都江堰工程有关流体力学原理的应用

1、都江堰工程简介都江堰是一个集灌溉、防洪、生活和工业用水为一体的大型水利工程。它由余醉、沙飞堰和包口口、百丈大堤、人字形大堤和遍布成都平原的自动排水灌溉渠三大主体工程组成。这三部主要作品可以说是整个工程的灵魂，最能体现都江堰治水的思想和理念。都江堰是伟大的，因为它体现了中国古代人民的智慧，设计科学，布局合理，成功地解决了许多复杂的水利工程问题，如鱼嘴引水、飞沙堰泄洪、包口口引水等，使闽江水资源得到充分利用。鱼嘴“四水六分”，鱼嘴工程建在岷江一段的水面上，呈曲线状，将上游的河流分为两部分：西侧称为外江，沿岷江而下；东部叫内江，流入包口。外江是泄洪的渠道，内江是成都平原的主要灌溉渠道。由于内江又窄又

2、深，外江又宽又浅，所以枯水期水位较低，60%的河流流入河床较低的内江，保证了成都平原的生产和生活用水；洪水来临时，由于水位高，大部分河水都是从河面宽阔的外河排出的。这种自动分配内外河流水量的设计被称为“四六分水”。从流体力学的角度来看，“鱼嘴四六分”的原理是由两个因素决定的：主流线的位置和水的横截面积。主流线是河流各断面最大垂直平均流速的连线，反映了水流的最大动量。都江堰所在河段为天然弯道，主流线位置随流量变化而变化，呈现“近岸低、中间高”的特点。内江位于凹岸侧，外江位于凸岸侧，凹岸侧河床较深，使得内、外河流的截面积关系随水位变化而变化。综上所述，我们做了如下分析：枯水期，水流速度慢，惯性弱，

3、主流线曲率大，主流靠近凹岸，内江的断面比外江大，所以大部分水流在鱼嘴的作用下流入内江(图2):汛期，水流速度快，惯性强，主流离开凹岸，生活在河中，然后是外江。综上所述，只要选择合适的鱼嘴位置，就可以根据需要调整内外河流的配水比例。“沙飞堰”的名字来源于其显著的泄洪排沙功能。沙飞堰是都江堰的三大工程之一。它看起来很普通，但是它有很好的功能。可以说，这是确保成都平原免受洪水侵袭的关键。在旱季，飞沙堰会阻止内河流入外河，并将其引入瓶口；汛期，内江多余的水通过沙飞堰流入外江。万一发生大洪水，他会自己冲破堤坝，让大量的河流回到岷江。飞沙堰更重要的功能是飞沙。岷江从山上奔流而下，携带着大量的泥沙和石块，飞

4、沙堰将大部分泥沙和石块引入外江，从而保证了包口口和灌区的河流畅通。为了解释“飞沙”原理，有必要了解“弯道螺旋流”的形成。“弯道螺旋流”是指河流通过弯道时产生的横向环流，它是由横向力的合力产生的。单位体积水流通过弯道的离心力如下：(1)由于离心力的存在，凹岸水位上升，凸岸水位下降，产生水平梯度Jr和侧向压力f2。沙子由飞沙堰排出，严格地说，除了离心力f1和侧向压力f2之外，水流上的横向力还具有受地球自转影响的科里奥利力f3，其表达式为W0和0分别代表地球自转的角速度和河道所在的纬度，这产生了水面横向梯度的附加表达式，如下所示。这里的负号是因为科里奥利力指向凸岸，与离心力相反，所以水面横向梯度的符

5、号也是相反的。当飞沙堰泄沙时，科里奥利力将在直弯河流中产生水平面梯度，今天它将产生水平环流。通过下面的震级分析，可以看出在都江堰曲流河中科里奥利力的影响相对于离心力是可以忽略的。都江堰河半径约800米，水流密度103公斤/立方米。用f1 u2 (7)代替公式(1)，都江堰纬度为31，w0 10-4 rad/s，用公式(5)代替，得到f3 10-1 u (8)。根据公式(7)和(8)，当都江堰处于旱季时，在汛期，当u为100米/秒时，有f1 1000 f3。因此，当考虑弯道螺旋流时，科里奥利力可以忽略。沙飞堰泄洪排沙，李冰的三字治水经典说：“深冲刷滩，低堰”，其中“低堰”旨在说明沙飞堰高的选择非

6、常重要。从引水角度来看，飞沙堰不能太低，否则包口口的引水量不能满足灌溉要求；从排沙的角度来看，飞沙堰不能太高，否则不能形成环流，泥沙也不能越过飞沙堰。因此，选择合适的堰顶高度可以协调调水与排沙的矛盾。现代经验一般规定，沙飞堰的坝顶高程只需高出河床约2m。从包口口引水，包口口是一个“控制闸门”，可以自动控制内江的流量。合理布置包口口和沙飞堰的位置，可以实现都江堰二期引水排沙功能。在重力作用下，表层水流含泥沙较少，底层水流含泥沙较多；在横向环流的作用下，地表水流向凹岸，而底水流向凸岸(图5)。凹岸的瓶口面向地表水，将清澈的河水引向下游进行灌溉，有“从正面取水”的趋势；然而，凸岸上的飞沙堰面向底层水流，将浑浊的河水以“侧出砂”的趋势引入外河。综上所述，为了解释清楚，分别对鱼嘴、飞沙堰和包口三大设施分别阐述了引水、排沙和引水三大功能。事实上，这三种功能在时间和空间上是统一的。除引水外，由于弯道内的螺旋流，鱼嘴还有表层泥沙较少的水进入内江，底层泥沙较多的水流入外江；飞沙堰和宝瓶口的位置设置除了排沙引水外，还具有与鱼嘴相同的引水功能。在现代水利工程中，为了解决这三种相互对立、相互影响的功能，大多采用设置分洪闸、分洪闸和冲沙闸的方法，在时间和空间上分别控制。参考资料，胡振鹏。都江堰工程引水排沙