时间：2022-09-18 11:03:49
[摘要]：明渠与河道的弯道水流的水面变化复杂、生产实践部门经常忽略弯道水流的特点造成弯道计算评估中出现误差，而弯道水流本身也会对自然或人工防护物造成影响。本文根据河渠弯道水流的特点，导出弯道水面曲线的计算方法及最大横向水面超高，并给出相应的改善措施。
[关键词]：弯道水流 水面超高 改善措施
1、弯道水流特点
1.1 成因
弯道水流在自然界当中非常普遍，弯道水流受边界的影响很大，如果边界条件产生了细微变化，水流形态就可能产生巨大变化。在工程实际中经常碰到河渠弯道水流的水流形式。根据立体形态中弯道的分布形式，河渠弯道能被分成平面、垂向和复合型弯道三种形式。弯道水流中存在转弯，就一定存在向心力。在平面弯道中，没有能够在水平方向上提供向心力的施力物体，因此在水平转弯时，水流只有通过形成水面超高的形式，来形成水平方向的压力差，进而产生提供转弯时所需要的向心力。本文将简明推导具体计算公式。
造成河流弯道处形成特殊水流现象的决定因素是横向环流。真实情况是，河渠弯道水流是三维立体流动。在垂直方向上，水流存在径向压力梯度，然而，表层和底层水流的向心加速度不同（一般情况下，表层水流大于底层水流）。这是因为表层水流大于弯道水流平均速度，底层水流小于弯道水流的平均速度。在这种情况下，表层水流向外运动，底层水流则趋向于向内运动。由于平衡条件，在靠近河岸处将形成垂向流速分量，进而产生螺旋流，最终对河床断面产生较大影响。经过螺旋流的作用，表层水流持续地流向凹岸，并冲向河底；底层水流持续流向凸岸，并涌上河滩。然而，由于表层水流含沙量少而底层含沙量较大，造成横向输沙不平衡，并由于纵向水流对凹岸的冲击作用，造成凹岸岸坡逐渐崩塌，形成的泥沙同时被底部横向水流冲向凸岸。在这种情况下，必然产生凹岸冲刷，凸岸淤积的弯道演变现象[1]。
1.2 弯道水流冲刷范围
河渠弯道水流产生的横向环流会使凹岸冲刷，凸岸淤积，造成弯道的横向演变现象。有资料显示[2]，冲刷范围仅占整个弯道的60%。如果河湾长度为L，则冲刷范围为0.6L，其中河渠弯道顶点上游为0.24L，下游为0.36L。初始情况下，主流靠近凹岸的位置，称为“顶冲点”，最枯水时的顶冲点被称为水流的上顶冲点，是冲刷范围的起点，最大洪水时的顶冲点被称为水流的下顶冲点，是冲刷范围的终点[2]。
2、弯道水流最大横向水面超高
由于弯道水流同时存在纵向和横向流动。因此不仅要考虑局部水头损失的纵向水面变化规律，而且还要考虑横向水面超高。所以，对河渠弯道的上、下游断面建立伯努利能量方程： z01+h1cosθ+pα/g+α1v12/2g=z02+h2cosθ+pα/ρg+α2v12/2g+hj+hf. （1）
式中h1和h2分别为上游入口断面和下游出口断面水深。V1和v2分别为断面平均流速。Z1和z2分别为出口和入口为河底高程。设入口和出口断面均符合渐变流条件。θ为河渠底部与水平轴的夹角。Pα为大气压强。 α1和α2分别为两断面动能修正系数。hf和hj分别为弯道内沿程和局部水头损失。经前人推导可得[2]，河渠弯道水面线的计算式：ζ= （2）
式中R，C分别为水力半径和谢才系数，取上下游断面的平均值。b为河渠宽度，在梯形断面中对应为水面宽，r0 为河渠弯轴线的弯曲半径，l为弯道的长度。
事实上，在实际工程应用当中，人们主要关心水利主要因素的最大值，而不考虑其变化过程。资料表明[2]，弯道横向水面最大超高出现在弯道断面附近区域。水流经过弯顶断面后。这种情况下，水面在凹岸相对凸岸的超高逐渐减小，一直到弯道出口断面。
在河渠中，当水流由直道流入弯道后，惯性离心力会使弯道水流产生从凸岸向凹岸逐渐升高的横向自由水面超高Δh1，其计算式为： Δh1= （3）
式中，v为断面平均流速，r1、r2和r0分别为凸岸、凹岸和河渠中心线的转弯半径；b为河渠宽度。由于弯道断面前直道水流的惯性作用冲击凹岸时，冲击水流的横向分速度Vcosβ的动能部分转变为势能，使凹岸水位升高Δh2，Δh2 式中β为入口直道轴线与弯道凹岸交点法线的交角；λ为r0/β及边坡系数的相关系数，一般情况下可近似取1.则弯道最大水面超高 Δh=Δh1+Δh2=+。 （4）
3 、改善措施
河渠弯道水流因受离心力的作用对消能防冲造成了诸多不便。改善河渠弯道水流的措施很多，但考虑到弯道水流的特点及复杂性。应根据不同工程的具体情况而定。根据实际情况，可以在弯道陡坡段外侧全程扇形抬高h m，并在其尾部加设一排分流墩，外侧扇形扇形抬高有利于改善陡坡弯道全程水力要素分布；分流墩可以改善水流流态。根据工程学观点，这种方法结构可靠，施工简单，节约成本[3]。
由于弯道环流的影响，河渠弯道水流流态极为复杂，弯道段后出现涡流，流速分布非常不均匀，这些不利因素需要在弯段后需增加一定长度的直线段来消除，进而调整实际工程中水流状况.受地形、地貌等条件的限制，直线段长度常常不能够满足水位调整的要求，此时，可以凭借合理设置弯道段导流栅消除弯道涡流及调整流速分布，经物理型实验，效果很好[4]。
4、 结语
弯道水流的运动特点一直以来都是河流动力学的主要课题，研究这一问题，对合理设计河渠工程有着重要作用。本文通过介绍河渠弯道水流的特点并对其水面超高进行计算，最终提出对河渠弯道水流的改善措施。希望对广大相关专业的人们和相关实践部门的工作实际有所帮助。
参考文献：
[1]杨玲霞，张银华，吴建平，等.改善弯道急流流态的试验研究。
[2]童思陈，许光祥，钟亮. 弯道水流的紊动特性研究[A]. 中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会.水文泥沙研究新进展——中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会第八届学术讨论会论文集[C].中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会：，2010：8。
作者简介：
鲁通顺（1992.5-），男，满族辽宁盘锦人，郑州大学给水排水工程2011级本科生；
曲家衡（1992.7-），男，汉族，辽宁大连人，郑州大学给水排水工程2011级本科生；
赵方凯（1993.1-），男，汉族，河南焦作人，郑州大学水文与水资源工程2011级本科生。