农田水利水力学试题及答案

农田水利水力学试题及答案一、名词解释（共6题，每题5分，合计30分）灌渠不冲允许流速田间降雨入渗补给渗流强度明渠水力最佳断面排水沟防蚀临界水力坡降喷灌系统局部水头损失当量长度灌渠水跃消能淹没安全系数名词解释参考答案灌渠不冲允许流速是指土质或衬砌农田输水渠道在长期通过设计流量时，渠床表面不发生明显冲刷破坏的断面平均最大流速，数值取值直接关联渠床土壤性质、颗粒级配、衬砌材料类型、水流含沙量四大核心要素，根据《农田灌溉渠道设计规范GB/T50363-2018》，轻壤土渠道取值范围为0.60.8m/s，中壤土为0.81.0m/s，黏土为1.01.3m/s，混凝土衬砌渠道取值范围可提升至3.05.0m/s，灌区设计中不得随意突破上限避免渠系运行垮塌。田间降雨入渗补给渗流强度是指降水过程中，排除地表填洼、地表径流流失、作物冠层截留损失后，实际通过耕作层下渗补给地下含水层的单位面积渗流量，单位通常以m/d或mm/h表示，是农田暗管、明沟排水系统地下水调控计算的核心输入参数，水稻种植区淹灌条件下该数值通常为0.0010.01m/d，旱作区降雨高峰期间最大可达0.10.3m/d。明渠水力最佳断面是指在给定的设计流量、渠壁糙率、渠道纵坡条件下，渠道过流能力最大的断面形态，对应水力半径与断面平均水深的比值为最大值，对于农田灌区常用梯形渠道，满足水力最佳断面的宽深比公式为βh排水沟防蚀临界水力坡降是指平原砂性土农田排水沟中，渗流从坡体逸出时刚好使得表层土颗粒发生悬浮移动的最大水力坡降，由土颗粒相对密度、孔隙率、渗透系数共同决定，砂壤土区该数值通常为0.8~1.2，当实际排水沟纵坡超过该临界值时，必须设置反滤层、防冲bio护坡等工程措施，避免沟道边坡发生管涌、流土破坏。喷灌系统局部水头损失当量长度是指将管道内部弯头、三通、闸阀、喷头接口等局部阻力构件产生的水头损失，折算为相同管径下产生等值沿程水头损失的管道长度，该参数可大幅简化喷灌管网水头损失计算流程，我国现行农田喷灌工程规范规定，PVC塑料喷灌管道的局部阻力总当量长度可统一取管道总长度的15%~20%进行估算。灌渠水跃消能淹没安全系数是指渠系跌水、陡坡下游消力池内，实际下游水深与对应过流流量下临界共轭水深的比值，灌区消能设计要求该数值处于1.05~1.10区间范围内，保证水跃完全淹没在消力池内部，避免产生远驱水跃对下游土质渠段造成冲刷破坏。二、填空题（共20空，每空2分，合计40分）农田明渠恒定均匀流形成的三个必要条件分别是________、渠壁糙率沿程保持恒定不变、渠道过流断面的形状尺寸及流量沿程保持稳定。达西渗流定律的核心表达式为v=梯形壤土灌渠设计流量为Q，边坡系数为m，底宽为b，水深为h，其水力半径R的计算表达式为________。判别农田明渠流态是缓流还是急流的无量纲参数为Froude数，当该数值大于1时，渠道发生的流态为________。丘陵区灌区采用虹吸管跨路输水时，管内最大真空值不得超过________m水柱，防止发生气蚀破坏影响过流能力。农田土质输水渠道的设计流速必须同时满足大于不淤允许流速、________两个约束条件。灌区渠系水力学计算中，明渠断面单位比能的最小值对应的水深定义为________。平原区排水沟设计时，要求沟底高程必须满足控制地下水位的最低要求，对应的两个特征水位分别是最高设计排水水位和________。混凝土U型农田渠道的糙率常规取值区间为________，较传统土质渠道过流能力可提升40%以上。田间暗管排水系统的渗流计算中，若暗管为非完全出流状态，地下水位线的形态符合________函数分布特征。当缓坡农田明渠中发生闸孔自由出流时，闸孔下游的急流态若遇到下游水深大于临界共轭水深的条件，将发生________型水跃。灌区渠道淤积不淤流速的取值与水流含沙量直接相关，引黄灌区高含沙输水渠道的不淤允许流速常规取值不得低于________m/s。喷灌管道水锤压力验算过程中，若阀门关闭时间小于水锤相长，该类水锤被定义为________水锤。梯田区坡面灌溉渠系为避免水面线沿程壅高发生渠岸溢流，通常要求渠段纵坡采用________坡设计。农田透水堤坝的渗流计算中，当下游水位出逸坡降超过临界值时，最常采用的渗流控制工程措施是________。圆形有压输水管道过流达到满管状态后，若流量持续增大，管道内的流态属于________流。灌区量水薄壁堰的设计要求堰上水头的取值区间为________，保证过流流量计算精度误差小于5%。农田排水沟边坡采用生态植草护坡时，边坡允许最大抗冲流速比素土边坡可提升________倍。非恒定流农田渠道水位演算中，常用的圣维南方程组由连续方程和________方程两个核心方程组成。滴灌毛管沿程出流的水头损失计算中，通常采用________修正系数对沿程流量不断减小带来的沿程水头损失折减效应进行校正。填空题参考答案渠道纵坡为固定不变的正坡2.水力坡降3.R=(b+mh)hb+2h1+m24.急流5.7~86.小于不冲允许流速7.临界水深8.日常设计低水位三、单项选择题（共15题，每题3分，合计45分）下列四种不同质地的农田土质渠道中，不冲允许流速数值最大的是（）A.砂壤土渠B.中壤土渠C.重黏土渠D.泥炭土渠南方水稻灌区田间地表灌排毛渠的常规流态属于（）A.急流B.缓流C.临界流D.压力流农田暗管排水系统的土壤渗流计算中，不符合达西定律适用场景的是（）A.耕作层入渗渗流B.砂性土含水层排水渗流C.砾石层排水沟周围紊流渗流D.黏土坝基渗流当农田明渠的过流流量、糙率、渠道纵坡全部固定时，水力最佳断面的湿周数值特点是（）A.最大值B.最小值C.与普通断面一致D.无固定规律灌区跌水下游消力池发生远驱水跃时，对应的实际下游水深h_t与第一共轭水深h’’_c的关系是（）A.h_t>h’’_cB.h_t=h’’_cC.h_t<h’’_cD.无对应关系平原灌区排水沟纵坡设计的最主要控制因素是（）A.不冲允许流速B.不淤允许流速C.临界水深D.渠床糙率下列农田灌溉输水设施中，属于有压流态的是（）A.梯形明渠B.U型混凝土渠C.地埋PVC灌溉输水管D.坡面排水沟明渠水流由缓流态过渡到急流态时产生的局部水面突变现象称为（）A.水跃B.水跌C.壅水曲线D.降水曲线灌区量水用的矩形薄壁堰，当堰顶处于自由出流状态时，过流流量与堰上水头的（）次方成正比A.1/2B.3/2C.5/2D.2下列措施中，不能有效降低农田明渠沿程水头损失的是（）A.采用混凝土衬砌降低渠床糙率B.适当加大渠道断面水力半径C.增大渠道纵坡D.优化断面形态减少湿周长度喷灌管道发生水锤破坏风险最高的工况是（）A.快速关闭管道首端闸阀B.缓慢开启管道阀门C.喷头正常喷水D.管道流量恒定运行壤土灌区梯形渠道边坡系数的取值大小和下列哪项因素直接相关（）A.土壤抗滑稳定性能B.渠道设计流量C.渠床糙率D.渠道纵坡农田排水渗流计算中，水平不透水层以上的均质含水层稳定单宽渗流量计算符合（）A.杜比公式B.伯努利方程C.牛顿内摩擦定律D.动量方程缓坡明渠中，当渠底高程沿程抬升时，若过流流量保持恒定，渠道内的断面平均水深将（）A.持续增大B.保持不变C.逐渐减小D.随机变化引黄灌区高含沙输水渠道的不淤允许流速和普通清水渠道相比，数值要求（）A.更小B.更大C.完全相等D.无关联单项选择题参考答案1.C2.B3.C4.B5.C6.A7.C8.B9.B10.C11.A12.A13.A14.C15.B四、多项选择题（共10题，每题4分，合计40分）下列属于农田明渠恒定均匀流的必要前提条件的有（）A.渠道为顺直的正坡渠段B.渠壁糙率沿程全程保持一致C.渠道过流流量沿程稳定无旁侧分流D.渠道断面形状沿程不断变化灌区工程实践中，常用的明渠消能形式包括下列哪几类（）A.底流式消力池B.挑流鼻坎消能C.面流式消能D.人工加糙消力墩消能农田渠道防冲刷的常规工程措施包括（）A.适当减小渠道纵坡B.布设渠道弯道侧向导流墩C.采用浆砌石衬砌边坡D.直接加大渠道设计流速下列关于农田暗管排水渗流特性的描述中，正确的有（）A.绝大多数工况下渗流处于层流状态B.渗流流速远小于地表明渠水流流速C.渗流总水头损失符合达西定律D.暗管周围渗流全部为紊流流态明渠水面线计算中，属于缓坡渠道上发生的降水曲线类型有（）A.选择壅水曲线B.b1型降水曲线C.c1型壅水曲线D.b2型降水曲线农田喷灌有压管网水力计算的核心要素包括（）A.沿程水头损失B.局部水头损失C.喷头工作压力D.管网水锤校验下列属于局部水头损失产生原因的有（）A.管道断面突然收缩B.渠道转弯改变水流方向C.闸阀节流D.水流与渠壁的持续摩擦平原区排水暗管间距设计的核心输入参数包括（）A.土壤渗透系数B.设计降雨入渗强度C.要求控制的地下水位埋深D.暗管的管壁厚度灌区明渠量水设施中，属于薄壁堰类型的有（）A.直角三角形堰B.矩形堰C.梯形堰D.巴歇尔量水槽影响土质渠道渠床糙率数值大小的因素包括（）A.渠床土壤质地B.渠道岸坡植被生长情况C.渠床淤积杂草覆盖程度D.渠道过流流量大小多项选择题参考答案1.ABC2.ABCD3.ABC4.ABC5.ABC6.ABCD7.ABC8.ABC9.ABC10.ABCD五、简答题（共4题，每题15分，合计60分）简述我国平原区大型灌区骨干输水渠道普遍采用明渠恒定均匀流理论进行工程设计的合理性。参考答案：首先从边界条件匹配性来看，平原区灌区骨干渠道通常沿等高线平缓布设，渠道纵坡长期保持稳定的正坡，渠段顺直无剧烈弯道，渠床经过衬砌或者多年运行后糙率沿程基本保持恒定，灌区调度运行过程中，设计工况下渠道过流流量沿程分水量相对均匀，过流断面形状尺寸无突变，完全满足明渠恒定均匀流的全部适用前提条件。其次从工程经济性来看，按照明渠均匀流设计得到的渠段水深、流速分布沿程完全一致，不需要额外设置大量的跌水、壅水建筑物来调整水面线，可最大化减少灌区土方开挖、建筑物建设的工程投资。最后从运行安全性来看，均匀流态下渠道内部无局部漩涡、急缓流交替等不利流态，流速全程控制在不冲不淤区间内，可长期保持渠道输水能力稳定，减少渠段局部冲刷、淤积的运维成本，符合我国灌区长期运行的实际需求。说明灌区渠道设计中不冲不淤流速取值的差异化原则。参考答案：第一类场景是西北黄土高原引黄、引洪灌区，水流含沙量普遍超过10kg/m³，这类灌区的不淤流速取值需要提升至1.01.5m/s，避免水流携带的泥沙大量淤积在渠床，同时不冲流速根据衬砌材质适当放宽，保证泥沙顺利输送到田间。第二类场景是南方水稻灌区输水渠道，水流含沙量低，输水功能以输送清水为主，不淤流速取值可降低至0.30.5m/s，重点控制不冲流速，避免土质渠床发生侵蚀破坏。第三类场景是丘陵区陡坡过渡连接渠段，为了快速消能，设计流速允许短时间超过不冲流速上限，但必须配套衬砌、消力墩等工程措施做防护。第四类场景是田间毛渠，过流流量小，运行时间短，流速取值可适当灵活调整，重点满足灌水均匀度要求。简述农田排水沟防渗透破坏水力验算的核心流程。参考答案：第一步先根据排水沟设计排水流量，计算沟内设计最高水位、排水沟外侧的地下水位线分布，提取逸出段的实际水力坡降数值。第二步根据沟坡土体的颗粒级配、孔隙率参数，计算得到边坡土体的临界渗透破坏坡降。第三步将实际水力坡降数值与临界坡降做对比，若实际坡降小于临界坡降1/2以上，说明边坡天然满足抗渗要求，不需要额外增设防护措施；若实际坡降达到临界坡降的0.5~1.0区间，需要在边坡逸出段铺设反滤层；若实际坡降超过临界坡降，则需要放缓排水沟边坡，同时增设压载渗滤层，避免发生管涌、流土渗透破坏。分析明渠水跃消力池深度设计时选取淹没安全系数为1.05~1.10区间的工程意义。参考答案：如果安全系数取值小于1.05，说明消力池内水跃处于临界刚淹没状态，当灌区流量发生小幅波动时，很容易出现远驱水跃，导致高速急流直接窜出消力池，对下游土质渠段造成剧烈冲刷，引发渠系运行安全事故。如果安全系数取值大于1.10，说明消力池深度设计过大，不仅大幅增加消力池的土方开挖、混凝土浇筑工程投资，还会导致消力池内淤积泥沙难以被水流带出，长期运行后消力池有效过流深度不足，消能效果大幅衰减，同时池内水流旋滚区过大，会造成不必要的水头损失，降低渠系输水效率，因此将安全系数控制在1.05~1.10的合理区间，兼顾了工程投资和运行安全两大目标。六、计算题（共1题，合计75分）某黄灌区中壤土骨干输水梯形渠道，设计灌溉流量Q=8.0m³/s，渠道采用现浇混凝土衬砌，糙率n=0.014，渠道纵坡i=1/5000，边坡系数m=1.5，现设定渠道底宽b=3.0m，试完成以下计算内容：按照明渠均匀流公式计算渠道的