《水力分析与计算》 课件全套 模块1-4 挡水建筑物水力计算-泄水建筑物水力计算

《水力分析与计算》

课程介绍什么是水力学？“很多人觉得水力学是公式、是图表、是工程。但我告诉你们：水龙头、洗澡帘、乒乓球、河流、漩涡、甚至你喝矿泉水的样子，全都是活生生的水力学。今天这门课，我们就从生活里，把水的秘密拆开看。Q1.为什么火车站的站台要设置安全线？提示：高速运动的列车会带动周围空气流动，涉及到“伯努利原理”。Q2.两艘船在海上平行航行时，为什么不能靠得太近？提示：两船之间的水流速度变化会导致压力差，同样涉及“伯努利原理”。Q3.头脑风暴：生活中的水力学现象思考：除了以上例子，你还能想到哪些现象可以用水力学知识来解释？一起来玩水水力现象1.水龙头越往下水流越细现象：打开水龙头，水流从上到下越来越细，甚至断成水珠。水力学原理：连续性方程——流量不变，流速变快，过水断面就变小。趣味点：“水自己会‘瘦身’”。2.浴室窗帘总往里面飘现象：洗澡时，帘子总往腿上贴。原理：水流带动空气流动，帘内流速大、压强小，外面大气压把帘子推过来。趣味点：不是风，是水力学在“撩”你。为什么学兴水利除水害为什么学为什么学

水利工程是社会发展的基础性、战略性支撑，对民生保障、经济增长和生态平衡意义深远。从民生看，它通过修建水库、引水工程等保障城乡供水，解决数亿人的饮水安全问题；防洪堤坝、排涝系统则有效抵御洪涝灾害，守护生命财产安全。经济层面，农田灌溉工程支撑农业稳产高产，为粮食安全筑牢根基；水电站提供清洁电力，助力能源结构优化；航道整治提升物流效率，推动区域经济协同发展。同时，水利工程在水资源调配、水土保持等方面发挥关键作用，是维系生态平衡、实现可持续发展的重要保障，深刻影响着社会进步的质量与速度。为什么学社会主义革命和建设时期：新中国成立初，面对水利残缺、水旱灾害频发的局面，国家掀起大规模水利建设热潮。1950年，中央人民政府发布《关于治理淮河的决定》，1952年作出《关于荆江分洪工程的决定》，还提出“小型为主，中型为辅，必要和可能的条件下兴修大型工程”的方针，全国灌溉面积发展到4亿亩。“大跃进”和国民经济调整时期，水利建设继续推进，丹江口、青铜峡等水利枢纽开工建设。改革开放和社会主义现代化建设新时期：水利战略地位不断强化，从支撑农业发展向支撑整个国民经济发展转变。水利体制机制发生重大变革，大江大河治理明显加快，1998年大水后，水利基础设施建设大规模展开。中国特色社会主义新时代：习近平总书记提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，确立国家“江河战略”。我国着力推进重大水利工程和灾后水利薄弱环节建设，构建国家水网，水资源配置格局不断完善，水旱灾害防御能力全面提升，水环境治理和水生态保护水平不断提高。为什么学就业专业核心技能课程水力分析与计算顶岗实习

本课程是专业基础课程。主要介绍水流运动的基本规律及水力计算方法，培养学生运用这些知识解决工程实际问题的技能，为后续课程提供必备的知识和技能。学什么研究以水为主的液体的平衡和运动规律，以及应用这些规律解决生产实际问题。

1.水力荷载问题FvvF学什么2.过水能力问题学什么3.分析水流流动形态学什么4.水能利用和消能问题小型自来水厂三峡大坝泄洪学什么5.其它水力学问题水击现象（又称水锤现象）是指在有压管道中，由于液体流速突然发生变化（如阀门突然开启或关闭、水泵突然启动或停止等），引起管道内压力急剧波动的一种水力冲击现象。怎么学感谢观看

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挡水建筑物水力计算学习情境描述

水工建筑物在与水接触时，都会受到水压力的作用，对于水工建筑物，要发挥自身的作用和工程效益，首先必须保证自身在施工期、竣工期及运行期安全可靠。在安全可靠性分析中，其中一项任务就要考虑水利枢纽中建筑物的各种受力情况。

在水工建筑物受到的力中，水压力占据着举足轻重的作用。在诸多挡水建筑物中，建筑物挡水壁面有平面的也有曲面的，比如重力坝、土石坝、平板闸门受压面一般为平面壁，弧形闸门、U形渡槽、拱坝坝面等为曲面壁。为了分析解决建筑物所受的静水总压力情况，下面就来讨论挡水建筑物平面类挡水面和曲面类挡水面上静水总压力的计算问题。平面类挡水建筑物静水总压力计算任务1任务2曲面类挡水建筑物静水总压力计算学习指导（1）了解静水压强的基本概念。（2）能运用静水压强的基本特性和重力作用下的静水压强分布规律解决问题。（3）能运用图解法和解析法计算作用在平面类挡水面上的静水总压力。（4）能计算作用在曲面类挡水面上的静水总压力。任务1

平面类挡水建筑物静水总压力计算

1.1.1任务导入三峡水电站，即长江三峡水利枢纽工程，又称三峡工程，位于湖北宜昌夷陵区三斗坪镇。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。参数类别具体数值教学应用场景坝型混凝土重力坝重力坝稳定、应力分析计算坝轴线全长2309.5米坝体平面布置、工程量计算坝顶高程185米挡水水位、坝高计算最大坝高181米坝体高度、水压力荷载计算正常蓄水位175米挡水工况、渗流分析总库容393亿立方米防洪、兴利库容计算防洪库容221.5亿立方米防洪调度、洪水演算坝体组成非溢流坝段、厂房坝段、23个泄洪坝段挡水、泄洪、发电功能分区计算混凝土用量1800多万立方米坝体工程量、材料力学分析

通航建筑物位于左岸，双线五级梯级船闸，是世界上第二大的船闸，全长6.4公里，其中船闸主体部分1.6公里，引航道4.8公里。三峡大坝坝前正常蓄水位为海拔175米高程，而坝下通航最低水位62米高程，船闸上下落差达113米，船舶通过船闸要翻越40层楼房的高度，是世界上水位落差最大的船闸。分成五级之后，上下级之间最大水头还有45.2米，大大超过世界最大一级船闸34.5米的水头。船闸已入选中国世界纪录协会世界第二大的船闸世界纪录(现纪录已被国内的大藤峡水利枢纽工程船闸突破)。

为建船闸，建设者们削平了18座山头，硬是在坝区左岸山岗中辟出一条道来，同时也面临着如何保持高边坡岩体内的稳定和控制边坡的变形的世界级难题。三峡五级船闸设计的是我们中国人，施工的也是我们中国人。他们艰苦奋斗、用于奉献、团队协作、精益求精，经过多年潜心攻关，最终一一破解规模大、水头和技术难度最高等难题，创造出一个个水利奇迹。1.1.1任务导入1.1.1任务导入百年治水梦，彰显民族复兴之志从1919年孙中山提出设想，到1994年开工、2020年竣工验收，历经75年论证、16年建设，几代水利人接续奋斗，将“截断巫山云雨”的蓝图变为现实。防洪减灾，守护人民生命财产三峡大坝将荆江河段防洪标准从“十年一遇”提升至“百年一遇”，2003年蓄水以来，多次成功拦蓄长江洪水，保障中下游数千万群众安全。世界级技术攻坚，铸就精品工程大坝三期右岸坝体无一条裂缝，创造世界水电施工奇迹；攻克大体积混凝土温控防裂、高坝稳定分析、复杂地质条件下基础处理等世界级难题。自主创新，打破国外技术垄断从引进国外机组技术，到自主研发70万千瓦水轮发电机组（21世纪初全球水电装备的顶级技术水平）、掌握全套坝工设计与施工技术，实现“大国重器自主可控”。团结协作，攻克“世界级难题库”削平18座山头、开凿7公里船闸航道；建设者、科研人员、移民群体同心协力，完成不可能完成的任务共产党员网1.1.1任务导入人水和谐，兼顾工程与生态大坝设计兼顾防洪、发电、航运、生态保护，建立珍稀动植物培育基地，实现水利工程与生态环境协调发展。绿色能源，助力双碳目标三峡电站累计发电超1.66万亿千瓦时，减排二氧化碳14.34亿吨，是我国“西电东送”骨干电源点。集中力量办大事的制度优势全国65个单位、412位专家、3200余名科技工作者协同论证；百万移民“舍小家、为国家”，为工程建设腾挪空间。任务：三峡大坝为混凝土重力坝，大坝长2335米，底部宽115米，顶部宽40米，高程185米，正常蓄水位175米。在正常蓄水位时，坝体受到的静水压力是多少？1.1.1任务导入1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析水处于静止状态时所产生的压力叫静水压力。用P表示。单位为牛(N)或千牛(kN)。

一、静水压强（二）点压强（一）平均压强1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（1）静水压强的方向永远垂直指向受压面（2）静水中任何一点上各个方向的静水压强大小均相等（三）静水压强的基本特性1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（四）绝对压强、相对压强、真空及真空值以没有空气的绝对真空为零基准计算出的压强，称绝对压强。以大气压作为零基准计算出的压强，称相对压强。

1.绝对压强

2.相对压强绝对压强小于大气压的那部分压强。称真空压强。3.真空压强1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析二、静水压强基本规律它表明：在静止液体中，表面的气体压强，可不变大小地传递到液体中的任何一点。（帕斯卡定律）它表明：表明静水中任一点的压强与该点在水下淹没的深度成线形关系。

水利工程中常用此式计算静止液体中任一点的静水压强。（一）任意一点静水压强方程式1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（二）任意两点静水压强关系式（三）静水压强方程式的意义它表明：在均质、连通的静止液体中，水平面必是等压面。（连通器原理）1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析1.静水压强基本方程的几何意义

位置水头压强水头测压管水头2.静水压强基本方程的物理意义

单位位能单位压能单位势能

1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析hp=01、静水压强单位2、以工程大气压表示一个工程大气压为98

kN/m2（KPa），相当于10

m(H2O)

或760mm(Hg)液柱高

3.以液柱高表示三、静水压强的单位和量测（一）压强的单位1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（二）压强的测量

当前用来测量液体、气体压强的仪器较多，具有精度高，自动化、智能化等优点。以下仅介绍利用水静力学原理制作的液压计。液压计因其构造简单，使用方便可靠，在实验室和实践中被广泛使用。

1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法一、作用在矩形平面上的静水总压力——图解法

受压面为矩形是水利工程中遇到最多的情况，如平板闸门和单位宽度挡水坝坝面等。计算这类平面上的静水总压力，比较简便的方法是利用静水压强分布图，此法称为图解法，又称压力图法。（一）静水压强分布图

将受压面上的压强沿水深的分布绘制成几何图形，即为静水压强分布图。对于平面类受压面，压强p沿水深h方向呈直线分布，只要确定两个点的压强值，就可以确定该直线。1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法选择受压面纵剖面线的两端点，按p=γh分别计算其压强的大小。按一定比例绘出两长度箭线代表两点压强大小，箭头方向垂直指向两点所在受压面。连接箭线的尾端构成封闭图形，标注两点压强大小。在封闭图形中标示若干点压强的大小及方向。静水压强的分布图的绘制方法1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法（二）静水总压力的计算静水总压力的大小

静水总压力的作用点

静水总压力的方向必然垂直并指向受压平面（大小、方向、作用点）1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法二、作用在任意形状平面上的静水总压力——解析法静水总压力的大小

（大小、方向、作用点）1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法静水总压力的方向的作用点作用点

静水总压力的方向垂直并指向受压平面1.1.4拓展案例图1-111.1.4拓展案例1.1.4拓展案例1.1.4拓展案例1.1.4拓展案例感谢观看

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曲面类挡水建筑物静水总压力计算

1.2.1任务导入二滩水电站地处中国四川省西南边陲攀枝花市盐边与米易两县交界处，处于雅砻江下游，坝址距雅砻江与金沙江的交汇口33公里，距攀枝花市区46公里。1991年9月开工，1998年7月第一台机组发电，2000年完工，是中国在二十世纪建成投产最大的电站。二滩水电站是中国第一座超过200米的高坝（坝高240米；实现从150米到240米的飞跃，谱写了中国高坝建设交响乐的第一乐章）；中国最大的地下厂房洞室群，也是亚洲最大的；二十世纪建成投产的最大电站（电站总装机容量3300兆瓦）；国内最大的水轮发电机组单机容量（550兆瓦），实现了从335兆瓦到550兆瓦的大跨越。1.2.1任务导入

二滩工程采用双曲拱坝，布置在一个狭窄的河段，水头高、流量大，因此泄洪消能设施成为二滩水电站枢纽中的重要组成部分。为使运行条件好，节省投资，利于高速施工，在初步设计的基础上，水利人发挥精益求精的精神，对许多重大技术问题又作了深入的研究，对枢纽总体布置方案和设计方案作了大量比较，进行了优化。采用不同的新型消能工等新技术，施工中用先进的施工方法解决了由于施工布置困难造成的施工干扰大等问题，从而保证了工程能按期发电。

二滩水电站是我国第一个全面实行国际招标，完全按照FIDIC条款实施工程监理的项目，是世界银行在世界范围内对单个工程提供贷款最多的项目，共有47个国家的人员参与了二滩水电站工程的建设，使我国水电建设管理水平跃升了一个新台阶，创造了多个全国乃至世界第一，书写了我国水电建设史上光辉的一页。二滩工程的成功也标志着中国水电建设水平迈上了一个新台阶，川渝两地因此告别了多年的电力紧张局面，为下世纪的经济发展奠定了基础。1.2.1任务导入任务：大坝为混凝土双曲拱坝，电站大坝坝顶高程海拔1205米，最大坝高240米，水库正常蓄水位海拔1200米，顶部厚度11米，拱圈最大中心角91.49°，坝顶弧长775米。在正常蓄水位时，拱坝受到的静水压力是多少？1.2.2拱坝上静水总压力的特点分析一、曲面壁静水总压力的两个分力(一）静水总压力的水平分力（二）静水总压力的铅直分力1.2.2拱坝上静水总压力的特点分析底面为受压曲面本身；

顶面为水面或水面的延长面；

侧面为通过曲面壁的边缘向水面或其延长面做垂面压力体压力方向：曲面上部有水，方向向下；曲面下部有水，方向向上；曲面上、下都有水时，应分开绘制后再将图形合并，根据合并结果确定方向。二、压力体剖面图的绘制方法1.2.2拱坝上静水总压力的特点分析对多个凹凸面的曲面，按Pz方向不同，分段画，再合成。1.2.3拱坝上静水总压力的计算方法大小：方向：作用点：1.2.3拱坝上静水总压力的计算方法求总压力P的步骤：1.2.4拓展案例1.2.4拓展案例1.2.4拓展案例1.2.4拓展案例1.2.4拓展案例1.2.4拓展案例感谢观看

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取水建筑物水力计算学习情境描述

在水利工程和日常生活中，常常需要将水从低处提至高处，引水灌溉、发电等。这就常常需要用到水泵装置、虹吸管、引水隧洞、泄流隧洞、压力管道等各种管道。除此之外，在其他行业也有广泛应用，如石油工程中用管道来输送石油。学习情境描述

这一类管道在输送液体时，液体是完全充满管道所有的横断面的流动，我们称之为管流。其特点是没有自由液面，过水断面的压强一般都不等于大气压强，液体完全靠压力作用流动，管道边壁上的各点都受到水流动水压强的作用，因此有压管流又称为压力流。输送压力流的管道称为压力管道。

若管内有自由液面，即水只占有管道断面的一部分，如城市雨水、污水排水管、涵管等，这种管道称为无压管，无压管中的水流即为无压流，则不能作为管流来研究。流动的水世界探秘任务1任务2水头损失的计算简单管道的水力计算任务3学习指导（1）掌握恒定总流连续方程、能量方程及动量方程的应用条件和注意事项，会用其解决实际工程中的问题。（2）理解过水断面、流量、断面平均流速等基本概念。（3）了解水流运动的类型及判断。（4）理解水头损失产生的原因及其类型。（5）理解水流的两种流动型态并会用雷诺数来判断。（6）会进行沿程水头损失和局部水头损失的计算。（7）认知管流，会对简单短管的进行水力计算。任务1

流动的水世界探秘

2.1.1任务导入

丹尼尔·伯努利在1726年首先提出：“在水流或气流里，如果速度小，压强就大；如果速度大，压强就小”。我们称之为“伯努利原理”。

我们拿着两张纸，往两张纸中间吹气，会发现纸不但不会向外飘去，反而会被一种力挤压在了一起。因为两张纸中间的空气被我们吹得流动的速度快，压力就小，而两张纸外面的空气没有流动，压力就大，所以外面力量大的空气就把两张纸“压”在了一起。这就是“伯努利原理”原理的简单示范。2.1.1任务导入

伯努利方程对于确定流体内部各处的压力和流速有很大的实际意义，在水利、造船、航空等行业都有着广泛的应用。

伯努利方程，又称恒定流能量方程，是理想流体定常流动的动力学方程，解释为不可被压缩的流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。其实质是流体的机械能守恒，即：动能+重力势能+压力势能=常数。对于水泵来说就是：速度水头+静压水头+位置水头=常数。其最为著名的推论为：等高度流动时，流速大，压力就小。2.1.1任务导入任务：伯努利方程可以确定流体内部各处的压力和流速，请简述：1.水流运动三大方程的基本原理；2.运用恒定总流能量方程计算时的方法及注意事项。2.1.2水流运动的特点分析拉格朗日法（迹线法）

欧拉法（流线法）

着眼于流体质点，跟踪质点描述其运动历程着眼于空间点，研究质点流经空间各固定点的运动特性一、描述水流运动的两种方法（一）迹线法（二）流线法2.1.2水流运动的特点分析流线，就是指某一瞬时在流场中绘出一条空间曲线,该曲线上所有液体质点在该时刻的流速矢量都与这一曲线相切。流线的特征：(1)流线上所有各质点的切线方向就代表了该点的流动方向。(2)流线既不能相交，也不能是折线，而只能是一条连续光滑的曲线。(3)流线上的液体质点只能沿着流线运动。1.流线2.1.2水流运动的特点分析流线图的特点：1．流线图的疏密程度反映该时刻流场中各点的速度大小。流线愈密集的地方，流速愈大；流线愈稀疏的地方，流速愈小。2．流线的形状受其周边边界形状的影响，离边界愈近，边界的影响愈大，其形状愈接近边界的形状。2.流线图某一瞬时，在运动液体的整个空间绘出的一系列流线所构成的图形，称为流线图。2.1.2水流运动的特点分析二、水流的运动要素与总流流线正交的液流横断面，称为过水断面。（一）过水断面单位时间内通过某一过水断面的液体体积，称为流量，单位为m3/s。（二）流量2.1.2水流运动的特点分析设想过水断面上各点的流速都均匀分布，且等于v，按这一流速计算所得的流量与按各点的真实流速计算所得的流量相等，则把流速v定义为断面平均速度，单位为

m/s。（三）断面平均流速2.1.2水流运动的特点分析三、水流运动的类型恒定流中，所有物理量的表达式中将不含时间，它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。

（一）恒定流与非恒定流若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时间变化，称流动为恒定流。否则为非恒定流。2.1.2水流运动的特点分析运动要素是否沿程变化？均匀流非均匀流（二）均匀流、非均匀流均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要么是不相平行的直线。

注意：2.1.2水流运动的特点分析是否接近均匀流？渐变流流线虽不平行，但夹角较小；

流线虽有弯曲，但曲率较小。急变流流线间夹角较大；

流线弯曲的曲率较大。是否（三）渐变流、急变流2.1.2水流运动的特点分析2.1.2水流运动的特点分析有无自由表面有压流无压流（四）有压流、无压流、射流有压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。

注意：2.1.3水流运动的计算方法

几个假定：恒定条件下，总流管的形状、位置不随时间变化。液体一般可视为不可压缩的连续介质，其密度为常数。没有流体穿过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个过流断面进出控制体。一、恒定总流的连续性方程A2QmQmA12.1.3水流运动的计算方法

根据质量守恒定律：在单位时间内通过A1流入控制体的流体质量等于通过A2流出控制体的流体质量。

或或恒定总流的连续性方程：2.1.3水流运动的计算方法在有分流汇入及流出的情况下，连续方程只须作相应变化。质量的总流入=质量的总流出。2.1.3水流运动的计算方法

二、恒定总流的能量方程分析水力学问题最常用也是最重要的方程式2.1.3水流运动的计算方法单位重量流体所具有的位置势能（简称单位位能）单位重量流体所具有的压强势能（简称单位压能）单位重量流体所具有的总势能（简称单位势能）1.能量方程的物理意义单位重量流体所具有的动能（简称单位动能）2.1.3水流运动的计算方法表示能量的平衡关系。水流总是从总机械能大的地方流向总机械能小的地方

能量方程的物理意义单位重量流体所具有的总机械能（简称单位总机械能）2.1.3水流运动的计算方法2.能量方程的几何意义位置水头测压管高度测压管水头流速水头总水头线为一条逐渐下降的直线或曲线能量方程的几何意义总水头（又称单位总机械能）2.1.3水流运动的计算方法3.能量方程的图示——水头线2.1.3水流运动的计算方法水力坡度称为水力坡度测压管坡度

2.1.3水流运动的计算方法（一）应用条件水流必须是恒定流、均质不可压缩，且总流量沿程不变。计算断面本身应满足均匀流或渐变流的条件两断面间除了水头损失外，没有其它机械能的输入与输出。三、能量方程的应用条件及注意事项2.1.3水流运动的计算方法“三选一列”的原则；基准面的选取；计算断面的选取；压强表示；动能修正系数的取值。（二）注意事项2.1.3水流运动的计算方法

（三）

有能量输入或输出的能量方程

1、2断面之间单位重量液体从水力机械获得（取+号，如水泵）或给出（取-号，如水轮机）的能量2.1.3水流运动的计算方法四、恒定总流动量方程计算水流与固体边界的相互作用力问题运动物体单位时间内动量的变化等于物体所受外力的合力(一）动量方程的推导2.1.3水流运动的计算方法恒定总流动量方程建立了流出与流进控制体的动量流量之差与控制体内流体所受外力之间的关系，避开了这段流动内部的细节。对于有些水力学问题，能量损失事先难以确定，用动量方程来进行分析常常是方便的。恒定总流动量方程是矢量方程，实际使用时一般都要写成分量形式一维恒定总流动量方程或2.1.3水流运动的计算方法“取、选、标”的原则方向的规定；输入和输出的流量遵循连续性方程；动量一定是流出的动量减去流入的动量。

所选的两个过水断面必须为渐变流断面。与连续性方程和能量方程联立求解。

（二）动量方程的适用条件2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例2.1.4拓展案例感谢观看

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水头损失的计算

2.2.1任务导入

中哈原油管道是中国的第一条战略级跨国原油进口管道。中哈原油管道是中国石油在中亚及俄罗斯地区投资建设的第一条管线，西起哈萨克斯坦阿特劳，途经肯基亚克、库姆克尔和阿塔苏，东至阿拉山口—独山子输油管道首站，全线总长2700多公里，被誉为“丝绸之路第一管道”。管段长度(km)管径(mm)设计压力(MPa)设计输量(万吨/年)投运时间阿特劳—肯基亚克448.86106.36002003年底肯基亚克—库姆科尔7616106.314002009.7库姆科尔—阿塔苏6266106.320002009.7阿塔苏—阿拉山口962.28136.320002006.5全线2798610/8136.320002009全线贯通介质：哈萨克斯坦原油，密度约850–870kg/m³，运动黏度5–20mm²/s（50℃），属高黏易凝原油，需加热输送。

地形：穿越2278km冻土区（-40℃）、山地、荒漠，存在翻越点，水力坡降与高程叠加是设计难点。

运行模式：加热+加压串联输送，全线设多座输油泵站+加热站，采用智能温控+数字孪生控温（误差≤0.5℃）。

2.2.1任务导入

中哈原油管道的建成投产是中哈两国经济互补的双赢之举，既推动了哈萨克斯坦原油出口的多元化，也为中国提供了安全可靠的原油资源。哈萨克斯坦原油的到来，开启了中国境外陆路原油管线供油时代，标志着中国进入了一个更加稳定、安全、持续供油的时代。战略意义：1.能源安全：替代马六甲海峡海运通道，降低海上运输风险，成为中国原油进口陆路主通道之一，年输油量占中国原油进口量约15%。2.双边合作：推动中哈能源深度协同，2008年起连续六年占哈国对华出口贸易总额50%以上，助力哈方优化出口结构，降低对单一市场依赖。3.区域联动：衔接中国西部原油管网（阿拉山口—独山子—乌鲁木齐），支撑西北炼化产业发展，同时与里海区域能源资源形成互补。2.2.1任务导入任务：中哈原油管道的输油路程长，弯道多，还有阀门等，从输油端开始，总能量就会因为这些因素不断消耗，最终使原油不再继续向前流动，那么就需要泵站给原油增加能量，使之能继续克服这些能量消耗，最终达到目的地。泵站给原油增加的能量和原油输送途中消耗能量应该如何计算？2.2.2水头损失的特点分析（一）水头损失产生的根源和分类

问题：理想液体和实际液体的区别？有无黏滞性是理想液体和实际液体的本质区别。

黏滞性是液流产生水头损失的根本原因。一、水头损失2.2.2水头损失的特点分析根据水流流动类型把水头损失分为两类：

(1)沿程水头损失：发生在均匀流或渐变流中，水头损失沿程都有，并随着流程的长度而增加。常用hf表示。(2)局部水头损失：发生在急变流段内，由于水流的扩散和漩涡的形成，产生的较大的水头损失。常用hj表示。常见的发生局部水头损失区域2.2.2水头损失的特点分析液流的总水头损失hw代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和；代表该流段中各种局部水头损失的总和。2.2.2水头损失的特点分析（二）边界对水头损失的影响液流过水断面与固体或液体边界接触的周界称为湿周，用表示。假设有相同流量，一般情况下，过水断面面积大时，湿周也较大，此时水头损失大，但面积大的流速小，故水头损失小，那么此时水头损失是大是小，无法准确判断。为了全面表征过水断面的水力特征，水力学中将两者相互联系起来，即过水断面面积与湿周的比值称为水力半径，用R表示。水力半径2.2.2水头损失的特点分析二、水流运动的两种形态（一）雷诺试验/stlab/syjxsp/list.htm2.2.2水头损失的特点分析当水流流速较小的时候，各流层质点有条不紊，互不混合地分层流动，这种流动型态为层流。当水流流速较大时，各流层中的水流质点已形成漩涡，在流动中互相混合，这种流动型态为紊流。水流具有两种不同的流动型态：2.2.2水头损失的特点分析（二）水流型态的判别进一步研究发现，在管流中，液体流态的转换取决于液体流速v和管径d的乘积与液体运动黏滞系数的比值。这一研究结果也适用于明渠流动，只要用水力半径R代替直径d。该比值称为雷诺数，用Re表示。圆管雷诺数明渠雷诺数雷诺数表示水流惯性力与黏滞力的比值，是一个无量纲数。2.2.2水头损失的特点分析临界雷诺数——流态转换时的雷诺数临界雷诺数只与过水断面形状有关，与液流性质、断面大小无关。经试验测得：圆管临界雷诺数2320，明渠临界雷诺数580。层流层流圆管明渠紊流紊流01022.2.3水头损失的计算方法一、沿程水头损失的分析与计算（一）达西公式该公式先由德国人魏斯巴赫(Weisbach)于1850年首先提出，法国人达西(Darey)在1858年用实验的方法进行了验证，故称为达西—魏斯巴赫公式，简称“达西公式”。

该公式适用管流和渠流所有流区，是一通用理论公式，水利工程中所有具体的计算公式都是由达魏公式推导而来。对于圆管，其水力半径，故沿程水头损失的表达式可写为：2.2.3水头损失的计算方法（二）谢才公式1769年法国工程师谢才（Chezy）根据明渠均匀流的实测资料提出的谢才公式，该公式为一经验公式。谢才公式其中2.2.3水头损失的计算方法(三）实际工程中沿程水头损失的计算公式1.灌溉：渠灌及喷灌、低压管灌须按照我国《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）《喷灌工程技术规范》

GB/T50085-2007、《管道输水灌溉工程技术规范》GB/T20203-2017中规定的公式：（1）渠流计算公式（曼宁公式）或式中2.2.3水头损失的计算方法（2)管流计算公式2.2.3水头损失的计算方法2.室外给水:(城镇工作、生活、公共设施、消防、绿化等)室外给水管、渠须按照我国《室外给水设计标准》（GB50013-2018）中规定的公式：(1)各类塑料管（由达西公式推得）2.2.3水头损失的计算方法(2)混凝土管及采用水泥砂浆内衬的金属管、混凝土渠巴甫洛夫斯基公式谢才公式2.2.3水头损失的计算方法

（3)输配水管道、给水管网2.2.3水头损失的计算方法二、局部水头损失分析与计算其中，局部水头损失系数通常由试验测定，现列于表2-5中。2.2.4拓展案例一、水流流动型态的判别2.2.4拓展案例2.2.4拓展案例二、沿程水头损失和局部水头损失的计算案例2.2.4拓展案例2.2.4拓展案例2.2.4拓展案例2.2.4拓展案例感谢观看

Thankyou任务3

简单管道的水力计算

2.3.1任务导入

它是世界上伟大的奇迹，让奔腾于祖国大地的长江黄河就此“握手”；它是中国的超级工程，攻坚克难，凝结着无数人的心血和智慧；它的贯通确保一渠丹江清水穿越黄河输送至北方，惠泽千万百姓，它就是南水北调的“咽喉工程”——穿黄工程。

这是中国第一次在万古黄河的河道下进行水利工程施工，在世界上也绝无仅有。

在千年沉积，泥沙胶结，混杂交错的黄河河床凿出两条隧道，谈何容易！2.3.1任务导入

面对黄河河床游荡、河槽深度冲淤、复杂地质条件、砂土地震液化等一系列技术难题，穿黄工程集中了当时国内盾构和隧洞施工能力最强的四家央企施工单位，强强联合，组成两大联营体，分别承担上下游隧洞施工。施工过程中，参建各方发扬求真务实、开拓创新、一丝不苟、精益求精的精神，先后攻克了北岸竖井施工、盾构机始发、隧洞盾构掘进等一系列难题，开创了我国的数个第一：第一次采用大直径隧洞穿越黄河，在我国水利史上第一次采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞施工，第一次应用双层衬砌的结构。此外，相关单位研制新型防渗结构和材料，成功解决了结构安全、防渗与排水问题。2.3.1任务导入“穿黄”顾名思义就是“穿越黄河”，其任务是将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸，向黄河以北地区供水，同时在水量丰沛时可向黄河相机补水。在郑州花园口西黄河河床底部40m深处，开凿两条4250m长的隧道，北上的长江水通过两条穿黄隧洞与黄河立体交叉，形成“江水不犯河水”之势俯冲而下，穿越万古黄河。穿黄工程总长19.3km，由南岸明渠、穿黄隧洞及北岸明渠组成，其中黄河南岸明渠长4.6km，穿黄隧洞全长4250m，其中邙山段隧洞长800m，过河段隧洞长3450m，北岸明渠长9.3km，一期工程设计流量为265m3/s，加大流量为320m3/s。2.3.1任务导入任务：这一国内穿越大江大河直径最大的输水隧洞建设9年、运行近10年，工程安全平稳。事实证明，中国人可以依靠自己的力量解决工程中的核心难题。截至目前穿黄工程累计输水已超过400亿m³，极大缓解了京津冀的缺水状况，发挥了显著的经济、社会和生态效益。穿黄工程隧洞的输水流量如何计算？2.3.2有压管流的特点分析一、管流的认知（一）管流的基本概念液体完全充满管道所有横断面的流动。根据hf与hj两种水头损失在损失中所占比重的大小，将管道分为长管及短管两类。根据出口水流的特点可分为：自由出流淹没出流根据其布置情况可分为：简单管道与复杂管道。复杂管道又可分为：串联管道、并联管道、枝状管网、环状官网。（二）管流的分类

2.3.2有压管流的特点分析二、工程中的简单短管（一）虹吸管在水利工程中，常用虹吸原理将水引跨河堤、土坝或高地的输水管道，这种部分管段高于水面，在真空条件下工作的管道系统，称为虹吸管。虹吸管通常采用等直径（或等断面）的简单管道，一般按短管计算。2.3.2有压管流的特点分析1.虹吸原理

在水利工程中，利用虹吸原理来输水就是先对管内进行抽气，使管内形成一定的真空。虹吸管进口处受水面大气压强的作用，使管内管外形成压强差，迫使水流沿管道流动。只要虹吸管内的真空不被破坏，且保持上、下游有一定的水位差，水就会不断地由上游通过虹吸管流向下游。

用虹吸管输水的优点在于充分利用大气压强的作用，无需在管道上增添抽水设备，运行费用低，故而被广泛采用。在我国黄河流域两岸此类虹吸管采用较多。2.3.2有压管流的特点分析2.虹吸管的工作条件

通过虹吸管内所形成的真空将上游水池（或河渠）中的水吸引到较高的位置，再经管道下泄到下游水池（或河渠）。须注意以下几点：（1）要使水流通过虹吸管输送到下游，上游水位必须高于下游水位。（2）要使上游的水开始向高处流动，必须先将管内空气排出，形成一定真空值，而管外为大气压，在管内外一定的压强差作用下，水流开始运动。（3）要使水流保持连续运动，管内的真空又要有一定限制，根据液体汽化压强的概念，管内真空值一般限制在68.6~78.4kPa，即7~8m水柱以下，以保证虹吸管内水流不致汽化。2.3.2有压管流的特点分析（二）水泵

水泵装置是一种增加水流能量的水力机械，在实际生活中被广泛运用。水泵装置由吸水管、水泵和压水管三部分组成。水泵的工作原理是开动水泵前，先由真空泵使水泵吸水管内形成真空，水源的水在大气压强的作用下，从吸水管进入泵壳；启动水泵，此时由电机带动的水泵给水流输入能量（真空泵停止工作），水流获得能量，再经压水管进入下游水池。2.3.2有压管流的特点分析

在水利工程中常常需要修建水泵站灌溉、排水等，而水泵站的核心就是水泵。水泵的选择不仅影响到水泵站是否能正常开展工作，选型的合理更直接关系到泵站的运行成本。在我国，水泵站通常采用的是离心泵，离心泵具有结构简单、输液无脉动、流量调节简单等优点。根据工程的实际情况，首先选取离心泵的类别。2.3.2有压管流的特点分析

节能减排现已成中国经济开展规划大纲的首要内容，特别对电力、钢铁、有色、石油化工、水处置等工业范畴高耗能提出了愈加严厉的减排方针。为了响应国家建设资源节约型社会的需求，光伏水泵成为新的研究潮流，光伏水泵系统利用太阳的持久能源，日出而作、日落而息，无需人员看管、无需公共电网，独立运行、安可靠。系统可与滴灌、喷灌、渗灌、微灌等现代节能灌溉设施配套，解决偏远干旱地区生活饮水、农田灌溉、水土保持及沙漠治理问题。

光伏水泵系统有效的节水节电，大大降低了传统能源的投入，实现了二氧化碳零排放，真正符合国家建设“资源节约型”与“环境友好型”的社会发展战略。2.3.2有压管流的特点分析（三）倒虹吸管渠道穿越河流、渠沟、洼地、道路，采用其他类型建筑物不适宜时，可选用倒虹吸管。常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成,也有用混凝土、钢管制做的,主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。2.3.2有压管流的特点分析

倒虹吸管有悠久的历史。公元前180年在古希腊（今土耳其）帕加马曾建筑一座倒虹吸管，其下弯穿越河谷的深度超过200m，管径为30cm。倒虹吸管在中国古代称为渴乌,公元186年在《后汉书》中已见记载。

中华人民共和国成立后，修建了大量倒虹吸管，在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有不少发展。预应力钢筋混凝土管由于其承压较高,具有较高的抗裂性、抗渗性,故得到了推广。如人类历史上最宏大的穿越大江大河的水利工程——南水北调中线穿黄工程就采用了倒虹吸管。2.3.3有压管流的计算方法一、简单短管自由出流的水力计算方法对1-1断面和2-2断面建立能量方程令

且因2.3.3有压管流的计算方法

故

上式表明，管道的总水头将全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。因为沿程损失局部水头损失有2.3.3有压管流的计算方法

取

则

管中流速通过管道流量式中称为管道系统的流量系数。当忽略行近流速时，流量计算公式变为

2.3.3有压管流的计算方法二、简单短管淹没出流的水力计算方法管道出口淹没在水下称为淹没出流。取符合渐变流条件的断面1-1和2-2列能量方程因则有

在淹没出流情况下，包括行进流速的上下游水位差z0完全消耗于沿程损失及局部损失。

2.3.3有压管流的计算方法

因为整理后可得管内平均流速通过管道的流量为式中，称为管道系统的流量系数。当忽略掉行近流速时，流量计算公式为2.3.3有压管流的计算方法三、虹吸管的水力计算方法虹吸管水力计算需解决以下3类计算问题：（1）在已定上下游水位差的条件下，已知管径，确定输水流量。（2）由虹吸管水流的允许真空值来确定管顶允许最大安装高度。（3）已知安装高度，校核管中最大真空值是否超过允许值。

第（1）类计算问题可以用简单短管淹没出流的计算方法来解决，第（2）、（3）类问题可以用列恒定总流的能量方程解决。2.3.3有压管流的计算方法四、水泵的计算方法1.水泵管道水力计算的内容：

①吸水管计算——主要确定吸水管管径及水泵安装高度；

②压力管计算——主要确定压力管管径、水泵扬程和水泵动力机械装机容量。上述两部分计算都属于简单短管管道计算。2.管径的选择根据工程实践中总结出的一些实用管道的经济流速的变化范围选定流速，由下式确定管道的经济直径：2.3.3有压管流的计算方法

2.3.3有压管流的计算方法4.水泵扬程确定：对1—1断面和4—4断面列能量方程，得

5.水泵的动力机械功率2.3.3有压管流的计算方法五、倒虹吸管的水力计算方法倒虹吸管按短管淹没出流计算。倒虹吸管经济流速ve=1.5~2.5m/s。水力计算的类型：（1）已知管道直径d、管长、上下游水位差z，求过流量。（2）已知管道直径d、管长及管道布置、过流量Q，求上下游水位差z。（3）已知管道布置、过流量Q和上下游水位差z，求管道直径d。2.3.4拓展案例一、简单短管自由出流计算案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例2.3.4拓展案例感谢观看

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输水建筑物水力计算学习情境描述明渠是地球上最为生动、最富有创造力的生命纽带，川流不息的水流系统成就了人类文明和自然界万物生灵的繁茂。长江黄河学习情境描述

长江是中华民族的母亲河，全长6363km，是中国第一大天然河，也是亚洲最长的河流，世界第三大河。长江经济带是“一带一路”的主要交汇地带。长江经济带覆盖11个省市，约占1/5国土面积，聚集的人口占全国40％以上。经济的快速增长、流域的大规模开发，造成局部水环境质量降低、水生态系统受损、水土流失加剧、重要湿地萎缩，环境污染风险加大。

2016年1月5日，习近平总书记在重庆召开的推动长江经济带发展座谈会上，全面深刻阐述了推动长江经济带发展的重大战略思想，提出实施长江经济带发展战略。当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发。学习情境描述

明渠水流的运动是在重力作用下形成的。在流动过程中，自由水面不受固体边界的约束（这一点与管流不同），因此，在明渠中如有干扰出现，例如，底坡的改变、断面尺寸的改变、粗糙系数的变化等，都会引起自由水面的位置升降，即水面随时空变化，这就导致了运动要素发生变化，使得明渠水流呈现出比较多的变化。在一定流量下，由于上下游控制条件的不同，同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。正因为明渠水流的上边界不固定，故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。明渠恒定均匀流的水力计算任务1任务2明渠恒定非均匀流的水力计算学习指导（1）明确明渠水流的特点，会根据发生条件判断明渠恒定均匀流。（2）会进行明渠恒定均匀流各参数的水力计算。（3）掌握明渠恒定均匀流三种流态的判定方法。（4）了解水跌和水跃的概念，会计算水跃长度和能量损失。（5）掌握各种坡度的概念，会判断水面线类型，计算水面曲线。任务1

明渠恒定均匀流的水力计算

3.1.1任务导入

京杭大运河，沿用隋大运河改道并裁弯取直，是世界上里程最长、工程最大的古代运河，也是最古老的运河之一，与长城、坎儿井并称为中国古代的三项伟大工程，并且使用至今，是中国古代劳动人民创造的一项伟大工程，是中国文化地位的象征之一。3.1.1任务导入

京杭大运河全长1794千米，是中国仅次于长江的第二条“黄金水道”，价值堪比长城。它是世界上开凿最早、长度最长的一条人工河道，长为苏伊士运河（190千米）的9倍，巴拿马运河（81.3千米）的22倍。大运河南起余杭（今杭州），北到涿郡（今北京），全程可分为七段：通惠河；北运河；南运河；鲁运河；中运河；里运河；江南运河。

京杭大运河从公元前486年始凿，距今已有2500多年的历史。大运河开掘于春秋时期，完成于隋朝，繁荣于唐宋，取直于元代，疏通于明清。漫长的岁月里，经历三次较大的兴修过程。最后一次的兴修完成才称作“京杭大运河”。3.1.1任务导入古代功能漕运：南粮北运、物资调配、经济命脉。防洪排涝：疏导洪水、减轻水患。灌溉：引水灌溉沿线农田。军事：运兵、运粮、巩固边防。2.现代功能（水利类重点）南水北调东线：大运河是输水主通道，年调水约15亿立方米。航运：山东济宁以南全年通航，年货运量3.5亿吨（煤炭、建材）。生态补水：2024年补水15.36亿立方米，改善水质、回补地下水。防洪排涝：承担沿线排涝、调洪任务。3.1.1任务导入习近平总书记在党的二十次全国代表大会上的报告中指出：中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。人与自然是生命共同体，无止境地向自然索取甚至破坏自然必然会遭到大自然的报复。我们坚持可持续发展，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，像保护眼睛一样保护自然和生态环境，坚定不移走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，实现中华民族永续发展。三四十年前，在大运河沿线，工厂废水、生活污水直排运河，搞得河水发黑发臭，河段遭受严重污染，受地理、气候等因素影响，有些河段几度干涸断流。这些年来，随着国家有关部门和运河沿线省市持续加大生态保护力度，干涸的河段重新过水，黑臭的河水逐渐变清。如今，岸绿、水美、人和、业兴的运河生态重现，使凝聚中华文明的大运河重获新生。3.1.1任务导入任务：2002年，原本只负责通航的京杭大运河被纳入了“南水北调”三线工程之一，成为中国南水北调东线工程的重要环节和通道，通过它长江下游的水得以送到北部缺水的山东和河北等地。水利部2023年3月启动京杭大运河全线贯通补水工作，在2022年京杭大运河实现百年来首次全线水流贯通基础上，进一步发挥南水北调东线工程综合效益，持续推进华北地区河湖生态环境复苏和地下水超采综合治理，助力大运河文化保护传承利用。如何计算京杭大运河的输水流量？3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析一、明渠和明渠水流

明渠是一种具有自由表面水流的渠道，明渠包括人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等。

明渠中流动的水流为明渠水流，具有自由水面。自由水面上各点绝对压强均等于大气压强，相对压强为零，所以明渠水流又称为无压流动。与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。天然河道、人工修建的渠道、无压隧洞及渡槽中的水流都属于明渠水流。3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析（一）明渠横断面及水力要素常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆形。边坡系数m：反映渠道两侧倾斜程度。水力半径：：断面面积：湿周天然河道的横断面常呈不规则形状。A3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析（二）明渠的底坡及分类明渠渠底线（即渠底与纵剖面的交线）上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡，用i表示。(a)正坡明渠(b)平坡明渠(c)逆坡明渠3.1.2明渠恒定均匀流的特点分析二、明渠恒定均匀流（一）明渠恒定均匀流的概念明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流动和非恒定流动。明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。（二）明渠恒定均匀流的特点1、均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别是水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深。

2、过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。

3、总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，J=Jp=i。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法一、明渠恒定均匀流的基本公式明渠均匀流流量公式式中C为谢才系数，可用曼宁公式计算单位为

为流量模数，单位为（m3/s），它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法二、渠槽中的允许流速

允许流速是为了保持渠道安全稳定运行,在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。

3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法三、水力最佳断面和实用经济断面

指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。对于明渠均匀流：

具有水力最佳断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R最大，即湿周χ最小的断面能通过最大的流量。

i，n，A给定时，湿周χ最小的断面是圆形断面，即圆管为水力最佳断面。3.1.3明渠恒定均匀流的计算方法1.梯形水力最佳断面的宽深比值为：

上式表明：梯形水力最佳断面的b/h值仅与边坡系数m有关。矩形断面，m=0，则：

即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两倍2、矩形断面的水力最佳断面3.1.4拓展案例一、渠道过流能力计算3.1.4拓展案例3.1.4拓展案例3.1.4拓展案例二、渠道断面尺寸设计3.1.4拓展案例3.1.4拓展案例3.1.4拓展案例感谢观看

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输水建筑物水力计算任务2

明渠恒定非均匀流的水力计算

3.2.1任务导入

红旗渠位于河南省安阳市林州市，是20世纪60年代林县（今林州市）人民在极其艰难的条件下，从太行山腰修建的引漳入林的水利工程，被人称之为“人工天河”。

工程规模：总干渠：70.6公里

干、支、斗、农渠总长：1500公里

削平山头：1250座凿通隧洞：211个架设渡槽：152座灌区面积：54万亩

红旗渠工程于1960年2月动工，至1969年7月支渠配套工程全面完成，历时近十年，已成为“引、蓄、提、灌、排、电、景”配套的大型体系。红旗渠全长1500km，共削平了1250座山头，架设151座渡槽，开凿211个隧洞，修建各种建筑物12408座，挖砌土石达2225万m³，全部开凿在峰峦叠嶂

的太行山腰，工程艰险。参与修建人数近10万、耗时近10年的伟大工程，是“新中国奇迹”，被誉为“世界第八大奇迹。3.2.1任务导入极端缺水（“十年九旱”）林县地处太行山东麓，石灰岩地质，地表水易渗漏、地下水埋藏深历史上550个村中有307个常年饮水困难，181个村需走5里以上取水1959年特大干旱：全年降雨不足正常1/3，96%水源干涸，307村断水民谣：“旧林县，真可怜，光秃山坡干河滩，有雨冲的粮不收，没雨旱的籽不见”3.2.1任务导入3.2.1任务导入

红旗渠以浊漳河为源，在山西省长治市平顺县石城镇侯壁断下设坝截流，将漳河水引入河南林县（今林州市）。要引漳入林，林县就必须面对几个问题：1.特殊的时期（三年经济困难）

2.资金（财政只有300万储备金）3.粮食（只有3000万斤）4.技术问题（全县水利技术人员28人，最高学历为中等技术学校毕业生）5.水源（为保证水量必须到漳河上游山西境内修坝引水）。3.2.1任务导入

林县人民克服重重困难，涌现出许多英雄人物。历经十年，最终建成红旗渠，彻底改善了林县人民靠天等雨的恶劣生存环境，解决了56.7万人和37万头家畜吃水问题，54万亩耕地得到灌溉，粮食亩产由红旗渠未修建初期的100公斤增加到1991年的476.3公斤。被林州人民称为“生命渠”“幸福渠”

。红旗渠是林州人民发扬“自力更生，艰苦创业、自强不息、开拓创新、团结协作、无私奉献”精神创造的一大奇迹，全长1500km的红旗渠，结束了林州十年九旱、水贵如油的苦难历史。3.2.1任务导入

林县人民在建设这项惊天地、泣鬼神的伟大工程中，锻造了气壮山河的“红旗渠精神”。红旗渠已不是单纯的一项水利工程，它已成为民族精神的一个象征。红旗渠的修建孕育了伟大的红旗渠精神，它成为民族精神的一座丰碑，中华文化的一个符号。3.2.1任务导入任务：灌区共有干渠、分干渠10条，总长304.1km；支渠51条，总长524.1km；斗渠290条，总长697.3km；农渠4281条，总长2488km。水流在这些渠道内流动水面线变化趋势如何判断？会发生哪些水力现象？3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点:---流线不是相互平行的直线

---同一条流线上各点的流速不同

(包括大小和方向)---明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析一、明渠恒定非均匀流的流态及判别

明渠水流有的比较平缓，如灌溉渠道中的水流和平原地区江河中的流动。如果在明渠水流中有一障碍物，便可观察到障碍物上水深降低，障碍物前水位壅高能逆流上传到较远的地方（如图a）；而明渠水流有的则非常湍急，如山区河道中的水流，过坝下溢的水流，跌水、瀑布和险滩地的水流。如遇障碍物仅在石块附近隆起，障碍物上水深增加，障碍物干扰的影响不能向上游传播（如图b）。这两种情况表明，明渠水流存在不同的流态。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析缓流：水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播急流：水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而不能向上游传播3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析明渠水流有和大气接触的自由表面，与有压流不同，具有独特的水流流态，即:缓流临界流急流3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析（一）干扰波的波速（1）当水流的速度v小于干扰波的传播速度c，即干扰波能够向上游传播（如图b），这时水流为缓流；（2）当水流的速度v大于干扰波的传播速度c，即干扰波不能够向上游传播（如图d），这时水流为急流；（3）当水流的速度v等于干扰波的传播速度c，这时干扰波也不能够向上游传播（如图c），其水流为临界流。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析（二）流态判别数当Fr＜1，水流为缓流；当Fr＝1，水流为临界流；当Fr＞1，水流为急流。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析佛汝德数的物理意义是：

过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方。佛汝德数的力学意义是：代表水流的惯性力和重力两种作用力的对比关系。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析（三）临界水深水流为临界流时的水深为临界水深，用hk表示。临界流时对应水力要素加下角标k表示。h=hk时，为临界流h>hk时，为缓流h<hk时，为急流流态判别3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析（四）陡坡、缓坡及临界坡

设想在流量和断面形状、尺寸一定的棱柱体明渠中，当水流作均匀流时，如果改变明渠的底坡，相应的均匀流正常水深h0亦随之而改变。如果变至某一底坡，其均匀流的正常水深h0恰好与临界水深hk相等，此坡度定义为临界底坡。判断:在缓坡上发生的水流一定为缓流;在陡坡上发生的水流一定为急流;在临界坡上发生的水流一定为临界流？3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析

判别法流态按波速c按佛汝德数Fr按临界水深hk均匀流时按底坡缓流V<CFr<1h>hki<ik,h0>hk临界流V=CFr=1h=hki=ik,h0=hk急流V>CFr>1h<hki>ik,h0<hk明渠水流流态的各种判别方法总结:3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析二、水跌和水跃（一）水跌当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象，称为水跌现象。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析231在平坡明渠中,理论上跌坎上最小水深只能是临界水深hk。实验观测：hA<hk，hc≈1.4hA，而临界水深hk发生在坎末端断上游（3～4）hk的位置。水跌发生在跌坎，变坡或卡口处。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析

（1）当缓坡渠道末端自由跌落时

3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析

（2）当渠道底坡自缓坡变为陡坡时

渠道底坡由缓坡变为陡坡时，缓坡上游的均匀流为缓流，水深大于临界水深。陡坡上的均匀流为急流，水深小于临界水深。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析（3）当水流自水库进入陡坡渠道时水库中水流为缓流，而陡坡渠道中均匀流为急流，水流由缓流过渡到急流时，必经过临界水深。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析二、水跃

1.水跃现象

水流由急流过渡到缓流，会产生一种水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃。水跃自水深小于临界水深跃入大于临界水深，其间必经过临界水深。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析

水跃段内，水流运动要素变化急剧，水流紊动、混掺强烈，旋滚与主流间质量不断交换，致使水跃段内有较大的能量损失。常利用水跃来消能。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析

表面旋滚起点过水断面1-1称为跃前断面，该断面处水深h1称为跃前水深。表面旋滚末端的过水断面2-2称为跃后断面，该断面处的水深h2称为跃后水深(h1、h2称为共轭水深)。跃前、后水深之差称为水跃高度，之间的距离称为水跃长度。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析2.棱柱体平底明渠的水跃方程根据断面1-1和2-2的动量方程和流量连续性方程，可得到水跃方程：当明渠断面的形状、尺寸以及渠中的流量一定时，水跃方程的左右两边都仅是水深h的函数—水跃函数：水跃方程也可记为：上式表明，在棱柱体水平明渠中，跃前水深与跃后水深具有相同的水跃函数值，两个水深为共轭水深。3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析3.棱柱体矩形断面平底明渠共轭水深公式或或3.2.2明渠恒定非均匀流的特点分析4.棱柱体矩形断面平底明渠水跃长度几个常用的平底矩形断面明渠水跃长度计算的经验公式：3.2.3明渠恒定均匀流的计算方法一、棱柱体明渠恒定非均匀渐变流水面线定性分析（一）棱柱体明渠水深沿程变化的微分方程棱柱体明渠恒定非均匀渐变流水深沿流程变化与底坡i有关，与实际水深与正常水深、临界水深大小关系有关。3.2.3明渠恒定均匀流的计算方法（二）棱柱体渠道恒定非均匀渐变流水面线分析若，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线若，则水深沿流程减小，水面为降水曲线若，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面若，则水面趋向于水平面若，则水面与流向趋于垂直3.2.3明渠恒定均匀流的计算方法1.水面线的分类及表示（1）顺坡渠道i＞0，有三种情况。第Ⅰ种情况：缓坡，i＜ik，缓坡水面曲线以“1”表示。第Ⅱ种情况：陡坡，i＞ik，陡坡水面线，以“2”表示。第Ⅲ种情况：临界坡，i=ik，临界坡水面曲线，以“3”表示。（2）平坡，i=0，平底坡水面曲线，以“0”表示。（3）逆坡渠道，i＜0，逆坡水面曲线，以“'”表示。对于每一种情底坡，实际水深又可以在不同水深范围内变化。凡水深在既大于正常水深h0又大于临界水深hk的范围内变化者，称为a区；凡水深在既小于正常水深h0又小于临界水深hk范围内变化者，称为c区；凡水深在h0及hk之间变化称为b区。3.2.3明渠恒定均匀流的计算方法我们画出平行于渠底线的两条平行线。一条与渠底的铅垂距离为正