水坝为什么是斜的?

2023年02月14日 15:56

  不知道大家有没有发现,我们常见的水坝都是斜的,但实际上,这是一个错误的认识。

  水坝斜度越大,防洪和发电效率就越高,因为倾斜的角度可以降低水流湍急程度和压力增大。

  在《水利工程》一书中对这样一种说法提出了质疑:水坝为何是斜的?

  这就涉及力学上的斜度问题,而“斜”这个词是个动词,所以它其实是个形容词:“弯曲”;而“横着转(指弯曲)”则是动词。

  一、水坝斜转的原因

  我们知道,水坝是一个由许多块木板拼接而成的整体,并且每块木板都是沿着水流方向的,那么,我们可以把这一整体看作一个平面上的三角形:

  这就是一个三角形平面正三角形的基本形状。

  但当水坝在重力作用下,其平面会发生弯曲,从而导致整个三角形变得不稳定。

  二、水坝横着转并不能降低压力和湍急程度

  水坝横着转的说法,也是错误的,因为水流是流动和有压力的,并不会因为你转动了坝,就会改变流速和压力。

  比如同样是水库坝面横着转一下,那么它周围水的流速将会比垂直方向有明显改变(垂直流动)。

  我们再来看下面这个图,从这张图可以看到:斜水坝下游水头很小,但流速很大;而垂直水流的方向则相反,水流流速和压力都增大了。

  如果把水坝竖直了,那么它的上游水面必然会变大(压力降低);而如果把水坝横着转一下,那么它的下游一定会变小。

  同样地,斜坝下游流速和压力都变大,其上游面也肯定会变大(压力增大)。

  因此可以得出结论:由于水坝竖直后上游面减小(压力增大)或者是有坡度使得水流在下游方向上发生了变化导致斜坝不能降低水流的湍急程度和压力。

  三、水坝逆时针转也可以降低压力和湍急程度

  但如果水坝横着转,则会导致压力增大。

  如果水坝倾斜,压力就会增大

  实际上,当水坝横着转时,并不会增加压力;但如果是顺时针转动时,它就会增加水坝内的压力。

  四、水库中的波浪运动特性

  这是一幅波浪随时间变化的动态图,可以看到波浪在一个周期内变化的过程,当波高一定时,运动轨迹是一个抛物线。

  这就可以解释为什么水库中的波浪要比室内中更容易受到影响。

  但实际上,如果你了解了库岸周围水流速度及水的黏性作用后,你会发现这并不是一个难以解决的问题~

  五、水坝横着转可以增加发电效率

  如果把斜度控制在一定范围内,可以减少水流的横向运动,这对于水坝发电来说也是一个非常重要的条件。

  斜度增大后,水坝上水头数将减少,可以减轻下游泥沙淤积,从而增加水流的动能。

  水闸下的水位也将降低,从而减小下游流速、提高流量。

  当上游水位降低时,水流中产生更多的漩涡并增大了其动能和压强,因此水闸下能产生更多的水头;当水位降低后(如图)时,流速变小、压强变大、漩涡也变小,这就使水流变成了直线流动和直线动能。

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