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1、目录,第一章 绪论 第二章 水静力学 第三章 水动力学基础 第四章 水流阻力与水头损失 第五章 有压管流与孔口、管嘴出流 第六章 明渠流动 第七章 堰流、闸孔出流及泄流建筑物下游的衔接与消能 第八章 渗流 第九章 河流概论 第十章 水文统计的基本原理与方法 第十一章 桥涵设计流量与水位推算 第十二章 大中桥位勘测设计 第十三章 桥梁墩台冲刷计算 第十四章 小桥勘测设计,本课程学习目的与任务,目的：服务于桥涵工程中的规划、设计、施工、养护，主要叙述水循环从降水到径流这一过程中，关于地面径流（特别是河流中的洪峰流量）的形成、观测和以设计洪峰流量为主的分析计算等内容。 在桥涵（或线路）的规划设计阶段
2、，需要合理地确定工程的规模。考虑到桥涵是泄水建筑物，其规模决定于通过洪水的大小。预估某桥涵工程所在河段未来整个使用期间的水文情况。,在施工阶段，必须对施工期间的水文情况有所了解。对于中小桥梁及涵洞工程，由于施工期限较短，一般尽量安排在枯水期间施工。对于大桥和特大桥工程，施工期限一般均较长，在安排水中桥墩的基础及水下墩身施工时，一方面，为了确定诸如围堰之类的临时性建筑物的尺寸，必须预先估计整个施工期间的天然来水情况，需要通过对多年年内水文变化过程的分析计算来解决；另一方面，为了安排施工的日常工作，必须了解近期内更为确切的来水情况，需要进行水文预报。,在桥涵（及线路）的养护管理工作中，特别是在汛期
3、，为了保证铁路的畅通，同样需要掌握根据水文分析计算得到的未来长期内的水文平均情况，并结合水文预报提供的较短期内的具体情况，从而估计该汛期内洪水的大小及沿线分布，以便结合所辖管段桥涵过水能力的大小，及早采取措施；使洪水能够安全的从桥涵内宣泄。,第一章 绪 论,1.1 水力学与桥涵水文的性质与任务 1.2 水力学的任务及其发展简史和研究方法 1.3 液体的主要物理力学性质 1.4 作用在流体上的力 1.5 流体的力学模型,主要内容,1.1 水力学与桥涵水文的性质与任务,水力学与桥涵水文是公路与城市道路、桥梁、交通工程专业的一门技术基础课，侧重介绍有关基础原理与方法，为专业课作前期理论应用训练及业务
4、素质的培养。桥涵是跨越河渠、宣泄洪水、沟通两侧灌溉水路及保证道路运行安全的泄水建筑物，其有关水力水文计算原理与方法则是本学科的任务。随着我国改革开放的深入，城镇建设日新月异，高等级立体交叉交通枢纽日益增多，高速公路的里程在迅速增长，上世纪末，我国已建成贯穿全国的两纵两横国道主干线，这对路桥工程的等级及设计标准提出了新的要求，合理进行水力水文计算亦更 具重要意义。,水力学和桥涵水文两大内容在学科方面各有独立的体系，但在理论应用方面却有较密切的关系。本书内容共三大部分：水力学、水文学及桥涵设计。水力学不但是桥涵孔径、管道渠道设计的基本理论，也是水文资料收集与整理的理论依据，而水文分析与计算的结果则
5、是水力学理论计算必不可少的数据，水力水文计算结果则是桥涵布设与结构设计的依据。因此，三者组成了路桥及交通工程专业中学科建设的新体系。,水力学属于物理学中力学的一个分支，它的任务是以水为模型研究液体平衡与运动的规律、侧重与演绎推倒及原理方法的应用，在交通土建、市政工程、水利、环境保护、机械制造、石油工业、金属冶炼、化学工业等方面都有广泛的应用。总的说来，水力学的研究方法包含理论分析、实验验证与补充、并利用现代化的电子技术快速求解。桥涵水文属于工程河川水文学范畴并独具专业性应用特点。它主要依靠数理统计分析方法，分析实地调查勘测的河川水文资料，预示桥涵工程可能遭遇的未来水文情势、为桥涵设计提供必不可
6、少的设计数据。,水力学与桥涵水文是桥、隧、铁道工程专业的一门专业基础课，其理论性、系统性较强。它要求学生有一定的理论分析能力和动手操作能力。 1.逐步培养学生课前预习的习惯。 2、努力培养学生记课堂笔记的习惯。 3、注意培养学生的温故习惯。,返回本章,1.2 水力学的任务及其发展简史和研究方法,水力学是研究水体的平衡和水体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科 水力学研究的对象是水体. 水力学在许多工业部门都有着广泛的应用,1、水力学的任务,2、水力学的发展,古代水力学的情况 16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随之有所提高 1
7、8至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论 一条途径是一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本方法，建立了理想水体运动的系统理论，称为“水动力学”或古典流体力学 代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）等,1738年伯努利给出理想流体运动的能量方程,1755年欧拉导出理想流体运动微分方程,1821-1845年，纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）导出适用于实际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程，即N-S方程,另一途径是一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。
8、这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学 代表人物有皮托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等,1732年皮托发明了量测流体流速的皮托管,1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式,1856年达西提出了线性渗流的达西定律,1883年雷诺（O.Reynolds）发表了关于层流、紊流两种流态的系列试验结果，又于1895年导出了紊流运动的雷诺方程 1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，创立了边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的阻力 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学 侧重于工程应用的流体力学称为工程流
9、体力学,3水力学的研究方法,一、理论研究方法 理论方法是通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象（近似），提出合理的理论模型。对这样的理论模型，根据机械运动的普遍规律，建立控制液体运动的闭合方程组，将原来的具体流动问题转化为数学问题，在相应的边界条件和初始条件下求解。理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法求出理论结果，达到揭示液体运动规律的目的。但由于数学上的困难，许多实际流动问题还难以精确求解。,理论方法中，流体力学引用的主要定理有： （1）质量守恒定律： （2）动量守恒定律： （3）牛顿运动第二定律： （4）机械能转化与守恒定律：动能+压能+位能+能量损失=const 由于纯理
10、论研究方法在数学上存在一定的困难，因此亦采用数理分析法求解，即总流分析方法与代数方程为主的求解方法：理论公式+经验系数，经验公式，二维微分方程，基础流体力学（应用流体力学）、水力学。,二、实验研究方法 应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科。它的许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解的，最终还要借助实验检验修正。 （1）.实验研究形式：,（2）.实验研究基础理论 相似理论、量纲分析（因次分析），如原形和模型之间的Re相似或Fr相似。 雷诺数（ Re）： 弗劳德数（Fr）：,三、数值研究方法 数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种
11、离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量描述流场的数值解。近二三十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学科计算流体力学。,返回本章,1.3 液体的主要物理性质,惯性,惯性是物体保持原有状态的性质，凡改变物体的运动状态，都必须克服惯性的作用。,质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。单位体积流体的质量称为密度（density），以表示，单位：kg/m3。对于均质流体，设其体积为V，质量m ，则为密度,对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积，其中质量，
12、则该点密度需要用极限方式表示,常见的密度（在一个标准大气压下）： 4时的水 20时的空气,容重（重度）,黏性,1.黏性的表象,上平板带动粘附在板上的流层运动，而且能影响到内部各流层运动，表明内部各流层之间，存在着剪切力，即内摩擦力，这就是粘性的表象。由此得出，黏性时液体的内摩擦特性。,2.牛顿内摩擦定律,a 定义: 牛顿内摩擦定律： 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即,以应力表示,粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。,说明：1）液体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。 2）液体的切应力与动力粘度成正比。 3）对于平衡液体dr/dt =0，对于理想液体=0，所以
13、均不产生切应力，即 =0。,b.速度梯度的物理意义,由上图可知：,由右图可知, 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度）, 剪应变率,液体与固体在摩擦规律上完全不同的。,c 粘度,1）是比例系数，称为动力黏度，单位“pas”。动力黏度是液体黏性大小的度量，值越大，液体越粘，流动性越差。 2）是运动粘度：由于粘度和密度都是液体的内在属性，在分析粘性液体运动规律时，和经常以比的形式出现，将其定义为液体的运动粘度。,，单位：m2/s,说明：1）液体粘度随温度升高而减小。,微观机制：,液体吸引力T,d 无黏性液体,无粘性液体，是指无粘性即=0的液体。无粘性液体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模
14、型。,无粘性液体不考虑粘性，所以对流动的分析大为简化，从而容易得出理论分析的结果。所得结果，对于某些粘性影响很小的流动，能够较好地符合实际；对粘性影响不能忽略的流动，则可通过实验加以修正，从而能比较容易地解决实际流动问题。,例1-1. 一底面积为40cm45cm，高1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面等速向下运动。已知速度v=1m/s，=1mm，求润滑油的动力粘度系数。,解：设木块所受的摩擦力为T。, 木块均匀下滑, T - Gsin=0,T=Gsin=59.85/13=18.8N,又有牛顿剪切公式,=T/(Av)=18.80.001/(0.400.451)=0.105PaS,可压
15、缩性与热膨胀性,1.概念 （1）可压缩性：液体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原状的性质。 T一定，dp增大，dv减小 （2）热膨胀性：液体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后能恢复原状的性质。 P一定，dT增大，dV增大,2.液体的可压缩性和热膨胀性 液体的压缩系数和体积弹性模量K 液体的压缩系数表示为在一定的温度下，压强增加1个单位，体积的相对缩小率。即为在一定温度下，体积的相对减小值与压强增加值的比值。,若液体的原体积为V，压强增加dP后，体积变化为dV，则压缩系数为：,由于液体受压体积减小，dP与dV异号，以使为正值；其值愈大，愈容易压缩。的单位是“1/Pa”。,根据增压前后
16、质量无变化,得,体积弹性模量K是压缩系数的倒数，用K表示，单位是“Pa”,例 当水的压强增加1个大气压时，水的密度增大约为多少？,解，一般认为水的压缩系数为定值，约为510-10 1/Pa。dP=1105。,d/=510-5=1/20000,（2）液体热膨胀系数，它表示在一定的压强下，温度增加1度，体积的相对增加率。,若液体的原体积为V，温度增加dT后，体积增加dV，热膨胀系数为,单位为“1/K”或“1/”,在一定压强下，体积的变化速度与温度成正比。,例 活塞加压，缸体内液体的压强为0.1MPa时，体积为1000cm3，压强为10MPa时，体积为995 cm3。试求液体的体积弹性模量。,液体表层的分子受到上下两侧分子的引力不同，在合引力的作用下，液体表面仿佛是一张拉紧的弹性膜。从宏观上看，这种存在于液体表面上的拉力称为液体的表面张力 液体表面张力的大小可用表面张力系数表示，的单位为N/m，它随液体种类和温度而变化。水的表面张力系数，当t=10时， =0.074N/m 详见表1-1；水银， =0.54N/m。 由于
