1、 都江堰工程中有关流体力学原理的应用 都江堰工程简介 都江堰是一个集灌溉 防洪 提供生活和工业用水多方面功能于一体的大型水利枢纽工程 它由鱼嘴 飞沙堰 宝瓶口三大主体工程和百丈堤 人字堤以及遍布于成都平原上的自动引流灌溉渠共同构成 而三大主体工程可以说是整个工程的灵魂 也最能够体现都江堰治水的思想和理念 都江堰之所以伟大 就在于它凝聚了我国古代人民的智慧 设计科学 布局合理 成功地解决了鱼嘴分水 飞沙堰泻洪排沙 宝瓶口引水等许多复杂的水利工程问题 使岷江的水利资源充分的得到利用 鱼嘴 四六分水 鱼嘴工程 建立在岷江出山口一段呈弯道环形的江面上 将上游奔流的江水一分为二 西边称为外江 它沿岷江顺
2、流而下 东边称为内江 它流入宝瓶口 外江是排洪的河道 内江则是负责成都平原灌溉任务的干渠 由于内江窄而深 外江宽而浅 这样枯水季节水位较低 则60 的江水流入河床低的内江 保证了成都平原的生产生活用水 而当洪水来临 由于水位较高 于是大部分江水从江面较宽的外江排走 这种自动分配内外江水量的设计就是所谓的 四六分水 鱼嘴 分水 从流体力学的观点来看 鱼嘴分四六 的原理由两个因素决定 主流线位置和过水断面面积 主流线是河流沿程各横断面中最大垂线平均流速所在点的连线 反映了水流最大动量的所在 都江堰所在河段为天然弯道 主流线的位置随流量的变化而异 具有 低水傍岸 高水居中 的特点 内江位于凹岸一侧
3、外江位于凸岸一侧 其凹岸一侧河床较深 这使得水位不同时 内外江的过水断面面积关系发生变化 鱼嘴 分水 综合以上两点 我们做以下分析 枯水季节时 水的流速慢 惯性作用弱 主流线曲率大 主流靠近凹岸 加上内江过水断面大于外江 因此在鱼嘴作用下 大部分水量流入内江 图2 洪水季节时 水的流速快 惯性作用强 主流离开凹岸 居于河道中间 加上此时外江过水断面大于内江 因此鱼嘴将大部分水量送入外江 图2 综上所述 只要选定鱼嘴的适当位置 就可以按照需要调节内外江分水的比例 飞沙堰 泻洪排沙 飞沙堰 的命名源自其显著的泻洪排沙功能 飞沙堰是都江堰三大主体工程之一 看上去非常平凡 其实功用巨大 可以说是确保成
4、都平原不受水灾的关键 枯水季节时 飞沙堰阻挡内江水流入外江 将其引入宝瓶口 洪水季节时 内江多余的水越过飞沙堰流入外江 如遇特大洪水 他还会自行溃堤 让大量江水回归岷江正流 而飞沙堰更重要的功用是 飞沙 岷江从万山丛中疾驰而来 挟着大量泥沙 石块 飞沙堰将其大部分引入外江 保证了宝瓶口和灌区的河道畅通 飞沙堰 排沙 解释 飞沙 的原理需要先理解 弯道螺旋流 的形成 弯道螺旋流 是指河流流经弯道时产生的横向环流 这是由横向力的合力矩造成的 单位体积水流流经弯道所受离心力为 1 由于离心力的存在 水面平衡状态受到破坏 使得凹岸水面升高 凸岸水面降低 产生水面横比降Jr和侧压力f2 飞沙堰 排沙 飞
5、沙堰 排沙 飞沙堰 排沙 在力矩作用下 河流在向前流动的同时伴随有横向环流 即 弯道螺旋流 横向环流将泥沙石块由凹岸带向凸岸 图4 飞沙堰 排沙 严格来说 水流所受的横向力除了离心力f1和侧压力f2以外 还有受地球自转影响而产生的科氏力f3 表达式为其中w0 0分别表示地球自转角速度和河道所处纬度 它产生附加的水面横比降表达式如下这里的负号是由于科氏力指向凸岸 与离心力相反 因此产生的水面横比降符号也相反 飞沙堰 排沙 科氏力在平直和弯曲河道中都会产生水面横比降 今儿产生横向环流 而通过下面的量级分析可知 在都江堰处弯曲河道中 科氏力的影响相对离心力可以忽略 都江堰河道的半径约为800m 水流
6、密度 103kg m3 代入式 1 有f1 u2 7 都江堰处纬度为31 w0 10 4rad s 代入式 5 得f3 10 1u 8 根据式 7 8 都江堰枯水季节时 u 1m s 有f1 10f3 洪水季节时 u 100m s 有f1 1000f3 因此考虑弯道螺旋流时 可以忽略科氏力 飞沙堰 泄洪排沙 李冰的治水三字经有云 深淘滩 低作堰 这里 低作堰 旨在说明飞沙堰高度的选取很重要 从引水的角度 飞沙堰不能过低 否则宝瓶口的引水量无法满足灌溉要求 而从排沙的角度 飞沙堰也不能过高 否则环流无法形成 泥沙无法越过飞沙堰 因此选择合适的堰顶高度 才能协调引水与排沙的矛盾 近代的经验一般规定
7、 飞沙堰堰顶高程只需高出河床2m左右 宝瓶口 引水 宝瓶口起着 节制闸 的作用 能自动控制内江进水量 合理安排宝瓶口与飞沙堰的位置 即可实现都江堰第二级分水排沙的功能 在重力作用下 表面水流含泥沙较少 底层水流含泥沙较多 而在横向环流作用下 表面水流流向凹岸 底层水流流向凸岸 图5 处于凹岸的宝瓶口正对表面水流 以 正面取水 之势将较清澈的河水引到下游进行灌溉 而处于凸岸的飞沙堰正对底层水流 以 侧面排沙 之势将较浑浊的河水引入外江 宝瓶口 引水 总结 为了说明清晰 前文将分水 排沙 引水3大功能分开对应鱼嘴 飞沙堰 宝瓶口3大设施进行陈述 实际上 这3大功能在时间和空间上都是统一的 鱼嘴除了分水 也有因弯道螺旋流作用而使表层含沙少的水进入内江 底层含沙多的水流入外江 而飞沙堰与宝瓶口除了排沙引水 其位置的设定也有同于鱼嘴的分水作用 在现代水利工程中 为解决这相互对立 相互影响的3大功能 大多采用设置引水闸 分洪闸和冲沙闸的方法 在时间和空间上分开控制 参考文献 胡振鹏 都江堰工程分水排沙的系统科学原理初探 南昌大学学报 工科版 1991 2 张红武 吕昕 弯道水力学 北京 中国水利电力出版社 1993谭徐明 都江堰史 北京 科学出版社 2004刘玉泉 朱克勤 浅谈都江堰工程中流体力学原理的运用 J 力学与实践 2008 4
