遇到许多问题；对于有些河流的修建，由于地势的原因，往往不得不修建弯道。经过多次涝灾和洪水的事实证明，急流弯道对工程的危害性很大，具体主要表现在：急流弯道会引起水流超高，导致弯道水流的不平衡，还会增大水流对弯道凹岸的压力，严重冲击凹岸；还会导致河道边墙加高，同时使得边墙水压增大导致边墙容易遭到破坏；急流弯道还会产生冲击波，对河床进行冲击，会影响下游水流的动态，也会使得河床容易遭到破坏。

5结语

经过本文的描述，我们也大体知道弯道水流的特性和存在的一些问题；弯道的水流特性比较复杂，然而，关于弯道水流特性的实验研究和公式计算也存在不足，如：在急流弯道方面，对急流弯道的超高计算，还没有统一的计算标准。如今有许多科学工作者对弯道水流运动进行着不断地研究，并得出许多重要的研究数据，这些研究成果对解决弯道水流中存在的问题有很大的帮助。然而，相关研究人员应该将弯道的水流研究与实际相结合起来，这样更能够发现弯道水流中存在的问题和找到解决问题的方法。

参考文献：

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