毕业论文题目:弯道水流的特性研究学院(直属系):市政与环境工程系年级、专业: 06级学生姓名:学号:指导教师:完成时间: 2011年6月7 日目录摘要 (3)1前言 (4)2概述 (5)3.水流概念 (6)4缓流弯道水流的特性 (6)4.1弯道水面横比降及超高 (6)4.1.2水面横比降公式比较 (7)4.2断面环流 (10)4.2.1断面环流成因 (10)4.2.2弯道环流的公式推导 (11)4.2.3环流强度及其分布 (15)4.3弯道中纵向流速的分布 (15)5.急流弯道水流的特性 (17)5.1急流冲击波 (17)5.2急流弯道超高大小和超高位置的研究 (20)6.本人对弯道水流特性的总结及公式推导 (22)6.1缓流弯道公式 (22)6.2急流弯道公式 (24)7 弯道对工程的影响 (25)7.1缓流弯道对工程的影响 (25)7.2急流弯道对工程的影响 (25)8 结论 (26)总结与体会 (27)谢辞 (28)摘要水在流动的时候受边界条件影响很大，弯道水流是工程实际中经常碰到的一种水流形式。

由于弯道特有的几何特征和几何条件，其水流特性与顺直河道有显著的不同。

以前的学者对于弯道水流的特性总结颇少，我在此抛砖引玉，对弯道水流的特性做一个大致的归纳。

弯道水流可分为缓流和急流，本文主要研究了弯道缓流的水流横向比降，断面环流，水流流速分布，水流水面线等，研究了弯道急流的冲击波，超高等。

弯道水流的特性研究对江河治理、航运等方面的科学研究与设计有重要意义，因此，我们应对其进行充分研究，为实际工程提供强有力的科学依据。

关键词：弯道；横向比降；断面环流；流速；超高；前言弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象，弯道水流的运动机理和研究成果已在水利枢纽布置，河道、航道整治，取、排水口选址以及码头、港口建设等领域得到了广泛的应用，因此，无论从除害还是兴利的角度，都需要对弯道水流的特性进行充分研究。

本文分别对弯道缓流和弯道急流进行了阐述，较为系统地归纳了弯道水流的特性。

研究弯道水流特性的目的：了解弯道水流的运动规律，为目前工程使用提供参考，为研究提供借鉴，给学习者提供信息等等。

研究弯道水流特性的意义：人工渠道或天然河道一般都有弯道存在。

当水流通过弯道时，水流在弯道中作曲线运动，水质点除受重力作用，还要受到离心力的作用，水流为了平衡这个力而使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成横向水面比降，水力要素在同一横断面上的分布差异很大造成弯道水流流态紊乱。

这种水力现象使得弯道外侧边坡加高而增加了工程量：流态紊乱使得消能防冲困难而威胁工程安全。

在泄水工程布置时，急流弯道中水流的流态十分复杂，若处理不好，将对下游泄槽流态及消能设施均产生很大的影响，对工程安全带来严重威胁。

因此，研究弯道水流的特性对我们的工程具有重要意义。

2概述河湾是平原河流中最普遍、最典型的大地貌形态。

弯曲型河段是冲积河流中最常见的一种河型，在世界分布很广，对防洪、航运等有重要的影响。

由于河道水流与河道的形成之间存在着密切关系，河流演变特征与弯道水流特性当有必然联系。

所以对弯道水流运动规律的研究，在水利工程学的许多领域中，占有重要的位置。

例如，在河流治理、港口兴建、引水防沙、桥墩防冲以及改善河道航运等方面都得到了广泛的应用。

由于弯道水流运动比较复杂，它不仅具有普通直道水流特性，而且水面不平衡，在横向有环流，如果是急流，还会引发冲击波等。

自1870年J.Thompson在实验中发现了弯道水流同时存在着纵向和横向流动以来，很多学者致力于这一问题的研究。

弯道水流分为缓流和急流，本论文主要阐述了弯道水流的超高、流速分布、水面线及冲击波等特性，对其进行了总结、归纳和推导，以便工程运用。

3水流的分类水流流经弯道时作曲线运动，水面形态和水流结构发生调整和变化，形成弯道水流特有的运动特性，而水流按其性质可分为缓流和急流。

缓流，明渠流受障碍物干扰与水流受到扰动所产生的干扰，在性质上是一致的。

若水流的流速较小，小于扰动产生的波速，则干扰波就只能向上游传播，无法向下游传播，这种水流就是缓流]1[。

在弯道水流中也是经常可见的。

急流，明渠流受障碍物干扰与水流受到扰动所产生的干扰，在性质上是一致的，若水流的流速较大，大于扰动产生的波速，则干扰波就只能向下游传播，无法向上游传播，这种水流就是急流]1[。

在弯道水流中是经常可见的。

本文将分别对缓流弯道和急流弯道的水流特性进行阐述。

4缓流弯道水流的特性弯道水流运动与河床变形是河流动力学研究的主要问题之一。

弯道水流特性必决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律。

当水流从直段进入弯段后,由于水流做曲线运动后产生离心力,使凹岸水面高于凸岸水面,形成横比降下的环流,它与河道的纵向水流汇合成为螺旋流,是一种复杂的三维紊流。

多年来,大量学者从各个方面对弯道特有的水流运动、河床演变规律进行了广泛的研究,说明其具有重要的理论意义和使用价值,同时也说明这种三维流体运动的难度和复杂性。

研究弯道水流运动规律与研究河床演变、河道整治、河岸防护等许多问题有着极其密切的关系。

4.1弯道水面横比降及超高4.1.1 横向水面超高图解在离心力的作用下，弯道水流形成凹岸水面高于凸岸水面的横向水面比降。

凹岸和凸岸的水位差，称为横向水面超高]2[，用△h 表示，如图4.1所示。

△h 的计算公式为：B gr v a h 020=∆ （4-1） 式中 a 0——校正系数，取1.01~1.1；v ——断面平均流速；0r ——弯道轴线的曲率半径；B ——水面宽度。

可以看出来，弯道曲率半径越小，则横向水面超高越大；弯道曲率半径越大，则横向水面超高越小。

图4.1 横向水面超高4.1.2水面横比降公式比较当水流由直段进入弯道后,由于离心力的存在而使得自由水面的平衡状态遭到破坏,表现为凹岸水位抬高,凸岸水位降低,从而造成了水面横比降。

描述这一横比降有代表性的公式为罗索夫斯基公式]3[：ghgr V a Jr cp ρτ020+= （4-2） 式中：Jr ——水面横比降;cp V ——纵向垂线平均流速;α0——流速垂线分布不均匀系数;τ0——河底横向阻力;r ——某点距曲率中心半径;ρ——水的密度;g ——重力加速度。

张红武]4[引入流速分布公式,并引入谢才公式,得到下列水面横比降公式:gr V Cg Jr cp 2275.51(+= （4-3） 式中：C ——谢才系数。

在粗糙情况下罗索夫斯基公式所得值略有偏小;而无论粗糙或光滑床面,张红武公式均出现较实测资料略微偏大和偏小的正常情况。

孙东坡等]5[采用结构简单、没有近壁区缺陷的指数型纵向流速分布公式,得到如下横比降公式:gr n n V n Jr cp )2()1(22++= （4-4）式中：n ——与雷诺数和相对粗糙度有关的常数,大量实测资料表明,天然河道取n=7与实测值比较一致。

刘焕芳]4[通过试验研究得出了整个弯道上水面横比降的分布公式:]((61[2420020ψ-ψ+=θθgr V a Jr cp （4-5） 式中:θ——所求断面与弯道进口断面的夹角;ψ0——弯道中心角。

其他字母含义同式（4-2）张海燕]6[计算水面横比降或水面超高时,略去床面引起的横向力,通过作用于深度为D 的水柱上压力与离心力的平衡得到横比降公式如下:gr V C Jr cpr 2= （4-6）式中: Cr ——校正系数。

假定Cr=1,从而得到凹岸与凸岸之间的水面超高Δh 的近似表达式为Δh=02gr BV cp （4-7）式中: B ——水面宽度;尽管计算水面横比降的公式各异,但对于弯道水面最大横向超高的计算,不同的学者用不同的分析方法都得到了式(4-7)的形式。

如沈波]7[等在建立河湾冲刷最大水深的计算式时,对河湾水面横向超高进行了计算。

其采用河湾输沙平衡时断面平均冲止流速z V 近似代替cp V ,得到最大横向超高计算式:Δh=02gr B V z （4-8） 式中：z V ——河湾输沙平衡时断面平均冲止流速。

毛佩郁]8[等认为式(4-7)与直接由离心力所产生的水面横比降简单关系进行积分所得的常见水面超高公式Δh=g v 2ln 0r r 比较,结果甚为相近,而且水面沿河宽呈对数变化曲线也较接近试验资料。

考虑到流速分布的不均匀性,当取v 为断面平均流速时,则可加修正系数1.1左右,即:Δh ′=1.1g v 2ln 0r r （4-9） 式中:Δh ′是以河心半径r 0处为起点计算任意半径r 处的高差。

当把r 0换成凸岸r 1, r 换成凹岸r 2,则可得到凹凸岸最大水面高差Δh 。

但张玉萍]2[认为弯道横向水面凹岸升高除受离心力升高外,还因弯段前直段水流的惯性作用顶冲凹岸时,有部分动能转化为势能而使凹岸水面升高一定数值。

顶冲水流的横向分速Vcos β的部分动能转变为势能使水位升高值为: Δh2=λ(cp V cosβ)2/2g （4-10）式中:β——进口直段轴线与弯段凹岸交点之法线的交角;λ——r 0/β及边坡系数有关的系数,可近似地取值为1。

由此得到弯道横断面最大超高值为:Δh=g v a 20 ln 12r r +gV cp 2)cos (2βλ （4-11） 4.2断面环流4.2.1断面环流成因弯道水流在横断面上形成凹岸水面高，凸岸水面低的环形流动，现分析断面环流的成因。

图4.2表示一矩形弯道，在断面上任取一微元柱体，对其进行受力分析。

作用在柱体上的横向力有离心力和动水压力。

离心力的大小与纵向流速的平方成正比，沿垂线呈抛物线分布，如图2.2a 所示。

柱体两侧动水压强分布见图2.2b 所示，其压强差分布见图2.2c 所示。

离心力和压强差分布叠加后的图形即为作用于柱体的横向合力沿垂线的分布图，见图2.2d 所示。

横向合力的作用，加之水流运动的连续性，形成了断面环流。

图4.2 断面环流的成因4.2.2弯道环流的公式推导弯道水流是三维流,水流在垂线方向存在横向压力梯度,水面横比降引起弯道断面横向压力差,这种压力差沿垂线分布是均匀性的。

但是由于流速沿垂线的不均匀分布引起离心加速度沿垂线的差异,因此导致了弯道断面横向环流的出现。

因为表层水流的速度大于底层水流的速度,这样就使得弯道环流表现为表层水流向凹岸运动,底层水流向凸岸运动,靠近弯道两岸处形成平衡性流速分量,该分量的方向在凸岸向上、凹岸向下。

古今中外已有不少学者对弯道环流的特点进行了研究。

罗索夫斯基原先关于横向流动发展的分析,局限于前部或后部与直段连接的单弯道。

张海燕]6[把罗索夫斯基的研究扩展到曲率沿流向改变的河道。

提供了分析横向流速产生和消失的基础。

流动发展的机理可用每一项的物理意义来描述。

横向流速的空间变化(项Ⅰ)与离心加速度(项Ⅱ)、横向水面比降(项Ⅲ)和紊动切力(项Ⅳ)有关的相互作用相关。