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1、一、流速分布及计算自然界中的水流大部分是湍流。湍流是一种高度复杂的非线性流体运动，在空间中不 规则、时间上无秩序，具有在运动过程中液体质点不断混掺的运动特性。实际中流速计算 一般根据实测数据进行推导，具有代表性的是“六点测流法”，2014 年之后，声学多普勒 流速剖面仪开始被采用，随后有部分学者提出了相应的“多点法测速计算”。水流由于受到层间切应力的作用，其流速沿水深而变化，河底流速小，水面流速大， 河底流速受河床的粘滞作用，基本为零。理论上水流流速由下往上可分成直线层、过渡层 对数区和外层区，其相应的计算公式如下：（一） 直线层水流为层流（层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内
2、低速流动 时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处 最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于 0.5。），只受粘滞切应 力，此时流速可按下式计算：J:水力坡度；。水力坡度，又称比降，是指河流水面单位距离的落差，常用百分比、千分比、万分比表示。（二） 过渡层水流由层流向紊流过度，既受粘滞切应力，又受紊动切应力。 计算方法:近似按照直线层或者对数层公式计算。（三）对数区水流为紊流，主要受紊动切应力影响，流速分布呈对数曲线规律 ,一般计算公式如下其中A和B是系数，与床面粗糙情况有关，通过实际资料确定，y为计算点至河床的距离。爱因斯坦提出的具体计算公
3、式如下:其中为床面粗糙高度，可取床沙代表粒径；X为反映对流速分布实际影响的系数， 与?一?值有关；：为近壁层流层的厚度。直线层、过度层、对数区合称为内层区，区内流速分布主要受床面的影响。（四）外层区水流为紊流，其流速分布除受床面的影响外，还要受到上游来流条件和上部边界条件的 影响，因而其分布规律偏离对数曲线而有一流速增值，计算公式的一般计算形式为：式中，为尾迹强度系数；k为卡门常数；为函数符号；和k通过实测资料确定。y意义同前， h 为断面水深。（五）实际应用在实际中，通常将对数区的流速分布公式推广到全部水深，根据全部水深上的流速分布 资料来确定对数流速分布公式中的系数，再将对数流速分布公式用
4、到全部水深上去。在宽深比介于 6至 10 之间的的河槽中，断面上任一点的水流不仅受到来自河底紊动涡体 的作用，还同时受到来自河岸紊动涡体的作用。纵向流速不仅沿水深变化，沿断面横向分 布也是不均匀的，接近河岸的垂线与河心的垂线流速分布相差较大，岸边垂线的最大流速 往往不在水面上。河槽过于窄深时，河中心垂线的最大流速也不在水面。六点对应两层分方（六）六点实测法计算垂线平均流速一般的流速垂线分布形式如右图所示。设法测量的水深位置分别为 h h h h h h0 1 2 3 4 5,的流速分别为V V V V V V,从表层到底层012345 之间面积为分别为 S S S S S S ，则用积 012
5、345法得到的垂线平均流速V计算公式如下：V二一（S +S +S +S +S+S ）0 1 2 3 4 5在传统的六点法测流中，通常是 h=0,h=0.2H,h=0.4H,h=0.6H,h=0.8H,h=H,0 1 2 3 4 5则上式可优化为V二一V +2(V +V +V +V)+V 。0 1 2 3 4 5如需计算某一点的流速，则根据上述测得值所汇出的函数图像，可以粗略估计某一点的 流速。利用传统六点法计算垂线流速平均值或是某一点流速时，因这种数据处取用的原数据较 少，因此会损失垂线平均流速计算值的精度。而声学多普勒流速剖面仪可以测得一条垂线 上没 1m 甚至小于 1m 一层的流速数据，对
6、于水深 10m 以上的水域，在一条垂线上可以测得 10 层以上的数据，因此对应于上述六点分析法，可以类似地推导出多点分析法，从而大大 提高计算结果的精度。二、水流力计算（一） 水流推动力水流推动力作用方向为顺水流方向，作用位置为水流底部，水流推动力反应了河床面物体 是否被推移，可用来计算河床冲刷。具体计算公式为：式中，Pi为水流推动力； 为水的容重；H为水深；J为水力坡度。图 2 水流推移力示意图图 3 河床不同土质的临界推移力（二） 水流对阻流面的冲击力图 4 水流冲击力示意图作用方向：水平向：作用位置：阻流面高度的一半。式中：卩2 水流推动力（kN/m）；k-绕流系数，对实体坝而言，坝身宽度与坝长相比小得多时取1.0,宽度与长 度大致相等时取 0.7；-水的容重（kN/m3）；h-阻流面高度（m）,不漫水时为阻流面前的水深，漫水时为阻流物的高度；g为 重力加速度：-水流冲击方向与阻流面间的夹角： 为靠近阻流面处水流断面的平均流速（m/s），与水流的压缩程度有关，可按下式进行计算：，-水流未压缩时的断面平均流速，可参考第一节计算，-由于建筑物挤压水流断面而使流速增大的系数，取值见下表：图 5 压缩断面流速增大系数
