水力學(xué)知識(shí)點(diǎn)講解.

1、第一章定律 :緒論（一 ）液體的主要物理性質(zhì)1 慣性與重力特性：掌握水的密度 和容重 ；2粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動(dòng)中產(chǎn)生能量損失的根本原因。描述液體內(nèi)部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內(nèi)摩擦dudy注意牛頓內(nèi)摩擦定律適用范圍：1） 牛頓流體，2） 層流運(yùn)動(dòng)3可壓縮性：在研究水擊時(shí)需要考慮。4表面張力特性：進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)需要考慮。下面我們介紹水力學(xué)的兩個(gè)基本假設(shè)：（二 ）連續(xù)介質(zhì)和理想液體假設(shè)1 連續(xù)介質(zhì)：液體是由液體質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體, 可以用連續(xù)函數(shù)描述液體運(yùn)動(dòng)的物理量。2理想液體：忽略粘滯性的液體。（三）作用在液體上的兩類作用力第二章水靜力學(xué)水靜力學(xué)包括靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力兩部分內(nèi)容。通過(guò)靜水壓

2、強(qiáng)和靜水總壓力的計(jì)算，我們可以求作用在建筑物上的靜水荷載。（一）靜水壓強(qiáng)：主要掌握靜水壓強(qiáng)特性, 等壓面 , 水頭的概念，以及靜水壓強(qiáng)的計(jì)算和不同表示方法。1靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)特性：（ 1 ）靜水壓強(qiáng)的方向垂直且指向受壓面（ 2） 靜水壓強(qiáng)的大小僅與該點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，與受壓面方向無(wú)關(guān)，2. 等壓面與連通器原理：在只受重力作用, 連通的同種液體內(nèi) , 等壓面是水平面。（ 它是靜水壓強(qiáng)計(jì)算和測(cè)量的依據(jù)）3重力作用下靜水壓強(qiáng)基本公式（水靜力學(xué)基本公式）p=p0+ h 或z p c其中 ： z 位置水頭， p/ 壓強(qiáng)水頭（ z+p/ ）測(cè)壓管水頭請(qǐng)注意， “水頭”表示單位重量液體含有的能量。4 壓強(qiáng)的三種表示

3、方法：絕對(duì)壓強(qiáng)p，相對(duì)壓強(qiáng)p， 真空度pv,它們之間的關(guān)系為：p= p -p a pv= p （當(dāng)p< 0 時(shí)pv存在）相對(duì)壓強(qiáng):p= h, 可以是正值，也可以是負(fù)值。要求掌握絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)和真空度三者的概念和它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1pa（ 工程大氣壓）=98000N/m2=98KN/m2下面我們討論靜水總壓力的計(jì)算。計(jì)算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點(diǎn)，受壓面可以分為平面和曲面兩類。 根據(jù)平面的形狀：對(duì)規(guī)則的矩形平面可采用圖解法，任意形狀的平面都可以用解析法進(jìn)行計(jì)算。（一）靜水總壓力的計(jì)算1）平面壁靜水總壓力（ 1 ）圖解法：大?。?P= b, - 靜水壓強(qiáng)分布圖面積方向：垂直

4、并指向受壓平面作用線： 過(guò)壓強(qiáng)分布圖的形心，作用點(diǎn)位于對(duì)稱軸上。靜水壓強(qiáng)分布圖是根據(jù)靜水壓強(qiáng)與水深成正比關(guān)系繪制的，只要用比例線段分別畫(huà)出平面上倆點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，把它們端點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，就是靜水壓強(qiáng)分布圖。（ 2）解析法：大小：P=pcA,pc形心處壓強(qiáng)方向：垂直并指向受壓平面作用點(diǎn)D：通常作用點(diǎn)位于對(duì)稱軸上，在平面的幾何中心之下。求作用在曲面上的靜水總壓力P，是分別求它們的水平分力Px和鉛垂分力Pz，然后再合成總壓力P。（ 3）曲面壁靜水總壓力1 ）水平分力：Px=pcAx= hcAx水平分力就是曲面在鉛垂面上投影平面的靜水總壓力， 它等于該投影平面形心點(diǎn)的壓強(qiáng)乘以投影面面積。要求能夠繪制水平分力

5、Px的壓強(qiáng)分布圖，即曲面在鉛垂面上投影平面的靜水壓強(qiáng)分布圖。2鉛垂分力：Pz= V ,V-壓力體體積。在求鉛垂分力Pz時(shí) , 要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其延長(zhǎng)面, 受壓曲面以及過(guò)曲面邊緣的鉛垂平面這三部分圍成的體積。當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的同側(cè)， 那么鉛垂分力的方向向下；當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的兩側(cè)，則鉛垂分力的方向向上。3合力方向： =arctgPzPx下面我們舉例來(lái)說(shuō)明作用在曲面上的壓力體和靜水總x壓力。例 5 圖示容器左側(cè)由寬度為b 的直立平面AB 和半徑為R的1/4 圓弧曲面BC組成。容器內(nèi)裝滿水，試?yán)L出 AB的壓強(qiáng)分布圖和BC 曲面上的壓力體剖面圖及水平分力的壓強(qiáng)分布圖

6、，并判別鉛垂作用力的方向, 鉛垂作用力大小如何計(jì)算？解： （1） 對(duì) AB 平面， 壓強(qiáng)分布如圖所示?？倝毫?P=1/22 Hb；（2） 對(duì)曲面BC，水平分力的壓強(qiáng)分布如圖所示，水平分力PX=1/2 H+ （ H+R） Rb：壓力體是由受壓曲面、過(guò)受壓曲面周界作的鉛垂面、三選：選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計(jì)算選典型點(diǎn)計(jì)算測(cè)壓管水頭:選計(jì)算斷面使未知量盡可能少因此， 以 1/4 圓弧面BC為底（閃動(dòng) 曲面） ， 以曲面兩端點(diǎn)向上作鉛垂線，與水面線相交，圍成壓力體。由于與水接觸的受壓面與壓力體在曲面BC的同一側(cè)，因此鉛垂（ 壓強(qiáng)計(jì)算采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）3）能量方程的應(yīng)用：它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求：斷面平均流速，管作

7、用力的方向是向下的。鉛垂方向作用力的大?。篎 z= V= （H+R）R-1/4 R2 b道壓強(qiáng)，作用水頭等。文丘里流量計(jì)是利用能量方程確定管道流量的第三章液體運(yùn)動(dòng)基本概念和基本方程這一章主要掌握液體運(yùn)動(dòng)的基本概念和基本方程，并且應(yīng)用這些基本方程解決實(shí)際工程問(wèn)題。下面我們首先介紹有關(guān)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念：（一）液體運(yùn)動(dòng)的基本概念1 . 流線的特點(diǎn): 反映液體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的圖線。流線的性質(zhì): 流線不能相交；流線不能轉(zhuǎn)折。2 . 流動(dòng)的分類非恒定流均勻流液流 過(guò)水?dāng)嗝嫔虾愣鞣蔷鶆蛄鳚u變流儀器。畢托管則是利用能量方程確定明渠（水槽） 流速的儀器。時(shí)，必須要用到動(dòng)量方程。3. 恒定總流動(dòng)量方程F Q 2 2

8、1Fx=Q(2 v 2x-1 v1x)投影形式 Fy= Q( 2 v 2y - 1 v 1y)Fz=Q(2 v 2z -1 v1z)動(dòng)量修正系數(shù)，一般取 =1.0式中：Fx、 Fy、 Fz 是作用在控制體上所有外力沿各坐標(biāo)軸分量的合力，V1i,V2i 是進(jìn)口和出口斷面上平均8急變流 在均勻流和漸變流過(guò)水?dāng)嗝嫔?，壓?qiáng)分布滿足：另外斷面平均流速和流量的概念要搞清。1. 恒 定總流連續(xù)方程流速在各坐標(biāo)軸上投影的分量。 p動(dòng)量方程的應(yīng)用條件與能量方程相似， c 恒定流和計(jì)算斷面應(yīng)位于漸變流段。應(yīng)用動(dòng)v 1A1= v 2A2 ,Q=vAv2A1v1A2量方程特別要注意下面幾個(gè)問(wèn)題：（2） 動(dòng)量方程應(yīng)用注

9、意事項(xiàng)：a） 動(dòng)量方程是矢量方程，要建立坐標(biāo)系。利用連續(xù)方程，已知流量可以求斷面平均流速，或者通過(guò)兩斷面間的幾何關(guān)系求斷面平均流速。2. 恒 定總流能量方程z1p122vpv1v1 z2 p22v2 hw2g2g標(biāo)系應(yīng)使投影分量越多等于0計(jì)算過(guò)程。）b） 流速和力矢量的投影帶正負(fù)號(hào)。標(biāo)方向一致為正，反之為負(fù)）c） 流出動(dòng)量減去流入動(dòng)量。d） 正確分析作用在水體上的力，一般有重力、壓力和邊界作用力為好，這樣可以簡(jiǎn)化（ 作用在水體上的力J= 水頭損失。水力坡度，表示單位長(zhǎng)度流程上的通常有重力、壓力和邊界作用力e） 未知力的方向可以任意假設(shè)。能量方程是應(yīng)用最廣泛的方程，能量方程中的最后一項(xiàng)hw是單位

10、重量液體從1 斷面流到2 斷面的平均水頭損失，在第四章專門(mén)討論它的變化規(guī)律和計(jì)算方法，假設(shè)正確，否則假設(shè)方向與實(shí)際相反） 通常動(dòng)量方程需要與能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。1 ）能量方程應(yīng)用條件：恒定流，只有重力作用，不可壓縮例 3 水平床面河道上設(shè)一弧形閘門(mén)，閘前漸變流斷面H，閘下收縮斷面2 的水深 hc，閘門(mén)段水頭損失1 斷面流速水頭的1.2 倍， ，求水流對(duì)弧形閘門(mén)的作用漸變流斷面，無(wú)流量和能量的出入2）能量方程應(yīng)用注意事項(xiàng):F？解： 根據(jù)題意，求水流對(duì)邊界的作用力，顯然要應(yīng)用動(dòng)量方程求解，由于流速流量未知，首先要利用連續(xù)方程在討論恒定總流能量方程時(shí)我們?cè)?jīng)介紹過(guò)，水頭損失hw是非常復(fù)雜的一

11、項(xiàng)內(nèi)容，我們將就討論水頭損失以及與水頭損失有關(guān)的液體的流態(tài)。和能量方程把動(dòng)量方程中的所需的流速v、流量Q計(jì)算出來(lái)。 ）方程）解： （ 1 ）連續(xù)方程Hv2 v1 ( ) 5 v1hc2）能量方程求p2 （建立 1 1， 2 2 斷面的能量z1p112 1v12p22v21. 總水頭損失：h w= hf + hj2g2g1）沿程水頭損失：達(dá)西公式l2hf 4R2g2取河床水平面為基準(zhǔn)面，水頭損失hw=1.2v21/2g.取 1= 2=1.0代表點(diǎn)選在水面，p1=p2=0，2）局部水頭損失3）用動(dòng)量方程求水流對(duì)弧形閘門(mén)的作用力2H 0 v12g25v12hc 01c2g2 v11.2 1 2g 局

12、部水頭損失系數(shù)v125.2 2g(H hc )Q=v1A1=V1× B× H（取包括閘門(mén)段水體進(jìn)行示力分析，建立圖示坐標(biāo)，體僅在 X 方向有當(dāng)動(dòng)量變化，故設(shè)閘門(mén)對(duì)水體的反作用從沿程水頭損失的達(dá)西公式可以知道，頭損失， 關(guān)鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)力為水平力Rx，方向如圖所示，作用在水體上的重力沿方向?yàn)榱悖﹛ 方向的動(dòng)量方程：1- P 2- R x = Q (v 2-v 1)lhfd 2g沿程水頭損失系數(shù)A水力半徑R要計(jì)算沿程水。 而 值的確R d4定與水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關(guān)。下面我們就首先討論液體的流態(tài)。（二）液體的兩種流態(tài)和判別（1） 液體的兩種流態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)

13、層流液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻的層狀流動(dòng)。hf V1.0紊流存在渦體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的流動(dòng)。1.75-2hfV當(dāng)流速比較小的時(shí)候，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻，定義為層流。3. 平面勢(shì)流的特點(diǎn)滿足無(wú)旋條件：滿足連續(xù)方程：R x= P 1 - P 2 - Q (v 2-v 1)對(duì)于所取的兩漸變流斷面：P1=1/2 H2B；P 2=1/2 hc2B水流對(duì)弧形閘門(mén)的作用力F 與Rx大小相等，方向相反，作用在水體上）下面我們簡(jiǎn)單介紹液體運(yùn)動(dòng)三元流分析的基礎(chǔ)。（三）三元流分析的基礎(chǔ)*（不做考試要求）液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的基本形式：平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)2. 有旋流動(dòng)與無(wú)旋流動(dòng)的區(qū)別。當(dāng) x= y= z=0，為無(wú)旋流動(dòng)或稱

14、有勢(shì)流動(dòng)。u1 （ =0yx） 存在勢(shì)函數(shù)z2 x yu x0 u yxxy當(dāng)流速比較大的時(shí)候，各流層內(nèi)存在渦體，并且流層間的質(zhì)點(diǎn)互相混摻，定義為紊流。那么液體的流態(tài)怎樣進(jìn)行判別呢？（2）. 流態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re，明槽： Re R Rek=500v圓 Re d 4Rvv管：,Rek=2000流態(tài)的判別的概化條件：Re< Rek層流 ；Re > Rek 紊流判別水流流態(tài)的雷諾數(shù)是重要的無(wú)量綱數(shù)，它的物理意義表示慣性力與粘滯力的比值。3. 圓管層流流動(dòng)（1） 斷面流速分布特點(diǎn)：拋物型分布，不均勻：umax（2） 沿程阻力系數(shù)：64Re層流流動(dòng)的沿程水頭損失系數(shù) 只是雷諾數(shù)的第四章流態(tài)

15、與水頭損失函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成反比。那么紊流中 是怎么計(jì)算的呢？首先要了解一下紊流的特性。4. 紊流運(yùn)動(dòng)特性z 上下游水位差。1. 管嘴恒定出流渡區(qū)1）紊流的特征液層間質(zhì)點(diǎn)混摻，運(yùn)動(dòng)要素2）紊流內(nèi)部存在附加切應(yīng)力：3）紊流邊界有三種狀態(tài)：紊流中：當(dāng)Re 較小 < 0.3當(dāng) Re 較大> 60Re 介于兩者之間水力光滑水力粗糙；0.36 過(guò)0流量公式：Q A 2gH管嘴流量系數(shù)=0.82工作條件：l =（ 3 4） d管嘴與孔口相比，收縮斷面C C 處存在負(fù)壓，所以（ 4）紊流流速分布 布更加均勻）c)(3)1）短管和長(zhǎng)管2）管流的計(jì)算任務(wù)：）求過(guò)流能力Qb） 確定作用水頭H測(cè)壓管水

16、頭線和總水頭線的繪制。短管水力計(jì)算自由出流流量公式：Q c A 2gH 0對(duì)數(shù)流速分布ux指數(shù)流速分?jǐn)?shù)uxumuln y c yn5Re < 105r0n=1/7通過(guò)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紊流三個(gè)流區(qū)內(nèi)5. 的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（人工粗糙管）A層流區(qū)： =f 1（Re）=Re淹沒(méi)4）長(zhǎng)管水力計(jì)算:特點(diǎn)：2vhj2g j忽略不計(jì)光滑區(qū)：紊流區(qū)：過(guò)渡區(qū)：= f2 (Re)= f 3 (Re, )基本公式：H hf l 2粗糙區(qū)：紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū)，沿程水力摩擦系r0數(shù) 與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，所以沿程水頭損失與流速成正比。雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在實(shí)際水利工程中常用舍齊公式和曼寧公式計(jì)算流速或沿

17、程水頭損失，需要掌握。6. 舍齊公式與曼寧公式舍齊公式：曼寧公式：C RJ1 R1 / 6適用： 紊流阻力平方n通常水頭損失計(jì)算常用：8gC2 第五章有壓管流1 小 孔口恒定出流：自由出流QA 2gH淹沒(méi)出流QA 2gz 流量系數(shù)， =0.60 0.62r0d 2gQ2l2K2Ac R 流量模數(shù)（ 5）水頭線繪制注意事項(xiàng)：（ 1 ）局部水頭損失集中在一個(gè)斷面（ 2）管中流速不變，總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線3）4）總水頭線總是下降，而測(cè)壓管水頭線可升可降當(dāng)測(cè)壓管水頭線在管軸線（位置水頭線）流速水頭（自由出流）或局部損失（淹沒(méi)出流）5）注意出口的下面我們舉例說(shuō)明簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算方法。例 1 ：倒

18、虹吸管，已知Q =0.5m 3/s ，管徑閘門(mén)的關(guān)閉時(shí)間和縮短壓力管道的長(zhǎng)度，使管道內(nèi)產(chǎn)生間接水擊是降低水擊壓強(qiáng)的有效措施。第六章明槽水流運(yùn)動(dòng)明渠水流主要討論四部分內(nèi)容：1. 明渠均勻流水力計(jì)算；2. 明渠水流流態(tài)的判別；3. 水躍及水躍共軛水深計(jì)算；4. 明渠非均勻流水面曲線分析和計(jì)算。（一）明槽均勻流d=0.53m,n=0.014 ， l =70m，上下游的流速水頭忽略不計(jì)， 進(jìn)口 =0.4 ， 彎 =0.2 ， 出口 =1.0 。求：上下游水位差 z。1. 均勻流特征： 面形狀尺寸不變）1）水深，底坡沿程不變（過(guò)水?dāng)嘟猓?Q c A 2gZcC 1 R161(d)16n 0.014 41

19、 dlZ 2gQc22A2水擊現(xiàn)象：l 線、水面線、渠底2. 均勻流形成條件：d 坡渠道，糙率沿程不變8g 3. 0明槽均勻流公式： .0244C21d3水擊定義：當(dāng)閥門(mén)突然啟閉，流速急劇改變引起水流壓強(qiáng)大幅度升降，向上游或下游傳播，并在邊界上反射（水擊壓強(qiáng)以壓力波的形式向上游或下游傳播）2 水擊的波速和相長(zhǎng)3）求渠道底坡：水擊波速相長(zhǎng) L 是管長(zhǎng)）1435a（m/s）KD1E相長(zhǎng)是水擊波傳播一個(gè)來(lái)回的時(shí)周期3 水擊分類：4L2Ta（ 從邊界反射減壓波尚未回到閥門(mén)處，閥門(mén)已關(guān)閉，1 ）直接水擊Ts T水擊壓強(qiáng)達(dá)到最大值）2）間接水擊Ts> T4 直接水擊壓強(qiáng)計(jì)算：pa (V0 V)a (

20、V0 V) g必須十分重視水擊的影響，防止發(fā)生水擊破壞。延長(zhǎng)（ 2）斷面平均流速沿程不變（ 3）三線平行J = J z= i （ 總水頭）恒定流，長(zhǎng)直棱柱體渠道，正Q ACC 1 R1/6n2L（ 4）設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸T 求正常水深h0、底寬ba對(duì)于以上問(wèn)題都可以直接根據(jù)明渠均勻流公式進(jìn)行計(jì)算。（ 二 ）明槽水流的流態(tài)和判別類；流）都適用；Ri K iK AC R 流 量模數(shù)4. 明槽均勻流水力計(jì)算類型：（ 1 ）求 流量Q1. 明槽水流三種流態(tài)：緩流 急流臨界流在這里我們要注意把明槽水流的三種流態(tài)與前面討論過(guò)的層流、紊流區(qū)分開(kāi)來(lái)。緩流、急流、臨界流是對(duì)有自由表面的明槽水流的分層流、 紊流的分

21、類是對(duì)所有水流（包括管流和明槽水2. 明槽水流流態(tài)的判別：判別指標(biāo)緩流急流 臨界流3. 佛汝德數(shù)Fr：VwV < VwV > VwV = Vw2）求道率FrFr < 1Fr > 1Fr = 1V 慣性力Fr10g h 重力佛汝德數(shù)Fr 是水力學(xué)中重要的無(wú)量綱數(shù)，它表示慣性力與重力的對(duì)比關(guān)系，與雷諾數(shù)一樣也是模型實(shí)驗(yàn)中的重要的相似準(zhǔn)數(shù)，雷諾數(shù)表示慣性力與粘滯力的對(duì)比關(guān)系。h0=1.5m 時(shí)，求渠內(nèi)流量Q和流態(tài)？ 解 （這是求渠道過(guò)流能力的問(wèn)題首先計(jì)算明渠斷面幾何參數(shù)。 ）2面積 A=bh=3m濕周 ： X=b+2h=5 m203）斷面比能Es：Es h22 Q h2g2g

22、A2水力半徑:R=A/X=0.6m （代入明渠均勻流公式）：123 123Q AC RiAR2 3i 12 2.28m3 / sn> 0 緩流E2s 1 Fr 2< 0 急流dh=0 臨界流Q=2.28m3/s（ 即該渠道能通過(guò)流量）v=Q/A= 0.76m/s， Fr=v/ gh=0.198<1.0, 故為緩流斷面比能Es 是以過(guò)明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)需要注意，。 不同斷面的斷面比能，它的基準(zhǔn)面是不同的，所以斷面比能沿流程可以減少，流各斷面的斷面比能就是常數(shù)。也可以增加或不變，均勻值時(shí)的水深。4）臨界流方程：（Ak3Bhk=q2/g=0.467m<h=1.5m,

23、 故為緩流例4： 平板閘門(mén)局部開(kāi)啟，Q = 20.4m 3/s ，出閘水深h1 = 0.62m， b = 5m。下游水深ht =2.0m，是否發(fā)生水躍？假如在h1 處發(fā)生水躍，求躍后水深h2和水躍形式。解 （首先判斷出閘水流的流態(tài)）（單寬流量）Q 3q 4.08m3 /s mb臨界水深hk： （矩形斷面）注意： 臨界水深是流量給定時(shí)，相應(yīng)于斷面比能最小5）臨界底坡i k ：均勻臨界流時(shí)的底坡。i = ik，h 1< h k 是急流h1 = 0.62 mh2>h t , 所以為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。須要強(qiáng)調(diào)，緩坡上如果出現(xiàn)非均勻流，那么緩流、急流都可以發(fā)生。對(duì)于陡坡也同樣如此。下面舉例說(shuō)明流態(tài)

24、的判別：（三）水躍和跌水1 . 跌水：由緩流向急流過(guò)渡。水深從大于臨界水深hk變?yōu)樾∮谂R界水深，常發(fā)生在跌坎和緩坡向陡坡過(guò)渡的地方。2 水躍：由急流向緩流過(guò)渡產(chǎn)生的水力突變現(xiàn)象。水平矩形斷面明渠水躍：1） h 沿流程改變2） v 沿流程改變；3）水面線不平行于渠底，Jz i（水面線不再是平行于渠底的一條直線。）1 基本方程：dh i Q2 K2ds 1 Fr 21 ）水躍方程：J （ h1） =J（ h2）h2）共軛水深公式：h 1 1 8Fr 2 12213）水躍長(zhǎng)度l j = 6.9 （ h 2 - h 1）（ dh/ds 表示沿流程水深的變化規(guī)律）和h1 h2 12. 水面曲線分類：8F

25、r22 1dh1 220 壅水曲線（水深沿流程ds增加）例 3 矩形渠道i=0.0007， b=2m，n=0.0248 ，當(dāng)dh 0ds降水曲線（水深沿流程減E s Esd E siJ iJ2 底坡分類：i < i k 緩坡1 > 0 正坡 i =ik 臨界坡i < i k陡坡i =0 平坡i < 0 逆坡3 兩條水深控制線（ 1） i > 0，存在N-N線（正常水深h。控制線）（ 2）各種底坡都存在k-k 線（臨界水深hk控制線，沿程不變）（ 3） N-N 線與 K-K 線劃分 12個(gè)流區(qū)。發(fā)生壅水曲線，這是不可能的。此例也說(shuō)明底坡改變將產(chǎn)生非均勻流。例2：陡坡

26、連接緩坡：分析： 水深從陡坡h1< hk轉(zhuǎn)入緩坡h2， 水面線必為壅水曲線。然而，無(wú)論在陡坡b2和緩坡b1 區(qū)均不發(fā)生壅水，這就是從急流到緩流必定發(fā)生水躍，水躍的位置有三種情況，需根據(jù)共軛水深條件經(jīng)計(jì)算確定。下面我們介紹恒定非均勻流水面曲線的計(jì)算。（ 六 ） 恒定非均勻流水面曲線計(jì)算1 基本方程dEQ2si 2iJ dsk2分段求和法：差分方程用平均水力坡度代替某點(diǎn)的水力坡度。5. 水面線變化規(guī)律2 條水深線把5 種底坡上的流動(dòng)空間劃分為12 個(gè)流區(qū)，每個(gè)流區(qū)有一條水面曲線，共有12 條不同類型的水面曲線，他們的變化規(guī)律總結(jié)如下：（ 1 ） 每個(gè)流區(qū)只出現(xiàn)一種水面線（ 2） a、 c 為

27、壅水曲線，b 為降水曲線（ 3） 接近K-K 線趨于正交；（發(fā)生跌水或水躍）接近N-N 線趨于漸近（除a3、 c3 線）（ 4） 控制斷面：急流在下游，緩流在上游（ 5）正坡長(zhǎng)渠道無(wú)干擾的遠(yuǎn)端趨于均勻流4 水面線連接的規(guī)律（ 1 ） 緩流向急流過(guò)渡 產(chǎn)生跌水（ 2） 急流向緩流過(guò)渡產(chǎn)生水躍2 計(jì)算步驟（1） 定性分析棱柱體渠道水面線（確定壅水或降水，非棱柱體不用分析）（2） 確定控制斷面水深（急流向下游，緩流向上游計(jì)算）（3） 設(shè)相鄰斷面水深，取h=0.1 0.3m（ 把渠道分成若干斷面 ）第七章泄水建筑物水流問(wèn)題（一）堰流和閘孔出流圖示堰流和閘孔出口，堰和閘通常是一體的。當(dāng)閘門(mén)對(duì)水流不控制時(shí)

28、，這就是堰流。當(dāng)閘門(mén)從上面對(duì)水流控制，這就是閘孔出流。1 堰閘出流的區(qū)別：堰流和閘流的判別：3）緩流緩流，只影響上游平頂堰：e 0.656. 水面曲線分析實(shí)例例 1: 緩坡連接緩坡, 后接跌坎（i 1> i 2）（a 1線和N2線后出現(xiàn)并且加粗）> 0.65 堰流e 0.75 閘孔出流 HeH > 0.75 堰流2. 堰流 :圖示緩坡接緩坡,（ i 1> i 2）上游來(lái)流為均勻流, 下游也趨向于均勻流, 從N1 線要與N2線連接。根據(jù)水面線連接的原則， 緩坡連接緩坡影響上游段，即上游形成a1型壅水曲線。從另一角度分析若在下游坡從N1 到 N2，則在b1 區(qū)H堰流：01）

29、 堰流基本公式: 根據(jù)能量方程可以導(dǎo)出Q m 1 sb 2g H02m 流量系數(shù)（與堰型、進(jìn)口尺寸、堰高P，及水頭H有關(guān)） 1側(cè)收縮系數(shù)（與堰型、邊壁條件、淹沒(méi)程度、水頭H，孔寬、孔數(shù)有關(guān)） s淹沒(méi)系數(shù)（與水頭H和下游水深有關(guān)）2）三種堰型：薄壁堰：測(cè)流實(shí)用堰：WES堰特點(diǎn)：H=Hd ,m d=0.502 （H 變化，相應(yīng)m也變化）寬頂堰 :mmax =0.385，淹沒(méi)堰流的水流特性，淹沒(méi)條件：> 0.8, s< 1（圖）（2） 判斷淹沒(méi)情況:e當(dāng)0.25 查 2=0.622 （ 收縮端面水深為）H hc= 2e=0.933mVcQ9（.693m/s求對(duì)應(yīng)于hc的共軛水深以判別是否

30、淹沒(méi)bc ）hcvhc2c ( 1 8 v 1) 3.789mc2 2ghchc2>ht自由出流。淹沒(méi)系數(shù) s=1我們比較一下堰流和閘孔出流的過(guò)流能力 hsQ H 0323） 計(jì)算任務(wù)：Q H 012（2） 確定流量系數(shù)m:m 1 Sb 2gH03/2(1)確定過(guò)流能力Q： Q m 1 sb 2gH032（3） 確定眼堰頂水頭H0：H 0 Q2/31 Sb 2gm3. 閘孔出流：（ 閘門(mén)形式可以分成平板閘門(mén)和弧形閘門(mén)，出圖 ）（1） 水流特征：收縮斷面水深h2ec2（2） 基本公式Q s be 2gh0 流量系數(shù)=F（閘門(mén)形式，閘底坎形式）s 淹沒(méi)系數(shù)，出現(xiàn)遠(yuǎn)離或臨界水躍時(shí)，s =1。下

31、面舉例說(shuō)明閘孔出流計(jì)算.例 :（ 矩形渠道中修建） 單孔平板閘門(mén),b=3m,H=6m,e=1.5m,下游水深ht=3.6m, 求 : 通過(guò)的流量。解： （ 1）不考慮淹沒(méi)影響 eH=0.25< 0.65 （ 圖縮小放此屏后側(cè)）閘孔出流（ 寬頂堰上平板閘門(mén)）0.60 1.76 e 0.556HQ be 2gh 27.13m3/sht =3.6m，是否淹沒(méi)還需要判斷在同樣的條件下，水頭 H 的增加， 堰流量要比閘孔通過(guò)的流量增加的快得多。所以在水利工程中經(jīng)常利用堰及時(shí)排放汛期的洪水。（二）水流銜接水利工程中，從溢流壩、泄洪陡槽、閘孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、動(dòng)能大而且集中。因此

32、我們必須要采取工程措施，消耗水流多余的能量，使下泄水流與下游河道能平順地銜接。否則如果不采取工程措施， 就會(huì)造成下游河床嚴(yán)重的沖刷，影響水工建筑物的正常運(yùn)行。ht水流銜接形式： j t 淹沒(méi)系數(shù)，它代表下游水深ht與收縮斷hc面水深的共軛水深的比值。1 ）當(dāng) ht<hc ：遠(yuǎn)驅(qū)水躍， j <1 。從圖中可知：遠(yuǎn)驅(qū)水躍在渠道中出現(xiàn)急流段，對(duì)河床沖刷能力強(qiáng)，不利于河床和建筑物的安全。2 ）當(dāng)ht= h ：臨界水躍, ， j =1， 。臨界水躍十分不穩(wěn)定， c水流條件微小的改變，會(huì)使臨界水躍變?yōu)槠渌问降乃S。ht3）當(dāng)h t> 淹沒(méi)水躍, j> 1jhchc根據(jù)上面的分析，

33、我們可以知道，遠(yuǎn)驅(qū)水躍存在急流段對(duì)下游最為不利；臨界水躍不穩(wěn)定，容易變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。對(duì)于淹沒(méi)水躍，當(dāng)淹沒(méi)系數(shù)大于1.2 時(shí)，也不利于消能。因此通常需要采取修建消力池等工程措施，形成淹沒(méi)系數(shù)為 1.051.10 的淹沒(méi)水躍與下游水流銜接。1. 常用消能方式（ 1 ） 底流消能水躍消能（利用從急流到緩流產(chǎn)生水躍的劇烈翻騰的旋滾，消耗水流多余的能量， 適用于中低水頭和地質(zhì)條件差的情況，在渠道中閘和跌坎的下游廣泛應(yīng)用）（ 2）挑流消能（在泄水建筑物末端修建跳坎，把下泄水流挑射到遠(yuǎn)離建筑物的地方，水流在空中跌落擴(kuò)散，落入河道與水流碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)混摻，消耗大量能量，多用于高水頭和地質(zhì)條件好的情況）V q

34、 1.38m3 / sHV20.10m2gH0 H V25.10m02gq e 2gH 0 6.95m3 / s （說(shuō)明行進(jìn)流速對(duì)計(jì)算過(guò)流能力有影響）ee 0.25 （查平板閘門(mén)垂直收縮系數(shù)表）查得 2 =0H.622hc= 2e=0.78m2. 底流消能：底流消能一般采用消力池形式。（1） 消力池的類型:a） 降低護(hù)坦形成消力池b） 護(hù)坦末端修建消力坎c） 綜合式消力池（ 2） . 降低護(hù)坦消力池設(shè)計(jì)1） 消力池深d （ 根據(jù)圖示的幾何關(guān)系, 消力池深 d 等于 ） hca） d= j - z-h t（2） 判別水躍形式（ 求 hc對(duì)應(yīng)的躍后水深）hq2hcc （ 1 8 q 3 1） 3.

35、19m2ghc h > ht 所以產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍 c下游需要建消力池：d= j -h t其中：hchc2182qghc31)2zq 112g ( ht)2( jhc )2消能池通常也可以用下式估算池深d：dj h C'd= j -h t第八九章滲流和相似理論（一）滲流滲流運(yùn)動(dòng)是指水在有孔隙的土壤或巖石中的流動(dòng)，如在土壩、井、閘壩的基礎(chǔ)內(nèi)均存在地下水的滲流運(yùn)動(dòng)（由于自然界土壤組成的復(fù)雜性，地下水在土壤孔隙中的流動(dòng)難以完全了解和表達(dá)，因此引入了滲流模型的概念）。1 滲流模型（1）概念：忽略全部土壤顆粒的體積（或存在），認(rèn)為地下水的流動(dòng)是連續(xù)地充滿整個(gè)滲流空間。（ 2）滲流模型的條件：與

36、實(shí)際滲流保持相同的邊界條件、滲流流量和水頭損失。需要注意的是：土壤中實(shí)際滲流的流速是大于在滲流（2） 消力池長(zhǎng)度的計(jì)算（ 由于消力池末端池壁的作用消力池中水躍長(zhǎng)度比自由水躍Lj 短 ）L k=（0.70.8）L j（3） 設(shè)計(jì)流量池深設(shè)計(jì)流量（ h-hct ） max池長(zhǎng)設(shè)計(jì)流量Q max發(fā)生在池外）Q（保證水躍不模型中計(jì)算得到的滲流流速，在滲流中討論的都是模型滲流流速。2滲流基本定律（ 1）達(dá)西定律:斷面平均流速： = kJ式中： J滲透坡降；k土壤的滲透系數(shù)，表示土壤滲透例 1（如圖示水閘）已知：（閘前水深）H=5m， （開(kāi)度） e=1.25m,（ 下游水深）ht=2.3m, 求：（ 1）收縮斷面水深hc（2） 判別是否要建消力池。（ 3）粗估消力池深解： （ 1）計(jì)算hc（閘孔出流）0.60 0.176 e 0.556H能力的大小。適用范圍：恒定均勻?qū)恿鳚B流。3恒定無(wú)壓漸變滲流基本公式dHkds杜比公式dHds假設(shè)自由出流，令H0=Hq Q e 2gh