水力學(xué)知識點(diǎn)講解

《水力學(xué)》學(xué)習(xí)指南中央播送電視大學(xué)水利水電工程專業(yè)(專科)同學(xué)們，你們好！這學(xué)期我們學(xué)習(xí)的水力學(xué)是水利水電工程專業(yè)重要的技術(shù)根底課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求大家掌握水流運(yùn)動的根本概念、根本理論和分析方法，；能夠分析水利工程中一般的水流現(xiàn)象；學(xué)會常見的工程水力計(jì)算。今天直播課堂的任務(wù)是給大家進(jìn)行一個(gè)回憶性總結(jié)，使同學(xué)們在復(fù)習(xí)水力學(xué)時(shí)，了解重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)總結(jié)課程內(nèi)容，到達(dá)考核要求。第一章 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ρ和容重γ；2．粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動中產(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)摩擦定律: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3．可壓縮性：在研究水擊時(shí)需要考慮。4．外表張力特性：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)根本假設(shè)：(二)連續(xù)介質(zhì)和理想液體假設(shè)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)動的物理量。理想液體：忽略粘滯性的液體?！踩匙饔迷谝后w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)和靜水總壓力兩局部內(nèi)容。通過靜水壓強(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?！惨弧踌o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)算和測量的依據(jù)〕3．重力作用下靜水壓強(qiáng)根本公式〔水靜力學(xué)根本公式〕p=p0+γh 或其中：z—位置水頭，p/γ—壓強(qiáng)水頭〔z+p/γ〕—測壓管水頭請注意，“水頭”表示單位重量液體含有的能量。4．壓強(qiáng)的三種表示方法：絕對壓強(qiáng)p′，相對壓強(qiáng)p，真空度pv,↑它們之間的關(guān)系為：p=p′-papv=│p│〔當(dāng)p＜0時(shí)pv存在〕↑相對壓強(qiáng):p=γh,可以是正值，也可以是負(fù)值。要求掌握絕對壓強(qiáng)、相對壓強(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：對規(guī)那么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?。篜=Ωb,Ω--靜水壓強(qiáng)分布圖面積方向：垂直并指向受壓平面作用線：過壓強(qiáng)分布圖的形心，作用點(diǎn)位于對稱軸上。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出平面上倆點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，把它們端點(diǎn)聯(lián)系起來，就是靜水壓強(qiáng)分布圖?！?〕解析法：大?。篜=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=γhcAx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=γV,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面,受壓曲面以及過曲面邊緣的鉛垂平面這三局部圍成的體積。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)，那么鉛垂分力的方向向上。 3〕合力方向：α=arctg下面我們舉例來說明作用在曲面上的壓力體和靜水總壓力。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，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AB平面，壓強(qiáng)分布如下圖?？倝毫=1/2γH2b；(2)對曲面BC，水平分力的壓強(qiáng)分布如下圖，水平分力PX=1/2[γH+γ〔H+R〕]Rb：壓力體是由受壓曲面、過受壓曲面周界作的鉛垂面、向上或向下與自由外表或它的延長面相交圍成的體積。因此，以1/4圓弧面BC為底〔閃動曲面〕，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)，因此鉛垂作用力的方向是向下的。鉛垂方向作用力的大小：Fz=γV=γ[(H+R)R-1/4πR2]b第三章液體運(yùn)動根本概念和根本方程這一章主要掌握液體運(yùn)動的根本概念和根本方程，并且應(yīng)用這些根本方程解決實(shí)際工程問題。下面我們首先介紹有關(guān)液體運(yùn)動的根本概念：〔一〕液體運(yùn)動的根本概念1.流線的特點(diǎn):反映液體運(yùn)動趨勢的圖線。流線的性質(zhì):流線不能相交；流線不能轉(zhuǎn)折。2.流動的分類液流非恒定流均勻流:過水?dāng)嗝嫔弦毫骱愣鞣蔷鶆蛄鳚u變流急變流在均勻流和漸變流過水?dāng)嗝嫔希瑝簭?qiáng)分布滿足：另外斷面平均流速和流量的概念要搞清?！捕骋后w運(yùn)動根本方程恒定總流連續(xù)方程v1A1=v2A2,Q=vA利用連續(xù)方程，流量可以求斷面平均流速，或者通過兩斷面間的幾何關(guān)系求斷面平均流速。恒定總流能量方程J=—水力坡度，表示單位長度流程上的水頭損失。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，在第四章專門討論它的變化規(guī)律和計(jì)算方法，〔1〕能量方程應(yīng)用條件：恒定流，只有重力作用，不可壓縮漸變流斷面，無流量和能量的出入〔2〕能量方程應(yīng)用考前須知:三選：選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計(jì)算選典型點(diǎn)計(jì)算測壓管水頭:選計(jì)算斷面使未知量盡可能少〔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儀器。畢托管那么是利用能量方程確定明渠〔水槽〕流速的儀器。當(dāng)我們需要求解水流與固體邊界之間的作用力時(shí)，必須要用到動量方程。3.恒定總流動量方程∑Fx=ρQ〔β2v2x-β1v1x〕投影形式∑Fy=ρQ〔β2v2y-β1v1y〕∑Fz=ρQ〔β2v2z-β1v1z〕β—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，一般取β=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流速在各坐標(biāo)軸上投影的分量。動量方程的應(yīng)用條件與能量方程相似，恒定流和計(jì)算斷面應(yīng)位于漸變流段。應(yīng)用動量方程特別要注意下面幾個(gè)問題：(2)動量方程應(yīng)用考前須知：動量方程是矢量方程，要建立坐標(biāo)系?！菜ㄗ鴺?biāo)系應(yīng)使投影分量越多等于0為好，這樣可以簡化計(jì)算過程?！砨)流速和力矢量的投影帶正負(fù)號?！伯?dāng)投影分量與坐標(biāo)方向一致為正，反之為負(fù)〕c)流出動量減去流入動量。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(作用在水體上的力通常有重力、壓力和邊界作用力)e)未知力的方向可以任意假設(shè)?！灿?jì)算結(jié)果為正表示假設(shè)正確，否那么假設(shè)方向與實(shí)際相反〕通常動量方程需要與能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。下面我們舉例說明液體動量方程的應(yīng)用：例3水平床面河道上設(shè)一弧形閘門，閘前漸變流斷面1的水深為H，閘下收縮斷面2的水深hc，閘門段水頭損失為1斷面流速水頭的1.2倍，，求水流對弧形閘門的作用力F？解：根據(jù)題意，求水流對邊界的作用力，顯然要應(yīng)用動量方程求解，由于流速流量未知，首先要利用連續(xù)方程和能量方程把動量方程中的所需的流速v、流量Q計(jì)算出來?！辰猓骸?〕連續(xù)方程〔2〕能量方程求p2〔建立1—1，2—2斷面的能量方程〕取河床水平面為基準(zhǔn)面，代表點(diǎn)選在水面，那么p1=p2=0，水頭損失hw=1.2v21/2g.取α1=α2=1.0∴Q=v1A1=V1×B×H〔3〕用動量方程求水流對弧形閘門的作用力〔取包括閘門段水體進(jìn)行示力分析，建立圖示坐標(biāo)，因水體僅在X方向有當(dāng)動量變化，故設(shè)閘門對水體的反作用力為水平力Rx，方向如下圖，作用在水體上的重力沿x方向?yàn)榱恪硏方向的動量方程：P1-P2-Rx=ρQ(v2-v1)∴Rx=P1-P2-ρQ(v2-v1)對于所取的兩漸變流斷面：P1=1/2γH2B；P2=1/2γhc2B水流對弧形閘門的作用力F與Rx大小相等，方向相反，作用在水體上)下面我們簡單介紹液體運(yùn)動三元流分析的根底?！踩橙鞣治龅母?〔不做考試要求〕液體微團(tuán)運(yùn)動的根本形式：平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)2.有旋流動與無旋流動的區(qū)別。當(dāng)ωx=ωy=ωz=0，為無旋流動或稱有勢流動。3.平面勢流的特點(diǎn)滿足無旋條件：=0—存在勢函數(shù)φ滿足連續(xù)方程：0第四章流態(tài)與水頭損失在討論恒定總流能量方程時(shí)我們曾經(jīng)介紹過，水頭損失hw是非常復(fù)雜的一項(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)?！惨弧乘^損失的計(jì)算方法總水頭損失：hw=∑hf+∑hj沿程水頭損失：達(dá)西公式圓管λ—沿程水頭損失系數(shù)R—水力半徑圓管局部水頭損失ζ—局部水頭損失系數(shù) 從沿程水頭損失的達(dá)西公式可以知道，要計(jì)算沿程水頭損失，關(guān)鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)λ。而λ值確實(shí)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)?！捕骋后w的兩種流態(tài)和判別(1)液體的兩種流態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)層流—液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻的層狀流動。hf∝V1.0紊流—存在渦體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的流動。hf∝V1.75-2當(dāng)流速比擬小的時(shí)候，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻，定義為層流。當(dāng)流速比擬大的時(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：Rek=500圓管：,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(1)斷面流速分布特點(diǎn)：拋物型分布，不均勻：(2)沿程阻力系數(shù)： 層流流動的沿程水頭損失系數(shù)λ只是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成反比。那么紊流中λ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)動特性 〔1〕紊流的特征—液層間質(zhì)點(diǎn)混摻，運(yùn)動要素的脈動 〔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?。?.3水力光滑當(dāng)Re較大＞6水力粗糙；當(dāng)Re介于兩者之間過渡區(qū)〔4〕紊流流速分布〔紊流流速分布比層流流速分布更加均勻〕對數(shù)流速分布指數(shù)流速分?jǐn)?shù)當(dāng)Re＜105n=1/7通過尼古拉茲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紊流三個(gè)流區(qū)內(nèi)的沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。5.λ的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)〔人工粗糙管〕層流區(qū)：λ=f1(Re)=光滑區(qū)：λ=f2(Re)紊流區(qū)：過渡區(qū)：λ=粗糙區(qū)：λ=紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū)，沿程水力摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)無關(guān)，所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實(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：適用：紊流阻力平方區(qū)通常水頭損失計(jì)算常用：第五章有壓管流〔一〕有壓管道恒定流小孔口恒定出流：自由出流淹沒出流μ—流量系數(shù)，μ=0.60～0.62z—上下游水位差。管嘴恒定出流流量公式：—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，所以同樣條件下，管嘴的流量系數(shù)大，說明其過流能力大?！捕澈唵喂艿浪τ?jì)算短管和長管管流的計(jì)算任務(wù)：a〕求過流能力Qb)確定作用水頭Hc)測壓管水頭線和總水頭線的繪制。(3)短管水力計(jì)算自由出流流量公式：流量系數(shù)：b)淹沒出流公式： 〔4〕長管水力計(jì)算:特點(diǎn)：忽略不計(jì)根本公式：—流量模數(shù)〔5〕水頭線繪制考前須知：〔1〕局部水頭損失集中在一個(gè)斷面〔2〕管中流速不變，總水頭線平行于測壓管水頭線總水頭線總是下降，而測壓管水頭線可升可降當(dāng)測壓管水頭線在管軸線〔位置水頭線〕以下，表示該處存在負(fù)壓注意出口的流速水頭〔自由出流〕或局部損失〔淹沒出流〕。下面我們舉例說明簡單管道的水力計(jì)算方法。例1：倒虹吸管，Q=0.5m3/s，管徑d=0.53m,n=0.014，l=70m，上下游的流速水頭忽略不計(jì)，ζ進(jìn)口=0.4，ζ彎=0.2，ζ出口=1.0。求：上下游水位差z。解：∴〔三〕管道非恒定流—水擊1．水擊現(xiàn)象：〔畫圖〕水擊定義：當(dāng)閥門突然啟閉，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，并在邊界上反射的現(xiàn)象?！菜畵魤簭?qiáng)以壓力波的形式向上游或下游傳播〕2水擊的波速和相長水擊波速相長____相長是水擊波傳播一個(gè)來回的時(shí)間，L是管長〕周期____ 3水擊分類：〔1〕直接水擊Ts≤T(從邊界反射減壓波尚未回到閥門處，閥門已關(guān)閉，水擊壓強(qiáng)到達(dá)最大值)〔2〕間接水擊Ts＞T〔與上反之〕4直接水擊壓強(qiáng)計(jì)算：因此在水利工程中的水輪機(jī)、泵站的壓力管道設(shè)計(jì)中，必須十分重視水擊的影響，防止發(fā)生水擊破壞。延長閘門的關(guān)閉時(shí)間和縮短壓力管道的長度，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)動明渠水流主要討論四局部內(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?！惨弧趁鞑劬鶆蛄?.均勻流特征：〔1〕水深，底坡沿程不變〔過水?dāng)嗝嫘螤畛叽绮蛔儭场?〕斷面平均流速沿程不變〔3〕三線平行J=Jz=i(總水頭線、水面線、渠底)2.均勻流形成條件：恒定流，長直棱柱體渠道，正坡渠道，糙率沿程不變3.明槽均勻流公式：Q=VA∴—流量模數(shù)4.明槽均勻流水力計(jì)算類型：求流量Q求渠道糙率n求渠道底坡：設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸求正常水深h0、底寬b對于以上問題都可以直接根據(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)與前面討論過的層流、紊流區(qū)分開來。緩流、急流、臨界流是對有自由外表的明槽水流的分類；層流、紊流的分類是對所有水流〔包括管流和明槽水流〕都適用；明槽水流流態(tài)的判別：判別指標(biāo)VwFrhk，ik〔均勻流〕緩流V<VwFr＜1h>hki＜ik急流V>VwFr＞1h<hki>ik臨界流V=VwFr=1h=hki=ik佛汝德數(shù)Fr：佛汝德數(shù)Fr是水力學(xué)中重要的無量綱數(shù)，它表示慣性力與重力的比照關(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比照關(guān)系?！?〕斷面比能Es：＞0緩流急流=0臨界流斷面比能Es是以過明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)的單位重量水體具有的總機(jī)械能。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，也可以增加或不變，均勻流各斷面的斷面比能就是常數(shù)。〔4〕臨界流方程：(一般斷面〕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)于斷面比能最小值時(shí)的水深?！?〕臨界底坡ik：均勻臨界流時(shí)的底坡。i=ik，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。對于陡坡也同樣如此。下面舉例說明流態(tài)的判別：〔三〕水躍和跌水1.跌水：由緩流向急流過渡。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渡的地方。2．水躍：由急流向緩流過渡產(chǎn)生的水力突變現(xiàn)象。水平矩形斷面明渠水躍：〔1〕水躍方程：J〔h1〕=J〔h2〕〔2〕共軛水深公式：和〔3〕水躍長度lj=6.9(h2-h1)例3矩形渠道i=0.0007，b=2m，n=0.0248，當(dāng)h0=1.5m時(shí)，求渠內(nèi)流量Q和流態(tài)？[解]〔這是求渠道過流能力的問題首先計(jì)算明渠斷面幾何參數(shù)?！趁娣eA=bh==3m2濕周：X=b+2h=5m水力半徑:R=A/X=0.6m〔代入明渠均勻流公式〕：Q=2.28m3/s(即該渠道能通過流量)v=Q/A=0.76m/s，F(xiàn)r=v/√gh=0.198<1.0,故為緩流hk=√q2/g=0.467m<h=1.5m,故為緩流例4：平板閘門局部開啟，Q=20.4m3/s，出閘水深h1=0.62m，b=5m。下游水深ht=2.0m，是否發(fā)生水躍？假設(shè)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〕取α=1.0∵h(yuǎn)1＜hk∴是急流h1=0.62mh2>ht,所以為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍?！菜摹趁鞑酆愣ǚ蔷鶆蛄魈卣鱤沿流程改變v沿流程改變；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。〕〔五〕棱柱體明槽恒定非均勻流水面曲線分析根本方程：〔dh/ds表示沿流程水深的變化規(guī)律〕2.水面曲線分類：壅水曲線〔水深沿流程增加〕降水曲線〔水深沿流程減小〕底坡分類：i＜ik緩坡i＞0正坡i=ik臨界坡i＜ik陡坡i=0平坡i＜0逆坡兩條水深控制線〔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)。5.水面線變化規(guī)律2條水深線把5種底坡上的流動空間劃分為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：每個(gè)流區(qū)只出現(xiàn)一種水面線a、c為壅水曲線，b為降水曲線接近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〕控制斷面：急流在下游，緩流在上游〔5〕正坡長渠道無干擾的遠(yuǎn)端趨于均勻流水面線連接的規(guī)律緩流向急流過渡——產(chǎn)生跌水急流向緩流過渡——產(chǎn)生水躍緩流緩流，只影響上游急流急流，只影響下游6.水面曲線分析實(shí)例:例1:緩坡連接緩坡,后接跌坎(i1＞i2)(a1線和N2線后出現(xiàn)并且加粗)圖示緩坡接緩坡,(i1＞i2)上游來流為均勻流,下游也趨向于均勻流,從N1線要與N2線連接。根據(jù)水面線連接的原那么，緩坡連接緩坡影響上游段，即上游形成a1型壅水曲線。從另一角度分析假設(shè)在下游坡從N1到N2，那么在b1區(qū)發(fā)生壅水曲線，這是不可能的。此例也說明底坡改變將產(chǎn)生非均勻流。例2：陡坡連接緩坡：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根本方程分段求和法：〔差分方程〕差分方程用平均水力坡度代替某點(diǎn)的水力坡度。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(把渠道分成假設(shè)干斷面)第七章泄水建筑物水流問題〔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)閘門對水流不控制時(shí)，這就是堰流。當(dāng)閘門從上面對水流控制，這就是閘孔出流。堰閘出流的區(qū)別：堰流和閘流的判別：平頂堰：≤0.65閘孔出流＞0.65堰流曲線堰：≤0.75閘孔出流＞0.75堰流2.堰流:1)堰流根本公式:根據(jù)能量方程可以導(dǎo)出m—流量系數(shù)〔與堰型、進(jìn)口尺寸、堰高P，及水頭H有關(guān)〕ε1—側(cè)收縮系數(shù)〔與堰型、邊壁條件、淹沒程度、水頭H，孔寬、孔數(shù)有關(guān)〕σs—淹沒系數(shù)〔與水頭H和下游水深有關(guān)〕2〕三種堰型：薄壁堰：測流實(shí)用堰：WES堰特點(diǎn)：H=Hd,md=0.502(H變化，相應(yīng)m也變化)寬頂堰:mmax=0.385，淹沒堰流的水流特性，淹沒條件：＞0.8,σs＜1〔圖〕3)計(jì)算任務(wù)：(1)確定過流能力Q：(2)確定流量系數(shù)m:(3)確定眼堰頂水頭H0：3.閘孔出流：(閘門形式可以分成平板閘門和弧形閘門，出圖)水流特征：收縮斷面水深根本公式 —流量系數(shù)=F〔閘門形式，閘底坎形式〕—淹沒系數(shù)，出現(xiàn)遠(yuǎn)離或臨界水躍時(shí)，=1。下面舉例說明閘孔出流計(jì)算.例:(矩形渠道中修建)單孔平板閘門,b=3m,H=6m,e=1.5m,下游水深ht=3.6m,求:通過的流量。解：〔1〕不考慮淹沒影響=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)由于下游水深ht=3.6m，是否淹沒還需要判斷(2)判斷淹沒情況:當(dāng)查ε2=0.622(收縮端面水深為)hc=ε2e=0.933m(求對應(yīng)于hc的共軛水深,以判別是否淹沒)∵h(yuǎn)c2>ht∴自由出流。淹沒系數(shù)σs=1我們比擬一下堰流和閘孔出流的過流能力.堰流：閘孔出流：在同樣的條件下，水頭H的增加，堰流量要比閘孔通過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?！捕乘縻暯铀こ讨?，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、動能大而且集中。因此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。否那么如果不采取工程措施，就會造成下游河床嚴(yán)重的沖刷，影響水工建筑物的正常運(yùn)行。水流銜接形式：—淹沒系數(shù)，它代表下游水深ht與收縮斷面水深的共軛水深的比值。1〕當(dāng)ht＜：遠(yuǎn)驅(qū)水躍，σj<1。從圖中可知：遠(yuǎn)驅(qū)水躍在渠道中出現(xiàn)急流段，對河床沖刷能力強(qiáng)，不利于河床和建筑物的平安。2〕當(dāng)ht=：臨界水躍,，σj=1，。臨界水躍十分不穩(wěn)定，水流條件微小的改變，會使臨界水躍變?yōu)槠渌问降乃S。3〕當(dāng)ht＞淹沒水躍,σj＞1〔三〕水流消能根據(jù)上面的分析，我們可以知道，遠(yuǎn)驅(qū)水躍存在急流段對下游最為不利；臨界水躍不穩(wěn)定，容易變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。對于淹沒水躍，當(dāng)淹沒系數(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，形成淹沒系數(shù)為1.05~1.10的淹沒水躍與下游水流銜接。1.常用消能方式〔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〕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)烈紊動混摻，消耗大量能量，多用于高水頭和地質(zhì)條件好的情況〕2.底流消能：底流消能一般采用消力池形式。(1)消力池的類型:降低護(hù)坦形成消力池護(hù)坦末端修建消力坎綜合式消力池〔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)a)d=σj-△z-ht其中：消能池通常也可以用下式估算池深d：d=σj-ht(2)消力池長度的計(jì)算(由于消力池末端池壁的作用,消力池中水躍長度比自由水躍Lj短)Lk=(0.7~0.8)Lj(3)設(shè)計(jì)流量池深設(shè)計(jì)流量(-ht)maxQ池長設(shè)計(jì)流量Qmax〔保證水躍不發(fā)生在池外〕例1〔如圖示水閘〕：〔閘前水深〕H=5m，〔開度〕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〕假設(shè)自由出流，令H0=H

〔單寬流量〕∴〔說明行進(jìn)流速對計(jì)算過流能力有影響〕〔查平板閘門垂直收縮系數(shù)表〕查得ε2=0.622∴hc=ε2e=0.78m(2)判別水躍形式(求hc對應(yīng)的躍后水深)∵＞ht∴所以產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍下游需要建消力池：d=σj-ht第八~九章滲流和相似理論〔一〕滲流滲流運(yùn)動是指水在有孔隙的土壤或巖石中的流動，如在土壩、井、閘壩的根底內(nèi)均存在地下水的滲流運(yùn)動〔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)為地下水的流動是連續(xù)地充滿整個(gè)滲流空間。〔2〕滲流模型的條件：與實(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．滲流根本定律〔1〕達(dá)西定律:斷面平均流速：υ=kJ式中：J—滲透坡降；k—土壤的滲透系數(shù)，表示土壤滲透能力的大小。適用范圍：恒定均勻?qū)恿鳚B流。3．恒定無壓漸變滲流根本公式—杜比公式式中：H—測壓管水頭，〔或稱為水面高程〕，J—滲透坡降。〔對于漸變滲流，同一過水?dāng)嗝嫔系臐B透坡降可以認(rèn)為是常數(shù)，因此同一滲流斷面上各點(diǎn)的流速為定值。〕無壓均勻滲流〔地下河槽均勻滲流的斷面平均流速和單寬滲流流量可以