论文--水力学最新应用及进展

'水力学最新应用及进展蓝佐坤（交通学院港口航道与海岸工程专业）摘要：概述水力学在实际工程项目中的应用，展示水力学在实际工程应用中的方式方法，并提供一些思路和方法。分析当前水力学的进展概况。对尾水渠水力学的设计进行初步分析和探讨。为使水电站岸边式厂房的尾水渠中的尾水经尾水渠顺接入天然河道，将水力学应用在对岸边式电站厂房复杂尾水渠各断面形式进行计算，确保证尾水水流平顺，不出现雍水现场，流态平稳，能量损失小。以此来利用水力学的专业知识进行实际的应用与计算，凸显出水力学在工程项目中的重要性。关键词：水力学应用水力学进展尾水渠工程一.引言随着工程技术的不断发展，工程建设体系的不断完善，一个合格的工程项目不单需要考虑如何选择其材料，如何搭建其结构，而且还要从周围环境，天气气候等多方面同时考量。一个工程建设的意义不在于成功建成，而在于建成之后能够安全且长久使用。水对项目的影响是巨大的，水无处不在，雨雪，河流，海洋，地下水甚至于空气中的水，都在随时随刻影响着工程设施，所以水是其中不可或缺的考量对象，在工程项目中有着重要的影响作用。以下就结合实例——岸边式电站厂房复杂尾水渠水力学计算，对水力学在工程中的作用进行浅谈。二.实际应用2.1工程方案布置某水电站装机容量为150，工程主要由拦河引水闸、输水渠道、压力前池、压力管道、电站厂房、尾水渠等组成，属Ⅲ等中型工程，发电厂房及尾水渠道为3级建筑物。发电厂房设计洪水标准为P＝1％（100年一遇），洪峰流量为1556.4；校核洪水标准为P＝0.5％（200年一遇），洪峰流量为1781.9。电站加权平均水头195.49，装机利用小时数4221，多年平均年发电量6.33亿。本工程为引水式电站，选择在某峡谷尾端出山口处新建引水枢纽引水，输水渠道基本沿等高线在山前冲积扇中上部布置至电站前池，全长27.826；压力前池布置于山前冲积扇一平台山，距离河道岸边约1.6 ；前池后压力管道沿冲积扇垂直等高线布置，泄水槽布置在压力钢管的左侧，末端接入尾水渠中。发电压力管线长1688，采用2管5机供水，发电厂房为岸边式厂房，布置在凹岸河段左侧陡坎的下缘河漫滩上，电站尾水通过长约656.5尾水明渠顺接入天然河道，电站最大引用流量96.4，天然河道生态基流为12.2。尾水建筑物由尾水闸墩、尾水反坡、尾水渠组成。尾水闸墩长为66.85，宽为14，尾水闸墩后接尾水反坡段。尾水反坡由平直段及斜坡段组成：其中平直段长为4.5，宽度为57.203，高程为2098.747，后接斜坡段；斜坡段坡度1：4、长61.372，宽为57.203，斜坡段末端高程为2114.09，后接尾水渠。尾水渠总长度为656.5，尾水渠依次由矩形尾水明渠、渐变段、尾水涵、渐变段、梯形尾水明渠组成：其中矩形尾水渠长为56.095，宽为57.203，纵坡为0，后接渐变段；渐变段长为96，底宽由57.203渐变至15.8，纵坡为1/2000，渐变后接尾水涵；尾水涵长为60，为双孔城门洞型断面、单孔底宽为7.5、高度为5.7，纵坡为1/2000，后接渐变段；渐变段长为30，底宽由15.8渐变至10，纵坡为1/2000，渐变段后接梯形尾水渠长度为414.424，底宽为10，边坡1:2，纵坡1/2000，渠道末端高程为2113.79，尾水经梯形尾水渠顺接河床，并对尾水渠出口部分滩地进行开挖整治。2.2水力学计算及数据处理因尾水渠顺接天然河道，尾水渠各流量下水位受尾水出口处天然河道水位的影响，故应根据尾水渠出口处天然河道水位流量关系曲线（见表1）确定各流量对应的尾水渠末端水位，并按明渠恒定渐变流水面曲线推算尾水渠起点水位。明渠恒定渐变流水面曲线计算，根椐各渠段的正常水深、临界水深及当前水深三者之间的关系，判断水面曲线类型，试算水位的范围，然后采用二分法计算各渠段末之水深，计算过程如下所示。尾水渠断面单位能量沿程变化的微分方程为：其差分格式为：即： 式中：其中：为已知，为欲求之水深。为此，将差分方程改为下列函数表达式：为求设试算水深下限与上限，用二分法求解:若、同号，令；若、异号，令；；继续二分，直到允许误差为止。式中：—断面单位能量；—水深；—水力坡度；—水力半径； —谢才系数；—渠道纵比降；—渠道糙率系数，=0.015；表1尾水渠出口处水位流量关系序号水位流量序号水位流量序号水位流量12113.50132114.771.2252115.9560.522113.60.2142114.891.0262116.0667.232113.71.2152114.9112.3272116.1783.342113.83.1162115.0133.3282116.2907.652113.95.9172115.1162.6292116.3957.762114.09.9182115.2198.0302116.41086.372114.115.0192115.3237.8312116.51174.382114.221.3202115.4283.0322116.61220.592114.329.0212115.5325.8332116.71404.3102114.438.4222115.6382.4342116.81683.8112114.542.5232115.7407.7352116.91982.4122114.653.9242115.8466.5362117.02300.3表2尾水渠水位流量关系 渠道流量临界水深河道流量河道水位河道水深尾水末端水深尾水起点水深渠道流速尾水起点水位00.00012.22114.0580.3580.360.3602114.45100.45622.22114.2120.5120.510.701.412114.99200.70832.22114.3340.6340.711.091.622115.38300.91242.22114.4930.7930.921.441.822115.73401.08752.22114.5850.8851.091.701.982115.99501.25262.22114.6480.9481.261.922.102116.21601.39872.22114.7051.0051.402.122.382116.41701.53482.22114.7561.0561.542.302.472116.59801.66092.22114.8061.1061.672.472.572116.7696.41.806104.22114.8621.1621.812.692.652116.981001.893112.22114.9001.2001.932.812.722117.10设计洪水（96.4）1.8061556.42116.7543.0543.053.101.912117.39校核洪水（96.4）1.8061781.92116.8333.1333.133.181.832117.472.3结论因水电站尾水渠顺接的天然河道河床较宽，当尾水渠内流量在20～96.4时，对应尾水渠临界水深高于尾水渠出口对应的天然河道水深，此时尾水渠末端水深采用尾水渠各流量对应的临界水深为尾水渠末端水深，按明渠恒定渐变流水面曲线推算尾水渠起点水位，但尾水渠末端出现跌水现象，水跌高度7～64，损失水头远小于电站加权平均水头195.49，并在尾水渠出口末端做抗冲刷处理措施；当天然河道流量为设计洪水位（或校核洪水位）时，天然河道水深升高，天然河道水深大于尾水渠最大流量（96.4）对应的临界水深，此时尾水渠末端水深采用天然河道水深进行推算。经计算，尾水渠各断面形式满足尾水水流平顺，流态平稳，能量损失小等要求，所得正常尾水位为2116.98，设计洪水尾水位为2117.39 ，校核洪水尾水位2117.47，由此可确定水电站厂房厂区平台高程为2118.0，并满足《水电站厂房设计规范》（SL266-2014）中厂房下游挡水部位顶部安全加高的下限值。三.水力学进展在水利新观念、新技术的推动下，水力学研究发生了许多重大的方向性变化。水力学的最大进展是扩大了研究领域，同时在传统的研究领域中取得了很大的进步。3.1工程水力学在原型观测技术方面有了较大的进步，表现在观测设备、信息采集、图像传送、卫星定位（GPS）等新技术的应用。新建的大型水利工程都进行了系统的原型观测，在泄流过程中泄水建筑物的振动、水压力变化、下游冲刷、雾化等方面取得了宝贵的资料。在高速水流、下游消能防冲等方面取得的成果受到国际水力学界的关注，其代表性的研究成果如结合溪洛渡、小湾水电工程设计开展的300米级高坝大流量泄洪消能研究，为解决工程设计中的关键技术问题、进一步推动高坝水力学理论研究和开发西部水电能源建设积累了重要经验。3.2计算水力学计算水力学在我国的发展基本与国际同步，已广泛应用于洪水模拟与洪水风险图管理中，并与3S技术紧密结合，在开展大区域范围内的洪水预报、制定防洪决策支持系统方面的研究和应用取得了重大进展。结合引黄入晋调水工程开展的长距离输水的明渠和管道水力控制计算理论的研究取得了突破性的进展。3.3环境水力学环境水力学科在研究内容、研究范围、研究技术和研究成果应用等几方面取得重大进展和突破。集中表现在以下几个方面：3.3.1对象多元化 由传统的单一介质污染物质向多介质复合型污染问题拓展，由无生命组分进入有生命组分，由过去着重考虑人类经济活动对水环境影响的单向问题向综合考虑水环境与社会经济相互关系的双向问题转化。为此，一系列新的与环境水力学相关学科如生态水力学、水信息学等正在形成，一些新的环境内涵如水环境承载能力评价体系、多介质复合型污染物相互作用机理、“三水（天水、地表水和地下水）”转化关系等等正在讨论与研究之中。3.3.2研究尺度扩大化由单一的局部水域水环境问题向流域尺度的环境水力学问题拓展，研究建立大系统多组分的水环境数学模型系统。如针对水环境影响因素十分复杂的太湖河网水系，考虑河湖互动关系和藻类生长的大系统生态动力学模型正在开发与应用之中；根据河口地区复杂的水环境特征，考虑水流、泥沙、污染物和咸潮共同作用，将河网和海湾作为整体水域的大系统水环境数学模型也在逐级开发与应用之中。3.3.3研究技术先进化随着计算机和遥感等先进技术的不断发展，环境水力学科采用“3S”高新技术和Internet网络技术，实现水环境系统大量信息的高效管理、大尺度复杂水环境系统运动特性的动态仿真模拟演示、水环境决策过程的科学合理。不同尺度不同层面的水环境信息管理系统、水环境数学模型系统和水环境决策支持系统以直接面对用户的方式进行开发、应用，不断完善。3.3.4研究成果实用化密切结合水环境实际管理需要，研究不同水域水环境容量计算方法和污染物总量控制定量化管理指标；针对三峡水库等大中型建设项目，研究环境影响评价的新方法和水污染控制新对策，自然水体水污染治理和生态修复的新技术，等等；从实际水环境问题出发研究解决关键技术难题。3.4城市水力学城市水力学是最近十分活跃的研究领域，包括城市河湖水系的水力学计算、城市雨水调蓄系统的水力学计算、城市洪涝灾害的数值模拟及灾害风险管理、城市河湖环境模拟及管理等，涉及传统的水力学、水环境、生态、景观以及经济等学科，目前在国内才刚起步，虽然在理论研究和应用实践方面还需要进行深入的探索和研究，但它的发展将与国家城市的建设步伐紧密结合，具有非常强的生命力。 3.4冰水力学在水动力计算的同时，加入热量平衡方程，用来研究在不同温度、流动等环境条件下江湖河海中冰的形成过程，采取相应措施，防止和减轻冰害所造成的损失。试验室模型冰的研究不仅从冰的物理力学特性方面开展理论研究，更重要的是为在试验室开展冰对水工、海工建筑物造成破坏的机理及预测预报研究提供技术支撑。目前模型冰的研究成果已开始用于试验室课题研究。四.总结在现代的工程项目中，水力学有着不可替代的重要作用，是不得不去考虑的重要的一方面。水力学的发展是伴随着物理学的发展而不断的完善的，时至今日已有千年的历史。水力学在力学或是物理学中都有着重要地位。因其重要性，水力学成为一门独立学科，水力学作为一门高校的基础课程是有其必要性的。参考文献[1]廖腾耀岸边式电站厂房复杂尾水渠水力学计算2015.4.1'