都江堰工程有關(guān)流體力學原理的應用

1、都江堰工程簡介 都江堰是一個集灌溉、防洪、提供生活和工業(yè)用水多方面功能于一體的大型水利樞紐工程，它由魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三大主體工程和百丈堤、人字堤以及遍布于成都平原上的自動引流灌溉渠共同構(gòu)成，而三大主體工程可以說是整個工程的靈魂，也最能夠體現(xiàn)都江堰治水的思想和理念。 都江堰之所以偉大，就在于它凝聚了我國古代人民的智慧，設(shè)計科學、布局合理，成功地解決了魚嘴分水，飛沙堰瀉洪排沙、寶瓶口引水等許多復雜的水利工程問題，使岷江的水利資源充分的得到利用。魚嘴“四六分水” 魚嘴工程，建立在岷江出山口一段呈彎道環(huán)形的江面上，將上游奔流的江水一分為二：西邊稱為外江，它沿岷江順流而下；東邊稱為內(nèi)江，它流入寶瓶口

2、。外江是排洪的河道，內(nèi)江則是負責成都平原灌溉任務的干渠。 由于內(nèi)江窄而深，外江寬而淺，這樣枯水季節(jié)水位較低，則60%的江水流入河床低的內(nèi)江，保證了成都平原的生產(chǎn)生活用水；而當洪水來臨，由于水位較高，于是大部分江水從江面較寬的外江排走，這種自動分配內(nèi)外江水量的設(shè)計就是所謂的“四六分水”。魚嘴分水 從流體力學的觀點來看，“魚嘴分四六”的原理由兩個因素決定：主流線位置和過水斷面面積。 主流線是河流沿程各橫斷面中最大垂線平均流速所在點的連線，反映了水流最大動量的所在。都江堰所在河段為天然彎道，主流線的位置隨流量的變化而異，具有“低水傍岸，高水居中”的特點。 內(nèi)江位于凹岸一側(cè)，外江位于凸岸一側(cè)，其凹岸一

3、側(cè)河床較深，這使得水位不同時，內(nèi)外江的過水斷面面積關(guān)系發(fā)生變化。魚嘴分水 綜合以上兩點，我們做以下分析： 枯水季節(jié)時，水的流速慢，慣性作用弱，主流線曲率大，主流靠近凹岸，加上內(nèi)江過水斷面大于外江，因此在魚嘴作用下，大部分水量流入內(nèi)江（圖2）： 洪水季節(jié)時，水的流速快，慣性作用強，主流離開凹岸，居于河道中間，加上此時外江過水斷面大于內(nèi)江，因此魚嘴將大部分水量送入外江（圖2）。 綜上所述，只要選定魚嘴的適當位置，就可以按照需要調(diào)節(jié)內(nèi)外江分水的比例。飛沙堰瀉洪排沙 “飛沙堰”的命名源自其顯著的瀉洪排沙功能。飛沙堰是都江堰三大主體工程之一，看上去非常平凡，其實功用巨大，可以說是確保成都平原不受水災的關(guān)

4、鍵。 枯水季節(jié)時，飛沙堰阻擋內(nèi)江水流入外江，將其引入寶瓶口；洪水季節(jié)時，內(nèi)江多余的水越過飛沙堰流入外江；如遇特大洪水，他還會自行潰堤，讓大量江水回歸岷江正流。 而飛沙堰更重要的功用是“飛沙”。岷江從萬山叢中疾馳而來，挾著大量泥沙、石塊，飛沙堰將其大部分引入外江，保證了寶瓶口和灌區(qū)的河道暢通。飛沙堰排沙 解釋“飛沙”的原理需要先理解“彎道螺旋流”的形成?！皬澋缆菪鳌笔侵负恿髁鹘?jīng)彎道時產(chǎn)生的橫向環(huán)流，這是由橫向力的合力矩造成的。單位體積水流流經(jīng)彎道所受離心力為 (1) 由于離心力的存在，水面平衡狀態(tài)受到破壞，使得凹岸水面升高，凸岸水面降低，產(chǎn)生水面橫比降Jr 和側(cè)壓力f2 .飛沙堰排沙飛沙堰排沙

5、飛沙堰排沙 在力矩作用下，河流在向前流動的同時伴隨有橫向環(huán)流，即“彎道螺旋流”。橫向環(huán)流將泥沙石塊由凹岸帶向凸岸（圖4）。飛沙堰排沙 嚴格來說，水流所受的橫向力除了離心力 f1 和側(cè)壓力 f2 以外，還有受地球自轉(zhuǎn)影響而產(chǎn)生的科氏力f3 ，表達式為 其中w0 , 0 分別表示地球自轉(zhuǎn)角速度和河道所處緯度，它產(chǎn)生附加的水面橫比降表達式如下 這里的負號是由于科氏力指向凸岸，與離心力相反，因此產(chǎn)生的水面橫比降符號也相反。飛沙堰排沙 科氏力在平直和彎曲河道中都會產(chǎn)生水面橫比降，今兒產(chǎn)生橫向環(huán)流。而通過下面的量級分析可知，在都江堰處彎曲河道中，科氏力的影響相對離心力可以忽略。都江堰河道的半徑約為800m

6、，水流密度103 kg/m3 ，代入式 （1），有 f1 u2 （7） 都江堰處緯度為31，w0 10-4 rad/s，代入式（5）， 得 f3 10-1 u （8） 根據(jù)式(7), (8), 都江堰枯水季節(jié)時，u 1m/s， 有f1 10 f3 ； 洪水季節(jié)時，u 100m/s，有f1 1000 f3 . 因此考慮彎道螺旋流時，可以忽略科氏力。 飛沙堰泄洪排沙 李冰的治水三字經(jīng)有云：“深淘灘，低作堰”，這里“低作堰”旨在說明飛沙堰高度的選取很重要。 從引水的角度，飛沙堰不能過低，否則寶瓶口的引水量無法滿足灌溉要求；而從排沙的角度，飛沙堰也不能過高，否則環(huán)流無法形成，泥沙無法越過飛沙堰。 因此

7、選擇合適的堰頂高度，才能協(xié)調(diào)引水與排沙的矛盾。近代的經(jīng)驗一般規(guī)定，飛沙堰堰頂高程只需高出河床2m 左右。寶瓶口引水 寶瓶口起著“節(jié)制閘”的作用，能自動控制內(nèi)江進水量。 合理安排寶瓶口與飛沙堰的位置，即可實現(xiàn)都江堰第二級分水排沙的功能。在重力作用下，表面水流含泥沙較少，底層水流含泥沙較多；而在橫向環(huán)流作用下，表面水流流向凹岸，底層水流流向凸岸（圖5）.處于凹岸的寶瓶口正對表面水流，以“正面取水”之勢將較清澈的河水引到下游進行灌溉；而處于凸岸的飛沙堰正對底層水流，以“側(cè)面排沙”之勢將較渾濁的河水引入外江。寶瓶口引水總結(jié) 為了說明清晰，前文將分水、排沙、引水3大功能分開對應魚嘴、飛沙堰、寶瓶口3大設(shè)施進行陳述。 實際上，這3大功能在時間和空間上都是統(tǒng)一的。魚嘴除了分水，也有因彎道螺旋流作用而使表層含沙少的水進入內(nèi)江，底層含沙多的水流入外江；而飛沙堰與寶瓶口除了排沙引水，其位置的設(shè)定也有同于魚嘴的分水作用。 在現(xiàn)代水利工程中，為解決這相互對立、相互影響的3大功能，大多采用設(shè)置引水閘、分洪閘和沖沙閘的方法，在時間和空間上分開控制。參考文獻1胡振鵬. 都江堰工程分水排沙的系統(tǒng)科學原理初 探. 南昌