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'项目一　水力学学习情境一水静力学复习思考题学习情境二　水动力学基础复习思考题学习情境三明渠均匀流复习思考题下一页 项目一　水力学学习情境四明渠非均匀流复习思考题学习情境五堰流与下游消能复习思考题上一页 学习情境一水静力学子学习情境一静水压强及其特性一、静水压强的定义在静止的液体中，围绕某点取一微小作用面，设其面积为△A，作用在该面积上的压力为△P，则当△A无限缩小到一点时，平均压强△P/△A便趋近于某一极限值，此极限值定义为该点的静水压强，通常用符号P表示，即下一页返回 学习情境一水静力学二、静水压强的特性静水压强具有两个重要的特性。(1)静水压强方向与作用面的内法线方向重合(即静水压强的垂直性)。在静止的液体中取出一团液体，用任意平面将其切割成两部分，则切割面上的作用力就是液体之间的相互作用力。现取下半部分为隔离体研究，如图1-1所示，而且静止的液体不能承受剪切力也不可能承受拉力，否则将破坏平衡，与静止液体的前提不符。所以，静水压强唯一可能的方向就是和作用面的内法线方向一致。上一页下一页返回 学习情境一水静力学(2)静水压强的大小与其作用面的方位无关，亦即任何一点处各方向上的静水压强大小相等(即静水压强的等值性)。在静止的液体中点M(x,y,z)附近，取一微分四面体如图1-2所示，分析可得如上结论。子学习情境二液体平衡微分方程一、液体平衡的微分方程在静止液体中任取一边长为，dx,dy,dz的微小正六面体，如图1-3所示。上一页下一页返回 学习情境一水静力学上式为液体平衡微分方程，是由瑞上学者欧拉(Euler)于1775年首先导出的，故又称欧拉平衡方程。它表明处于平衡状态的液体中压强的变化率和单位质量力之间的关系。上一页下一页返回 学习情境一水静力学二、等压面在相连通的液体中，由压强相等的各点所构成的面叫做等压面。其方程为Xdx+Ydy+Zdz=0这就是等压面的微分方程式。如单位质量力在各轴向的分量X,Y,Z为已知，则可代入上式，通过积分求得表征等压面形状的方程式。等压面的重要特性是:在相对平衡的液体中，等压面与质量力正交常见的等压面有液体的自由表面(因其上作用的压强一般是相等的大气压强)，平衡液体中不相混合的两种液体的交界面等。等压面是计算静水压强时常用的一个概念。上一页下一页返回 学习情境一水静力学子学习情境三重力作用下静水压强分布规律一、重力作用下静水压强的基本公式液体同其他静止物体一样，具有一定势能。其势能可以分为位置势能和压力势能。如图1-4所示。这就是重力作用下静止液体应满足的基本方程式，即水静力学的基本方程式。上一页下一页返回 学习情境一水静力学重力作用下静止液体中任意点的静水压强计算公式为(1-6)表示该点在自由液面以下的淹没深度。式(1-6)即计算静水压强的基本公式。它表明，静止液体内任意点的静水压强由两部分组成:一部分是表面压强它遵从帕斯卜定律等值地传递到液体内部各点;另一部分是液重压强，也就是从该点到液体自由表面的单位面积上的液柱重量。上一页下一页返回 学习情境一水静力学由式上式还可以看出，淹没深度相等的各点静水压强相等，故水平面即为等压面，它与质量力(即重力)的方向相垂直。如图1-5(a)所示为连通容器中过1,2,3,4各点的水平面即等压面。但必须注意，这一结沦仅适用于质量力只有重力的同一种连续介质对于不连续的液体，如液体被阀门隔开，如图1-5(b)所示，或者一个水平面穿过两种及两种以上不同介质，如图1-5(c)所示，则位于同一水平面上的各点压强并不一定相等，水平面不一定是等压面。上一页下一页返回 学习情境一水静力学二、压强的分类及量度基准量度压强的大小，首先要明确计算的基准，其次要了解计量的单位1.量度压强的基准压强可从不同的基准量度，因而有不同的表示方法(1)绝对压强:以设想的没有气体存在的完全真空作为零点量度的压强称为绝对压强，用符号p’表示。(2)相对压强:以当地大气压强作为零量度起的压强称为相对压强，用符号p表示，其数值可正可负。相对压强与绝对压强之间的关系为上一页下一页返回 学习情境一水静力学(3)真空及真空压强:绝对压强值总是正的，而相对压强值则可正可负。当液体某处绝对压强小于当地大气压强时，该处相对压强为负值，称为负压，或者说该处存在着真空。真空压强，用绝对压强比当地大气压强小多少来表示，即由式(1-9)可知:在理沦上，当绝对压强为零时，真空压强达到最大值，即“完全真空”状态。但实际液体中一般无法达到这种“完全真空”状态。图1-6为用几种不同方法表示压强值的关系图，其绝对压强与相对压强之间相差一个大气压强。上一页下一页返回 学习情境一水静力学2.压强的计量单位水力学中，压强的单位除了常用的应力单位外，还有另外两种表示方式:液柱高度和工程大气压。(1)应力单位:由压强定义，以单位面积上的作用力来表示(2)工程大气压:1工程大气压=98kPa(3)液柱高度:1工程大气压=98kPa=10m(水柱)=735.6mm(水银柱)上一页下一页返回 学习情境一水静力学三、水头和单位势能水静力学的基本方程为z+p/γ=C，若在一盛有液体的容器的侧壁打一个小孔，接上开口玻璃管与大气相通，就形成一根测压管。如容器中的液体仅受重力的作用，液面上为大气压，则无沦连在哪一点上，测压管内的液面都是与容器内的液面齐平的，如图1-7所示。测压管液面到基准面的高度由z和p/γ两部分组成，z表示该点到基准面的位置高度，p/γ表示该点压强的液柱高度。在水力学中常用“水头”代表高度，所以z又称位置水头，p/γ又称压强水头，(z+p/γ)则称为测压管水头。故式(1-4)表明:重力作用下的静止液体内，各点测压管水头相等。上一页下一页返回 学习情境一水静力学位置水头、压强水头和测压管水头的物理意义如下:位置水头:表示的是单位重量液体从某一基准面算起所具有的位置势能(简称位能)。压强水头p/γ表示的是单位重量液体从压强为大气压算起所具有的压强势能(简称压能)。压能是一种潜在的势能。如果液体中某点的压强为p，在该处安置测压管后，在压力的作用下，液面会上升的高度为p/γ，也就是把压强势能转变为位置势能。对于重量为G，压强为p的液体，在测压管中上升p/γ高度后，位置势能的增量Gp/γ就是原来液体具有的压强势能。所以对原来单位重量液体来说，压能即上一页下一页返回 学习情境一水静力学四、压强的量度1.测压管简单的测压管是用一开口玻璃管直接与被测液体连通而成的，如图1-8(a)、(b)所示。读出测压管液面到测点的高度就是该点的相对压强水头。因此，该点的相对压强为p=γh，其中γ为液体重度。如所测压强较小，为了提高精度，可将测压管倾斜放置，如图1-8(b)所示。此时，标尺读数l比h放大了一些，便于测读。但压强应为上一页下一页返回 学习情境一水静力学也可在测压管内装入与水不相掺混的轻质液体(如乙醇:比重为0.79，汽油:比重为0.74等)，则同样的压强P可以有较大的液柱高h。还可采用上述二者相结合的方法，使量度精度更高。量度较大的压强，则可采用装入较重的液体(如水银，比重可取为13.6)的U形测压管，如图1-9所示。如测得h及h’，则A点的压强为2.比压计比压计(差压计)用以量测液体中两点的压强差或测压管水头差。常用的有空气比压计和水银比压计等。上一页下一页返回 学习情境一水静力学图1-10为一空气比压计，顶端连通，上装开关，可使顶部空气压强大于或小于大气压强。当水管内液体不流动时，比压计两管内的液面齐平。如有流动，比压计两管液面即出现高差，读取这一高差△h，并结合其他数据，即可求出A,B两点的压差和测管水头差。忽略空气柱重量所产生的压强(20℃标准大气压下空气的重度为11.82N/m3，只是水的1/830，故一般可不考虑空气柱重量压)，则顶部空气内的压强可看做是一样的，即两管液面上的压强均为，故有上一页下一页返回 学习情境一水静力学由上式即可得出上一页下一页返回 学习情境一水静力学故A,B两点的测压管水头差就是液面差△h。图1-11为量度较大压差用的水银比压计。A,B两点的测管水头差为如被测的A,B之间压差甚微，水银比压计读数△h将很小，测读精度较低，则可将U形比压计倒装，如图1-12所示，并在其顶部装人重度为y’的轻质液体。仿上分析，可得上一页下一页返回 学习情境一水静力学五、静水压强分布图用线段长度表示受压面上各点压强的大小，用箭头表示压强的方向及压强的作用点，绘制的静水压强的分别图形(闭合图形)，称为静水压强分别图。压强分为绝对压强和相对压强，因此对于压强分布图来说，亦有绝对压强分布图和相对压强分布图之分。上一页下一页返回 学习情境一水静力学关于压强分布图的绘制和应用，其要点如下:(1)压强分布图中各点压强方向始终垂直指向作用面，两受压面交点处的压强具有各向等值性。(2)压强分布图与受压面所构成的体积，即为作用于受压面上的静水总压力，其作用线通过此力图体积的重心。(3)压强分布图可以叠加，也可以抵消。(4)由于建筑物通常都处于大气中，作用于建筑物上的有效压强为相对压强，所以不在特殊指出的情况下，只需绘制相对压强分布图即可。上一页下一页返回 学习情境一水静力学(5)工程应用中可绘制建筑物有关受压部分的压强分布图，其他无关处不必绘制。由前面可知，静水压强与淹没深度成线性关系，所以作用在平面上的压强分布图必然是按直线分布的，因此，只要直线上两个点的压强为已知，就可确定该压强分布直线。一般绘制的压强分布图都是指这种平面压强分布图。图1-13为各种情况的压强分布图。【例1-1】令自由表面处压强=1工程大气压，求淡水自由表面以下2m深度处的绝对压强和相对压强，并用三种压强单位表示。上一页下一页返回 学习情境一水静力学解:(1)绝对压强p’(2)相对压强P上一页下一页返回 学习情境一水静力学子学习情境四平面壁上的静水总压力一、利用压强分布图求矩形平面上的静水总压力求矩形平面上的静水总压力(即图解法)实际上就是平行力系求合力的问题。通过绘制压强分布图求一边与水面平行的矩形平面上的静水总压力最为方便。图1-14表示一任意倾斜放置但一边与水面平行的矩形平面的一面受水压力作用。可先画出该平面上的压强分布图，然后根据压强分布图确定总压力的大小、方向和作用点。当作出作用于矩形平面上的压强分布图ABEF后，便不难看出:上一页下一页返回 学习情境一水静力学作用于整个平面上的静水总压力尸的大小应等于该压强分布图的面积Ω与矩形平面的宽度b的乘积，即A为受水压力作用的平面面积。总压力的作用方向垂直指向作用面，总压力的作用点应在作用面的纵向对称轴O-O上的D点，该点称为压力中心。当压强分布图为矩形时，总压力作用点必在中点1/2处；当压强分布图为三角形时，压力中心点必在距底e=1/3高度处;而当压强分布图为梯形，总压力中心点在距底上一页下一页返回 学习情境一水静力学二、利用解析法求任意平面上的静水总压力对任意形状的平面，需要用解析法来确定静水总压力的大小和作用点。如图1-15所示，EF为一任意形状的平面，倾斜放置于水中任意位置，与水面相交成a角。设想该平面的一面受水压力作用，其面积为A，形心位于C处，形心处水深为，自由表面上的压强为当地大气压强。作用于这一平面上的相对静水总压力的大小及作用点的位置D可按以下的方法来确定。取平面的延展面与水面的交线为OX轴，以通过平面EF中任意选定点N并垂直于Ox轴的直线为Oy,轴。在平面中的M处取一微小面积dA，其上的压力为dP=γhdA，由于每一微小面积上作用的静水压力方向相同，因此，作用于整个EF平面上的静水总压力为上一页返回下一页 学习情境一水静力学下面分析静水总压力的作用点—压力中心的位置:和。这一位置可通过合力对任意轴的力矩等于各分力对该轴的力矩和来确定。除平面水平放置外，总压力作用点总是在作用面形心点之下。常见平面图形的面积A,形心距上边界点长以及惯性矩的计算式见表1-1。上一页下一页返回 学习情境一水静力学同样道理，对Oy.轴取力矩，可求得压力中心的另一个坐标为应当指出，以上分析作用于平面上的总压力的大小及压力中心时，讨沦的均是液体的表面处于大气之中的情况。若液体表面上的压强不是当地大气压强，则不能照搬以上结果。实际工程中的被作用平面，一般具有纵向对称轴，则压力中心D必落在对称轴上，不必计算上一页返回 复习思考题1.静水压强的特性以及其常用的单位有哪几种?2.一矩形闸门两边受到水的压力，左边水深3.0m，右边水深2.0m,闸门与水平面成a=45°倾斜角，且闸门高为1m，假定闸门宽度h=1m，试求作用在闸门上的静水总压力及其作用点。3.绘出图1-17中ABC平面壁上的静水压强的相对压强分布图。4.如图1-18所示AB板，求其上的单宽面积上的静水总压力及其作用点距离水面的高度，并要求绘制出静水压强分别图。返回 学习情境二　水动力学基础子学习情境一概述一、描述液体运动的两种方法1.拉格朗日法拉格朗口法是以液体运动质点为对象，研究这些质点在整个运动过程中的轨迹(称为迹线)以及运动要素随时间的变化规律。每个质点的运动状况的总和就构成了整个液体的运动。所以，这种方法与一般力学中研究质点与质点系运动的方法相同。由于液体质点的运动轨迹非常复杂，用拉格朗口法分析流动，在数学上会遇到很多困难，同时在实用上一般也不需要知道给定质点的运动规律，所以除少数情况外(如研究波浪运动)，水力学通常不采用这种方法，而采用较简便的欧拉法。下一页返回 学习情境二　水动力学基础2.欧拉法欧拉法是把液体当作连续介质，以充满运动质点的空间—流场为对象，研究各时刻流场中不同质点运动要素的分布与变化规律，即以不同液体质点通过固定空间位置或空间点时的运动情况来了解整个水流空间内的流动情况，而非直接追踪给定质点在某时刻的位置及其运动状况。该方法也称为流场法。由于欧拉法适用于研究宏观水体的运动情况，因此学习该方法具有重要的意义总的来说，拉格朗口法是研究单个液体质点在不同时刻的运动情况，而欧拉法则是研究同一时刻若干个质点在不同空间位置的运动情况。前者以迹线描述，后者以流线描述。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础具体来说，迹线是单个液体质点在某一时段内的运动轨迹线;而流线则是某一瞬时的空间流场中，表示该瞬时各个质点流动方向的曲线，流线上各点在该瞬时的流速矢量都和流线相切。流线是假想的线，而迹线则是实际存在的线二、液体运动的基本概念1.流量指单位时间内通过过水断面的液体的体积称为流量，以V表示。)上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础Q=v·A2.断面平均流速某一时刻通过某一断面的液体质点的平均速度，称为断面平均流速。V=Q/A3.水力三要素在水力学中，水力三要素的比较应用广泛，它们分别为:1)过水断面指与微小流束或总流的流线正交的横断面，称为过水断面。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础2)湿周在水流过水断面上水(或液体)与固体边界相接触的周界线的长度，称为湿周。3)水力半径过水断面面积与湿周之比称为水力半径。R=A/X对一个断面来说，过水断面面积越大，其过水能力越强，反之亦然。可是相同过水面积，若形状不同(规则的如圆形、梯形、正方形和长方形等)，其过水能力也不一样，这是因为它们随断面形状不同而有不同长度的湿周，而长的湿周必然产生较大的粘滞阻力，因此相应的过水能力也就变小了，由式(1-20)知，水力半径是更为鲜明地反映过水能力强弱的一个特征量，水力半径越大，则过水能力越大，反之，则越小。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础三、运动液流的分类运动液流可分为以下二类。1.恒定流与非恒定流若流场中所有空间点上的一切运动要素都不随时间改变，则这种流动称为恒定流。否则，就称做非恒定流。其中，各运动要素包括流速、流向、动水压强、加速度和泥沙等。通常在实际工程中，平水期和枯水期，河道中的水位、流速和流量等随着时间变化缓慢，可以近似认为是恒定流。当洪水期到来时，由于上游洪峰的影响，使河道中的水位、流速和流量等随着时间有显著的变化，则属于非恒定流。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础2.均匀流与非均匀流根据流线形状的不同可将液体流动分为均匀流与非均匀流两种。若各个流线是彼此平行的直线，则这种流动就称为均匀流;否则，称为非均匀流。也可以理解为各个水流的运动要素不随空间位置的变化而变化的水流是均匀流，反之，为非均匀流。在非均匀流中又可以分为渐变流(也称缓变流)和急变流。3.有压流和无压流水流运动按受力来源的不同可以分为两类:一是受外界压力作用而流动的液流，称为压力流，也就是有压流;二是在自身的重力作用下流动的液流，称为无压力流，也称为自由流。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础子学习情境二恒定流的连续性方程液体的连续性方程是水力学的一个基本方程，它是质量守恒原理在水力学中的应用。即在连续的不可压缩的液体恒定流中，任意两个过水断面所通过的流量相等。从液流中任取一段，如图1-19所示。由于:在恒定流条件下，元流的形状与位置不随时间改变;另外不可能有液体经元流侧面流进或流出;最后已经假定液体是连续介质，元流内部不存在空隙。所以由质量守恒原理可知，单位时间内流进的质量等于流出的质量，因元流过水断面很小，可认为密度和速度是均布的，即上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础这就是不可压缩恒定流的连续性方程，它在形式上与元流的连续性方程相似，应注意的是:总流是以断面平均流速v代替点流速u。上式表明，不可压缩液体的恒定总流中，任意两过水断面，其平均流速与过水断面面积成反比。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础对于不可压缩的液体，密度，则有这就是元流的连续性方程。它表明:不可压缩元流的流速与其过水断面面积成反比，因而流线密集的地方流速大，而流线稀疏的地方流速小。总流是无数个元流之和，将元流的连续性方程在总流过水断面上积分可得总流的连续性方程，即上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础由断面的平均流速，则有这就是不可压缩恒定流的连续性方程，它在形式上与元流的连续性方程相似，应注意的是:总流是以断面平均流速v代替点流速u。上式表明，不可压缩液体的恒定总流中，任意两过水断面，其平均流速与过水断面面积成反比。应该指出的是:(1)连续性方程是不涉及任何作用力的方程，所以，它无沦对于理想液体或实际液体都适用。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础(2)连续性方程不仅适用于恒定流条件下，而且在边界固定的管流中，即使是非恒定流，对于同一时刻的两过水断面仍然适用。当然，非恒定管流中流速与流量都要随时间改变.[例1-3]直径d为200mm的输水管道中有一变截面管段，如图1-21所示，若测得管内流量Q为10l/s,变截面弯管段最小截面处的断面平均流速5.075m/s，求输水管断面的平均流速:及最小截面处的直径。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础解：由干Q=vA，则有上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础子学习情境三恒定流的能量方程一、液流的能量转化现象如图1-22所示，当阀门关闭时管内为静水，即水箱和管道系统中的水处于静止状态，管中各点的测压管水面与水箱水面同高，即此时，管中各点具有的位置高度和压强高度之和为一常数，即E=z+p/γ=C其中的E是总的机械能。而当阀门打开时，水从管端流出，管中任意一个测压管中的水面均出现了相应的下降。如果阀门开度一定，并维持水箱水位不变，水流即做恒定流动，此时各测压管水面均在一定的高度上稳定下来，此时管中任意一个截面中的单位重力的液体能量E为上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础但是由于摩阻力等会造成水流动过程中的能量损失,根据能量守恒定律得(1-27)上式也可以理解为:实际液体具有砧性，在流动过程中需克服内摩擦阻力作功，消耗一部分机械能，使之不可逆地转变为热能等能量形式而耗散掉，因而液流的机械能沿程减小。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础二、恒定流能量方程的意义式(1-27)是水力学中极为重要的方程，它反映了恒定总流能量转化与质量守恒定律，同时也表达了各项运动要素之间的关系。Z-总流过水断面上任意一点的位置高度，也称该点的单位位能，或称比位能或该点的单位位置水头。p/γ-总流过水断面上同一点的压强高度，也称该点的单位压能，或称比压能或该点的单位压力水头。(au2)/(2g)-总流过水断面上同一点的速度高度，也称该点的单位动能，或称比动能或该点的单位流速水头。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础Z+p/γ-总流某过水断面的单位势能，又称比势能，或称单位测压管水头。Z+p/γ+(au2)/(2g)-总流某过水断面的单位总机械能，又称总比能或称单位总水头，通常用E或H表示(单位均采用长度单位表示)。-单位重量液体从1-1断面流向2-2断面所散失的平均总机械能，也称单位总能量损失，或称水头损失。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础三、水力坡度实际液体的伯诺里方程中各项及总水头、测压管水头的沿程变化可用几何曲线来表示。设想恒定流各过水断面放置测压管与测速管，各测压管液面的连线称为测压管水头线，记为PHL;而各测速管液面的连线称为总水头线，如图1-23所示，记为THL。这两条线清晰地显示了液流三种能量及其组合的沿程变化过程。该图也称液体的水头线图。水流总水头线沿程下降的快慢可用总水头线的坡度J表示，称为水力坡度或水力梯度，它表示单位重量液体沿水流程单位长度上的能量损失，即上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础四、恒定流能量方程的应用条件及注意事项恒定流的能量方程在解决实际水力学的问题中被广泛应用，然而应用时也受到一些条件的制约，因此应满足如下条件。(1)液流必须是恒定流。(2)液体为不可压缩液体，即其密度沿程保持不变。(3)在所选取的两个过水断面上，应该符合渐变流条件，但在所取的两个断面之间，液流可以不是渐变流。(4)作用在液体上的质量力只有重力，没有其他惯性力。(5)在所取的两个过水断面之间，流量保持不变，其间没有流量加入或分出。(6)两过水断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础另外应用能量方程解决实际问题时，必须注意以下几点：(1)注意液流应该为恒定流，若渐变流也可，选取渐变流过水断面，应将渐变流过水断面取在已知参数较多的断面上，并使伯诺里方程含有所要求的未知数。(2)过水断面上的计算点原则上可任取，这是由于断面上各点势能z+p/γ=常数，而且断面上各点平均动能(au2)/(2g)相同。为方便起见，通常对于管流取在管轴线上，明渠流取在自由液面上(如图1-24和图1-25所示)。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础(3)方程中动水压强原则上可取绝对压强，也可取相对压强，但对同一问题必须采用相同的标准。在一般水力计算中，以取相对压强为宜。(4)基准面可任意选取，但对于两个过水断面必须选取同一基准面，通常要使z≥0,计算才能更方便。(5)建立能量方程求解时，要注意方程两端的动能修正系数一般可近似取为1.0。如果所列能量方程中的未知量不止一个，则可以考虑用恒定流连续性方程和后面将要讲到的恒定流动量方程联立求解。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础[例1-4]自流管从水库取水(如上图1-24所示)，已知H=12m,管径d=100mm，水头损失，求自流管流量Q。解:(1)0-0基准面如图中下游水面(2)取渐变流端断面(如图所示)。(3)代表点:两个断面与水面的交点(4)建立能量方程:上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础五、水流阻力与水头损失1.沿程阻力和沿程水头损失当流动的固体边界使液体作均匀流动(如长直管道或长直明渠)时，水流阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力(或摩擦力)。克服沿程阻力做功而引起的水头损失则称为沿程水头损失，以表示沿程阻力的特征是沿流程连续分布，因而沿程损失的大小与流程的长短成正比。由伯诺里方程得出均匀流的沿程水头损失为上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础此时用于克服阻力所消耗的能量由势能提供，从而总水头线坡度J沿程不变，仍是一条直线。当液体作较接近于均匀流的渐变流动时(如明渠渐变流)，水流阻力虽已不是全部但却主要为沿程阻力，此时沿程阻力的大小如同流速分布一样，沿程发生变化。可将十分接近的两过水断面之间的渐变流动看做是均匀流动，并引用均匀流的沿程水头损失计算公式进行计算，即上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础上式是沿程水头损失的通用公式，也称达西公式，利用达西公式计算沿程水头损失的问题也就往往集中在求沿程阻力系数λ的问题上来。有关确定λ值的公式和图表，很多很烦琐，使用时要格外慎重，限于篇幅，本教材略。而对于明渠均匀流中不是渐变流流动时的沿程水头损失，常采用法国工程师谢才的经验公式进行计算，即或上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础值得说明的是:谢才公式可应用于明渠，也可以应用于管流。其中，该公式中的谢才系数的计算方式也层出不穷，满宁公式是较为普遍的用来计算C的公式之一，即应该注意的是，谢才公式中的C和达西公式中的λ是从不同的实验成果中总结出来的因此，用谢才公式和达西公式计算同一个问题时，计算的结果并不相同。对于管流，一般应采用达西公式计算;而对于明渠，一般宜采用谢才公式计算2.局部阻力与局部水头损失在流道边界发生突变的局部区域，液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的急剧改变，由此产生的阻力称为局部阻力。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础流体由于克服局部阻力而造成的相应的水头损失称为局部水头损失，它一般发生在水流边界突变处附近，例如图(1-26)中所示的水流经过“弯头”、“缩小”、“放大”及“闸门”等处。局部水头损失产生的机理较为复杂，局部突变种类也很多，主要有断面突变型、流向改变型、局部障碍型和流量变化型四种，其中除了少部分情况可以采用理沦方法计算外，绝大多数局部地段的水头损失都是通过实验的方法来确定的，计算局部水头损失的通用公式为上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础通常，不同的边界变化情况，有不同的局部水头损失系数，其值由实验确定。一般计算时，ξ值可以查阅专用计算手册，使用ξ值时应该注意与之相对应的流速水头，见表1-4和表1-5。综上所述，沿程水头损失和局部水头损失都是由于液体在运动过程中克服阻力做功而引起的，但又具有不同的特点。沿程阻力主要显示为“摩擦阻力”的性质。而局部阻力主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整整体结构适应新的均匀流条件的过渡过程所造成的。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础子学习情境四恒定流的动量方程一、恒定流的动量方程运动物体质量m与速度的积为动量K，即K=mu，动量是矢量，既有大小又有方向，根据动量定理则有:上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础从恒定流中任取一束元流，如图1-28所示。恒定总流的动量方程(1-39)或方程(1-40)表明:总流作恒定流动时，单位时间控制面内总流的动量变化(流出与流入的动量之差)等于作用在该控制面内所有液体质点的质量力与作用在该控制面上的表面力的合力。恒定流动的动量方程不仅适用于理想液体，而且也适用于实际液体。上一页下一页返回 学习情境二　水动力学基础实际上，即使是非恒定流，只要流体在控制面内的动量不随时间改变，这一方程仍适用。用动量方程解题的关键在于如何选取控制面，一般应将控制面的一部分取在运动液体与固体边壁的接触面上，另一部分取在渐变流过水断面上，并使控制面封闭。因动量方程是矢量方程，故在实用上是利用它在某坐标系上的投影式进行计算的为方便起见，应使有的坐标轴垂直于不要求的作用力或动量(速度)。写投影式时应注意各项的正负号。上一页返回 复习思考题1.有一过水断面为矩形的人工渠道，其宽度B等于1m。测得断面1-1与2-2处的水深分别为0.6m，0.3m。若断面平均流速等于2m/s，试求通过此渠道的流量Q及断面1-1的平均流速。2.一直径D为1m的盛水圆简铅垂放置，现接出一根直径d为20cm的水平管子。已知某时刻水管中断面的平均流速等于3m/s，求该时刻圆简中液面下降的速度。3.有三个不同直径的水管串联，其直径顺序分别40mm,100mm,120mm,若断面平均流速5m/s，求其他管中的水流速度。下一页返回 复习思考题4.一矩形断面平底的渠道，其宽度B为2.7m,河床在某断面处抬高0.3m，抬高前的水深为1.5m,抬高后水面降低0.12m若水头损失hu为尾渠流速水头的一半，问流量U等于多少?5.一变直径管道，如图1-30所示，已知断面1的直径150mm，其中心点压强78.4kn/m2。断面2的直径d=300mm，其中心点压强68.6kN/m2，断面2的平均流速2m/s。两断面中心点高差h=0.8m，试确定管中的水流方向，并计算两断面间的水头损失。上一页返回 学习情境三明渠均匀流子学习情境一概述一、明渠边界的几何条件由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。1.棱柱形渠道和非棱柱形渠道在工程实践中，因水流在不同地段、地形等条件都有改变，渠道断面尺寸、形状和底坡沿程也不完全相同，凡是断面形状及尺寸和底坡沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道;否则为非棱柱形渠道。下一页返回 学习情境三明渠均匀流2.顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(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，在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正，因此，以导数形式表示时应为上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流当渠底坡较小时，例如i<0.1或θ<6°时，因两断面间渠底线长度△s与两断面间的水平距离△l近似相等，即△s=△l，则由图1-31(a)可知所以，在上述情况下，两断面间的距离△S可用水平距离△l代替，并且，过水断面可以看做铅垂平面，水深h也可沿铅垂线方向量取上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流明渠底坡通常有三种情况，如图1-32所示。渠底高程沿流程下降的，称为顺坡，规定i>0;渠底高程沿流程保持水平的(不变的)，称为平坡，i=0;渠底高程沿流程上升的，称为逆坡，规定i<0。二、明渠均匀流的水力特性及其形成条件明渠均匀流具有下列几个水力特性。(1)过水断面的形状和尺寸、流量和水深，沿程不变(2)过水断面上流速的大小、方向和流速的分布及其分布规律沿程不变，断面的平找流速、动能修正系数及流速水头均沿程不变。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流(3)总水头线、测管水头线(在明渠水流中，就是水面线)和渠底线三线互相平行，因而三坡度相等。根据上述明渠均匀流的各种特性，可见只有同时具备下述条件，才能形成明渠恒定均匀流:(1)明渠中水流必须是恒定流;(2)流量沿程不变;(3)明渠必须是棱柱形渠;(4)明渠的糙率必须保持沿程不变;(5)明渠的底坡必须是顺坡，且底坡沿程不变;(6)同时应有相当长的而且其上没有建筑物的顺直段上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流子学习情境二明渠均匀流的基本公式一、基本公式明渠恒定均匀流，计算断面平均流速可采用谢才公式，即对于明渠恒定均匀流上式可写为上式中谢才系数C可以用曼宁公式(1-35)计算。将曼宁公式代人谢才公式中便可得到上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流在设计渠道选择糙率n值时，应注意以下几点:(1)选定了n值，就意味着将渠糟粗糙情况对水流阻力的影响作出了综合估计因此，必须对前述的水流阻力和水头损失的各种影响因素及一般规律有正确的理解。(2)要尽量参考一些比较成熟的典型糙率资料。(3)应尽量参照本地和外地同类型的渠道实测资料和运用情况，选择切合实际的糙率n。(4)为保证选定的n值达到设计要求，设计文件中应对渠槽的施工质量和运行维护提出有关要求。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流二、过水断面的水力要素明渠均匀流基本公式中Q,A,K,C,R都与明渠均匀流过水断面的形状、尺寸和水深有关。明渠均匀流水深，通称正常水深，以表示。人工渠道的断面形状，根据渠道的用途、渠道的大小、施工建造方法和渠道的材料等选定。在水利工程中，梯形断面最适用于天然土质渠道，是最常用的断面形状。其他断面形状，如圆形、矩形、抛物线形，在特定场合，也被采用。下面研究梯形和圆形过水断面的水力要素。如图1-33所示，过水断面面积为上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流水面宽为湿周为水力半径为显然，在上述四个公式中，对于矩形过水断面，边坡系数m=0;对于三角形过水断面，底宽b=0。如果梯形断面是不对称的，两边的边坡系数，则有上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流水工隧洞和下水管道，因为不是土料建造，所以常采用圆形管道。在管径d、过水断面充水深度h和中心角Φ已知时;如图1-34所示明渠圆管断面的各项水力要素很容易由几何关系推得。过水断面面积为湿周为水面宽度为上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流水力半径为流速，由谢才公式得流量为充水深度h和中心角Φ的关系为上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流三、水力最优断面由上述的明渠水流的计算公式中可以看出，渠道的输水或泄水能力取决于底坡i、糙率n及过水断面的形状尺寸的大小等方面。在渠道设计时，底坡i取决于地形条件或其他条件;糙率n取决于选用的建筑材料及施工水平等方面，在底坡和糙率都已知的情况下，流量Q取决于过水断面的形状和尺寸。水力最优断面就是指在底坡和糙率已知的情况下，过水断面面积一定时，通过的流量最大，或者当流量一定时，过水断面面积最小的断面。符合这种条件的断面，从理沦上说，工程量最小，即上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流这里讨沦在m一定的条件下，梯形断面的水力最优条件。梯形断面的湿周，边坡系数，n已知，由于面积A给定，b和h相互关联，所以有当水力最优条件下，应有从而得到水力最优的梯形断面的宽深比条件为上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流尽管水力最优断面在相同流量下过水断面面积最小，但从经济、技术和管理等方面综合考虑，它有一定的局限性。应用于较大型的渠道时，由于深挖高填，施工开挖工程量及费用大，维持管理也不方便;流量改变时水深变化较大，给灌溉、航运带来不便。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流四、允许流速就明渠水流来说，渠道中若流速过大，则发生冲刷;反之，则产生淤积。因此，一条设计合理的渠道应满足式中，v’’为最小允许流速，与水流条件及水流的挟砂特性等多方面因素有关，可以按经验公式或有关经验选取，也称为不淤积流速。是保证含沙水流中挟带的泥沙不致在渠道淤积的允许流速下限，可参考有关文献。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流V’为最大允许流速，由土壤的种类和护面情况决定，即土壤种类、颗粒大小和密实程度，或决定于渠道的衬砌材料，以及渠中流量等因素。可以根据免遭冲刷的最大允许流速确定，也称不冲流速表1-11为我国某水利部门多年总结的各种渠道不冲的最大允许流速，可供设计明渠时选用。表1-12为土质渠道。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流子学习情境三明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算，可分为两类一、直接求解法如果已知其他五个数值，要求流量Q，或要求糙率n，或要求底坡i，只要应用基本公式，进行简单的代数运算，就可直接求到结果。现用例子说明。【例1-7】有一预制的混凝土渡槽，断面为矩形，底宽b=1.0m，底坡i=0.005，均匀流水深=0.5m，糙率n=0.014，求通过的流量及流速上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流解:矩形断面，边坡系数m=0，代入基本公式得上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流二、试算法如果已知其他五个数值，要求正常水深，或要求底宽h，其求法还有一种为设计渠道断面尺寸，这种问题在基本公式中表达b和h的关系式都是高次方程，不能采用直接求解法，而只能采用试算法或者图解法。方法如下:假设若干个h值，代人基本公式，计算相应的K值;若所得的K值与已知的相等，相应的h值即为所求。实际上，试算第一、二次常不能得出结果。多试验几个h值，若大了调小，小了则要调大，通常试验的次数达到七八次时就与真实值很接近了。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流为了减少试算工作，可假设三五个h值，求出相应的画成K=f(h)曲线。然后从曲线上由已知的值求出h。若要求的是b，则和求h的试算法一样，此时画的曲线是K=f(b)。【例1-10】有土渠断面为梯形，边坡系数m=1.5，糙率n=0.025底宽b=4m，底坡i=0.0006，求通过流量Q=9.0m3/s时均匀流水深(正常水深)。上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流可用列表法，将各试算数据列出，见表1-13.由上表知，当K=366.96≈367时，对应的h=1.49m，即为均匀流水深。另外当数学功底足够时，也可以求解正常水深，即应用先进的现代化手段可求解出正常水深为1.49m上一页下一页返回 学习情境三明渠均匀流子学习情境四复式断面渠道的水力计算明渠复式断面由两个或三个单式断面组成，例如天然河道中的主槽和边滩。在人工渠道中，如果要求通过的最大流量与最小流量相差很大，也常采用复式断面。它与单式断面比较，能更好地控制淤积，减少开挖量。这部分内容在公路工程地质等相关科目中也都有阐述。图1-37表示一天然河道的复式断面分算的办法是在边滩内缘作铅垂线ab和cd，把主槽和边滩分开，按整体流量等于各部分流量之和.有亦即上一页返回 复习思考题1.有一明渠均匀流，过流断面如图所示。B=1.2m,r=0.6m,i=0.0004。当流量Q=0.55m3/s时，断面中心线水深h=0.9m，问此时该渠道的糙率n应为多少?2.有一条长直的矩形断面明渠，过流断面宽b=2m，水深h=0.5m。若流量变为原来的两倍，水深变为多少?假定谢才系数C不变。3.为测定某梯形断面渠道的糙率n值，选取l=150m长的均匀流段进行测量。已知渠底宽度b=10m，边坡系数m=1.5，水深3.0m，两断面的水面高差△z=0.3m，流量Q=50m3/s，试计算n值。下一页返回 复习思考题4.某梯形断面渠道中的均匀流，其流量Q=20m3/s,渠道底宽b=5.0m，水深h=2.5m，边坡系数m=1.0，糙率n=0.025，试求渠道底坡i。5.一路基排水沟需要通过的流量Q为1.0m3/s，沟底坡度i为4/1000，水沟断面采用梯形，并用小片石干砌护面，n=0.02，边坡系数m为1。试按水力最优断面条件决定此排水沟水流为均匀流时的断面尺寸。6.有一输水渠道，在岩石中开凿，采用矩形过流断面。i=0.003,Q=1.2m3/s。令水流为均匀流，试按水力最优断面条件设计断面尺寸。上一页返回 学习情境四明渠非均匀流子学习情境一明渠水流的三种流态明渠水流有的比较平缓，例如灌溉渠道中的水流和平原地区江河中的水流。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，障碍物前水位雍高能逆流上传到较远的地方，如图1-39(a)所示;而像山区河道中的水流、过坝下溢的水流、跌水、瀑布和险滩地的水流等，水流流的非常湍急，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1-39(b)所示。以上情况表明，明渠水流存在两种不同的流态。即缓流和急流。其实介于两者之间的，还有第三种流态，即临界流。下一页返回 学习情境四明渠非均匀流明渠水流要判别流态，还可以用一个量纲为1的佛汝德数来判断。当<1，水流为缓流;=1，水流为临界流;>1，水流为急流。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流佛汝德数在水力学中是一个极其重要的判别数，为了加深理解它的物理意义，可把它的形式改写为由上式可以看出，佛汝德数是表示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，这个比值大小的不同，反映了水流流态的不同。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流子学习情境二断面比能与临界水深一、明渠非均匀流现象从水面曲线的角度来看，明渠非均匀流具有如下几个基本水力现象1.壅水明渠非均匀流中，水深沿程增加的水力现象2.降水沿着流程水深减小的水力现象。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流3.水跌在底坡突然降低或底坡由缓坡变陡折变处附近局部渠段内，水面曲线急剧下降的水力现象。4.水跃渠中水深在局部渠段内呈现突然增大的水力现象，通常在水跌发生之后衔接水跌的一种呈波状或旋涡状的水流现象。二、断面比能如图1-40所示为一渐变流，若以0-0为基准面，则过水断面上单位重量液体所具有的总能量为（1-71）上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流如果把参考基准面选在渠底这一特殊位置，把对通过渠底的水平面0’-0’所计算得到的单位能量称为断面比能，并以E来表示，则有具体的在实用上，因一般明渠底坡较小，可认为cosθ≈1，因此断面必能经常采用，即由上述的式子可知，断面比能是过水断面上单位重量液体总能量E的一部分，二者相差的数值就是两个基准面之间的高差。由上式可知，当流量口和过水断面的形状及尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数，上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流按照此函数关系可以绘出断面比能随水深变化的曲线，该曲线称为比能曲线。假定已经给定某一流量和渠道断面的形状及尺寸，现在来定性地讨沦一下比能曲线的特性。根据讨论绘出的比能曲线如图1-41所示，曲线的下端以横坐标轴为渐近线，上端以与坐标轴成45。夹角并通过原点的直线为渐近线。该曲线在K点断面比能有最小值。K点把曲线分成上下两支。在上支，断面比能随水深的增加而增加;在下支，断面比能随水深的增加而减小。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流另外，由式(1-71)中可以看出由此可见:断面比能沿程变化表示明渠水流的不均匀程度，因此，在明渠非均匀流中，断面比能的性质就有着特殊重要的意义。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流三、临界水深临界水深是水流处于临界状态时的水深，是指在断面形式和流量给定的条件下，相应于断面比能最小值时的水深。临界水深的计算公式可根据上述定义得出。(1-81)上式便是求临界水深的普遍式，称为临界水深方程。对于给定的断面，设各种h值，依次算出相应的A,B和A3/B值。以A3/B为为横坐标，以h为纵坐标作图，如图1-43所示。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流由式(1-81)知，图中对应于A3/B恰等于aQ2/g的水深h便是。对于矩形断面的明渠水流，其临界水深可用以下关系式求得。此时，矩形断面的水面宽度B等于底宽h，代人临界水深方程(1-81)便有上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流四、临界坡、缓坡和陡坡若在流量和断面形状、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亦随之而改变。如果变至某一底坡，其均匀流的正常水深恰好与临界水深相等，此坡度定义为临界底坡。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流若已知明渠的断面形状及尺寸，当流量给定时，在均匀流的情况下，可以将底坡与渠中正常水深的关系绘出图1-44所示的曲线图。临界底坡的计算式为由上式不难看出，明渠的临界底坡与断面形状、尺寸、流量及渠道的糙率有关，而与渠道的实际底坡无关。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流一个坡度为i的明渠，与其相应(即同流量、同断面尺寸、同糙率)的临界底坡相比较可能有三种情况，根据可能出现的不同情况，可将明渠的底坡分为如下三种。总之，判别水流形态的方法主要有如下三种。(1)佛汝德数，1为界限值(2)临界水深。(3)临界底坡。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流子学习情境三非均匀渐变流的微分方程及水面曲线的定性分析一、明渠渐变流的基本微分方程由上节的内容可知，断面必能随水深及流程的变化规律，因此即是明渠非均匀渐变流的基本微分方程，它是反映水深沿程变化规律的关系式。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流二、棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析1.水面曲线定性分析必备的条件棱柱形渠道中的断面尺寸、流量、糙率及底坡均已知，另外渠道要无限长，即长度足够，水面曲线才可在渠中充分发展。2.明渠底坡由前面知识可知底坡有三种:顺坡、逆坡和平坡。其中顺坡又可分为缓坡、临界坡和陡坡，因此底坡共有五种情况。且在这五种情况的底坡中，可以将水流分区。在上述的五种底坡上的N-N线、K-K线等的分布情况如图1-45所示。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流于是就将底坡上的空间由N-N线、K一K线将其分成不同的区域，一般有如下几个规定。(1)a区:水面线位于N-N线和K-K线之上的流区(2)b区:水面线位于N-N线和K-K线之间的流区。它有两种情况:N-N线在K-K线之上的缓坡明渠或N-N线在K-K线之下的陡坡明渠。(3)c区:水面线位于N-N线和K-K线之下底坡之上的流区。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流3.水面曲线定性分析下面以缓坡渠道为例进行说明。1)型曲线，如图1-46(a)所示。曲线中，水流为缓流，所以即水深是沿程增加的。2)型水面曲线，如图1-46(b)所示。曲线中，水流为缓流，所以即水深是沿程减小的。3)型水面曲线，如图1-46(c)所示。水流为缓流，曲线的断面水深位于区，有即水深是沿程增加的壅水曲线。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流总的来说，分析水面曲线，遵循如下五个规律(1)在a、c区内的水面曲线是水深沿程增加的壅水曲线，而b区的水面曲线则是水深沿程减小的降水曲线。(2)水面曲线与正常水深线N-N渐近相切。(3)水面曲线与临界水深线K-K呈正交趋势(4)水面曲线在向上、下游无限抬升时将趋于水平线。(5)在临界坡渠道(i=)的情况下，N-N线与K-K线重合。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流4.水面曲线的计算与绘制对棱柱体明渠均匀渐变流水面曲线做了前面的定性分析，在工程实践中也需要定量了解水深沿程变化，即确定水面曲线的位置，其实理沦上讲只需对微分方程积分就可以，但积分非常困难，通常采用分段求和法。它适用于各种明渠水流情况，由前面内容推导出的断面比能沿程变化微分方程为上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流假定在微小距离△l段内成线性变化，现将其改写成差分方程形式为具体的计算绘制曲线实例这里就不再列举了，见表1-15，也可以参考相关书籍阅读和学习。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流子学习情境四水跌与水跃一、水跌当明渠水流由缓流过渡到急流的时候，水面会在短距离范围内急剧降落，这种水流现象称为水跌。水跌发生在明渠底坡突变或有跌坎处，其上、下游流态分别为缓流和急流，如图1-47(a),(b)所示。由于边界的突变，水流底部和下游的受力条件显著改变，使重力占主导地位，它力图将水流的势能转变成动能，从而使水面急剧下降，形成局部的急变流流段，水面急剧地从临界水深线之上降落到临界水深线之下。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流二、水跃水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象，如图1-48所示。它可以在溢洪道下、洪水闸下、跌水下游形成，也可以在平坡渠道闸下出流时形成。1.水跃发生的形式它有完整水跃和不完整水跃(也称不完整水跃)两种形式(1)完整水跃发生在棱柱形渠道，其跃前水深h’和跃后水深h”相差显著的水跃。这种水跃发生时，水表面有旋滚的水跃，消耗的能量相对多。上一页下一页返回 学习情境四明渠非均匀流(2)不完整水跃是指水跃发生时，水面只能产生一系列的波浪，波峰沿程减小直至消失，这种形式的水跃称为波状水跃，该水跃发生时消耗的能量小于完整水跃。2.共辘水深它指水跃发生前后断面的水深，用h’和h”表示，它们之间具有相互依存的关系，称为共扼水深，习惯上称上述的共扼水深分别为第一共扼水深和第二共扼水深。3.水跃长度水跃长度是消能建筑物(尤其是建筑物下游加固保护段)的尺寸设计的主要依据之一，但是到目前为止，关于水跃长度的确定还没有可供应用的理沦公式，虽然经验公式很多，但彼此相差较大。上一页返回 复习思考题1.试求矩形断面的明渠均匀流在临界状态下，水深与断面单位能量之间的关系。2.平板和逆坡渠道的断面单位能量，有无可能沿程增加？3.判别水流流态的方法有哪几种，怎样判别?4.有一梯形土渠，底宽b=12m，断面边坡系数m=1.5，粗糙系数n=0.025，通过流量Q=18m3/s，求临界水深及临界坡度。5.有一顺直小河，断面近似矩形，已知b=10m，n=0.04i=0.03a=1.0Q=10m3/s，试判别在均匀流情况下的水流状态(急流还是缓流)。返回 学习情境五堰流与下游消能子学习情境一堰流及其分类表征堰流的特征量有:堰宽b,即水流漫过堰顶的宽度;堰前水头H，即堰上游水位在堰顶上的最大超高;堰壁厚度δ和它的剖面形状;下游水深h及下游水位高出堰顶的高度△;堰上、下游高p及p’;行近流速等。根据堰流的水力特点，可按δ/H的大小将堰划分为三种基本类型。(1)薄壁堰(δ/H<0.67)，水流越过堰顶时，堰顶厚度8不影响水流的特性，如图1-50(a)所示。下一页返回 学习情境五堰流与下游消能(2)实用堰(0.67<δ/H<2.5),堰顶厚度δ对水舌的形状已有一定影响，但堰顶水流仍为明显弯曲向下的流动。实用堰的纵刘面可以是曲线形，如图1-50(b)所示，也可以是折线形，如图1-50(c)所示。工程上的溢流建筑物常属于这种堰。(3)宽顶堰(2.5<δ/H<10),堰顶厚度δ已大到足以使堰顶出现近似水平的流动，如图1-50(d)所示，但其沿程水头损失还未达到显著的程度而仍可以忽略。水利工程中的引水闸底坝即属于这种堰。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能δ/H>10时，沿程水头损失逐渐起主要作用，不再属于堰流的范畴。堰流形式虽多，但其流动却具有一些共同特征。水流趋近堰顶时，流股断面收缩，流速增大，动能增加而势能减小，故水面有明显降落。从作用力方面看，重力作用是主要的。堰顶流速变化大，且流线弯曲，属于急变流动，惯性力作用也显著;在曲率大的情况下有时表面张力也有影响，因溢流在堰顶上的流程短(0≤δ≤10H)砧性阻力作用小。在能量损失上主要是局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计(如宽顶堰和实用堰)，或无沿程水头损失(如薄壁堰)。由于上述共同特征，堰流基本公式可具有同样的形式上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能影响堰流性质的因素除了δ/H以外，堰流与下游水位的连接关系也是一个重要因素当下游水深足够小，不影响堰流性质(如堰的过流能力)时，称为自由式堰流，否则称为淹没式堰流。开始影响堰流性质的下游水深称为淹没标准。此外，当堰宽b小于上游渠道宽度B时，称为侧收缩堰，当b=B时则称为无侧收缩堰。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能子学习情境二堰流的基本公式一、基本计算公式如图1-51所示，现用能量方程式来推求堰流计算的基本公式。(1-90)式(1-90)虽是针对矩形薄壁堰推导而得到的流量公式，如仿照上述方法，对实用堰和宽顶堰进行流量公式推导，将得出与式(1-90)同形式的流量公式，只是流量系数所代表的数值不同。因此式(1-90)称为堰流基本公式。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能在实际工程中，堰顶水头H的量测是很方便的，但计算行近流速，则需先知流量，而流量需由上式算出。由于式中括行近流速水头，应用上式计算流量就很不方便。为了避免这点，可将堰流的基本公式改用堰顶水头H表示，即实际应用时，有时下游水位较高或下游堰高较小影响了堰的过流能力，这种堰流称为淹没溢流此时，可用小于1的淹没系数σ表明其影响，囚此淹没式的堰流基本公式可表示为上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能二、堰流的水流特点和过流能力1.薄壁堰薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此，常作为水力模型试验或野外流量测量中一种有效的量水工具。另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌下缘曲线设计。所以，薄壁堰流的研究具有实际意义，如图1-52所示为矩形薄壁堰流，另外还有三角形薄壁堰。薄壁堰在形成淹没溢流时，下游水面波动较大，溢流很不稳定。所以，一般情况下量水用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。当堰下游水位高于堰顶且下游发生淹没水跃时，将会影响堰流性质，形成淹没式堰流。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能2.实用堰流实用堰主要用作蓄水挡水建筑物—坝，或净水建筑物的溢流设备。根据堰的专门用途和结构本身的稳定性要求，其刘面可设计成曲线或折线两类，如图1-53和图1-54所示。3.宽顶堰流许多水工建筑物的水流性质，从水力学的观点来看，一般都属于宽顶堰流。例如，小桥桥孔的过水，无压短涵管的过水，水利工程中的节制闸、分洪闸、泄水闸，灌溉工程中的进水闸、分水闸、排水闸等，当闸门全开时都具有宽顶堰的水力性质。因此，宽顶堰理沦与水工建筑物的设计有密切的关系。宽顶堰上的水流现象是很复杂的。根据其主要特点，抽象出的计算图形如图1-55(自由式)及图1-56(淹没式)所示。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能1)自由式无侧收缩宽顶堰宽顶堰上水流的主要特点，可以认为:自由式宽顶堰流在进口不远处形成一收缩水深(即水面第一次降落)，此收缩水深，小于堰顶断面的临界水深帐，形成流线近似平行于堰顶的渐变流，最后在出口(堰尾)水面再次下降(水面第二次降落)，如图1-55所示。自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算可采用堰流基本公式(1-90)得出上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能2)淹没式无侧收缩宽顶堰自由式宽顶堰堰顶水深小于临界水深，即堰顶上的水流为急流。由图1-55可知，当下游水位低于坎高，即△<0时，下游水流绝对不会影响堰顶水流的性质。通过实验，可以认为淹没式宽顶堰的充分条件是3)侧收缩宽顶堰如堰前引水渠道宽度B大于堰宽b，则水流流进堰后，在侧壁发生分离，使堰流的过水宽度实际上小于堰宽，同时也增加了局部水头损失。若用侧收缩系数二考虑上述影响，则自由式侧收缩宽顶堰的流量公式为上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能子学习情境三泄水建筑物下游的消能一、消能的形式在堰、闸下游，陡坡渠道的尾端，桥涵出口，跌水等处的水流，其流速较高，会冲刷河床，危及水工建筑物的安全。为了把引起冲刷的水流能量在比较短的区域内消除而设置的消能措施，称为消能工。消能工的形式较多，按作用的基本形式可划分为以下三种。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能1.底流型衔接消能在紧接泄水建筑物的下游修建消能池，使水跃在池内形成，借水跃实现急流向下游河道中缓流的衔接过渡，并利用水跃消能除余能。由于衔接段主流在底部，故称为底流型衔接消能，如图1-57(a)所示。2.面流型衔接消能在泄水建筑物尾端修建低于下游水位的跌坎，将宣泄的高速急流导向下游水流的表层，并受其顶托而扩散。坎后形成的底部旋滚，既可隔开主流与河床，以免其直接冲刷河床，又可消除余能。由于衔接段高流速主流在表层，故称为面流型衔接消能，如图1-57(b)所示。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能3.挑流型衔接消能在泄水建筑物尾端修建高于下游水位的挑流鼻坎，将宣泄水流抛射向空中再跌落到远离建筑物的下游，形成的冲刷坑不致影响建筑物的安全。挑流水舌潜入冲刷坑水垫中所形成的两个旋滚可消除大部分余能。这种方式称为挑流型衔接消能，如图1-57(c)所示。上一页下一页返回 学习情境五堰流与下游消能二、消能池根据泄水建筑物下游地基情况，消能池可分为降低护坦和在护坦末端加筑消能坎两种基本形式。如图1-58所示。三、闸下出流闸门主要用来控制和调节河流或水库中的流量。闸下出流和堰流不同，堰流上下游水面线是连续的，闸下出流上下游水面线被闸门阻隔中断。因此，闸下出流的水流特征和过水能力与堰流有所不同。闸下的过水能力受闸门形式、闸前水头、闸门开度、闸底坎类型和下游水位等因素的影响。上一页返回 复习思考题1.什么是堰流?堰流是如何分类的?2.按堰壁厚度和堰顶水头的关系，堰的作用分别是了什么?3.泄水建筑物下游的消能方式有哪些?分析其在工程实践中有何应用?返回 图1-1特性一返回 图1-2特性二返回 图1-3液体平衡试验返回 图1-4静水压强返回 图1-5连通器返回 图1-7液面齐平返回 图1-8测压管返回 图1-9测压管(U形)返回 图1-10空气比压计返回 图1-13压强分布图返回 图1-14平面受水平压力作用返回 图1-15解析法求静水总压力返回 表1-1返回 图1-17题1-3图返回 图1-18题1-4图返回 图1-19液流返回 图1-21式（1-24）图返回下一页 图1-21例1-3图返回上一页 图1-22液流能量转化返回 图1-23总水头线返回 图1-26水头损失返回 表1-4断面扩大管水头损失返回 表1-5缩小管水头损失返回 图1-30变直径管道返回 图1-32明渠底坡三种情况返回 表1-13例1-10表返回 明渠返回 图1-39明渠水流返回 图1-40渐变流返回 图1-44底坡与水深关系曲线返回 图1-45水面线和水深线的分布返回 图1-46水面曲线返回 图1-47水跌返回 图1-48水跃返回 图1-50堰的类型返回 图1-50堰的类型返回 图1-51返回 图1-52薄壁堰返回 图1-53曲线类实用堰返回 图1-54折线类实用堰返回 图1-55自由式宽顶堰返回 图1-56淹没式宽顶堰返回 图1-57消能返回 图1-57消能返回 图1-58消能池返回 图1-24　明渠流位置一返回 图1-28　恒定流返回 图1-37　天然河道的复式断面返回 图1-6压强值返回 图1-11水银比压计返回 图1-12倒装比压计返回 图1-24明渠流位置一返回 图1-25明渠流位置二返回 图1-31明渠的底坡返回 图1-33过水断面返回 图1-34圆形管道返回 表1-11渠道的不冲允许流速返回 表1-12土质渠道返回 图1-41比能曲线返回 图1-43返回 表1-15曲线实例(1)返回下一页 表1-15曲线实例(2)返回上一页 图1-30变直径管道返回 项目二桥涵水文学习情境一河流基本知识复习思考题学习情境二水文统计基础 学习情境一河流基本知识子学习情境一水循环与径流形成过程一、自然界水循环自然界的水是在不断运动的。海洋和陆地上的水受到太阳辐射热的作用，蒸发上升到大气中，且随着大气而运动。在一定的条件下，大气中的水汽凝结成降水，重新降落到地球表面;降落到地表的水一部分被蒸发，另一部分则经过河道又汇入海洋。水循环总的趋势是海洋向陆地输送水汽，陆地向海洋注入径流。在海洋向内陆输送水汽的过程中，一部分水在陆地上空冷凝降落，形成径流，向海洋流动，另一部分再次蒸发成水汽继续向更远的内陆输送，愈向内陆运动水汽愈少，循环逐渐减弱，直到不能形成降水为止。水的这种周而复始的运动过程称为水循环，如图2-1所示。下一页返回 学习情境一河流基本知识二、径流形成过程径流形成过程指汇水区内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程。径流的形成是相当复杂的，为便于分析一般把它概括为产流过程和汇流过程两个阶段。(一)产流过程降落到流域内的雨水，一部分会损失掉，剩下的部分形成径流。降雨扣除损失后的雨量称为净雨。把降雨扣除损失成为净雨的过程称为产流过程，净雨量也称为产流量。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识沿着土壤孔隙流动，一部分会从坡侧土壤孔隙流出，注人河槽形成径流，称为表层流或壤中流。形成表层流的净雨称为表层流净雨。另一部分会继续向深处下渗，到达地下水面后，以地下水的形式补给河流，称为地下径流。形成地下径流的净雨称为地下净雨，包括浅层地下水(潜水)和深层地下水(承压水)。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识(二)汇流过程净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，然后再沿着河网汇集到流域出口断面，这一完整的过程称为流域汇流过程。前者称为坡地汇流，后者称为河网汇流。1.坡地汇流过程坡地汇流分为三种情况1)坡面流超渗雨满足了填洼后产生的地面净雨沿坡面流到附近河网的过程，称为坡面漫流。坡面漫流是由无数股彼此时分时合的细小水流所组成，通常没有明显的固定沟槽，雨强时可形成片流。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识坡面漫流的流程较短，一般不超过数百米，历时亦短。地面净雨经坡面漫流注人河网，形成地面径流。大雨时地面径流是构成河流流量的主要来源。2)表层流径流表层流净雨沿坡面侧向表层土壤孔隙流入河网，形成表层流径流。表层流流动比地面径流慢，到达河槽也较迟，但对历时较长的暴雨，数量可能很大，成为河流流量的主要组成部分。3)地下径流和基流向下渗透到地下潜水面或深层地下水体后，沿水力坡度最大的方向流入河网，称为坡地地下径流。深层地下水汇流很慢，所以降雨以后，地下水流可以维持很长时间，较大河流可以终年不断，是河川的基本径流，所以常称为基流。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.河网汇流过程各种成分径流经坡地汇流注入河网，从支流到干流，从上游向下游，最后流出流域出口断面，这个过程称为河网汇流或河槽集流过程。坡地水流进人河网后，使河槽水量增加，水位升高，这就是河流洪水的涨水阶段。在涨水段，由于河槽储蓄一部分水量，所以对任一河段，下断面流量总小于上断面流量。随降雨和坡地漫流量的逐渐减少直至完全停止，河槽水量减少，水位降低，这就是退水阶段。这种现象称为河槽调蓄作用。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识河槽调蓄是对净雨在时程上进行的第二次再分配。一次降雨过程，经植物截留、下渗、填洼、蒸发等损失，进人河网的水量显然比降雨量少，且经过坡地汇流和河网汇流，使出口断面的径流过程远比降雨过程变化缓慢，同时，降雨、产流和汇流，是从降雨开始到水流流出流域出口断面经历的全过程，它们在时间上并无截然的分界，而是同时交错进行的。总的来说，地表径流的形成要经过降水阶段、蓄渗阶段、坡面漫流阶段和河槽集流阶段几个过程。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识子学习情境二河流与流域一、河流降落到地面上的雨水，除下渗、蒸发等损失外，其余水在重力作用下形成地面径流。地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成小溪，汇集成河流。河流是河槽和其中水流的统称。河流可分为干流和支流，一般把长度最长或水量最大的河流称为干流，流入干流的河流则称为支流。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识1.河流的分段一条河流沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等。上游紧接河源，多处于深山峡谷中，坡陡流急，河谷下切强烈，常有急滩或瀑布。中游河段坡度渐缓，河槽变宽，两岸常有滩地，冲淤变化不明显，河床较稳定。下游是河流的最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，河床坡度和流速都较小，淤积明显，浅滩和河湾较多。河口是河流的终点，即河流注人海洋或内陆湖泊的地方。这一段因流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三角洲。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.河流的基本几何特征1)河流的长度自河源沿主河道至河口的距离称为河流长度，简称河长，以KM计。可通过实际调查获得，亦可在适当比例尺的地形图上或航测图上量得。2)河流的横、纵断面河流中垂直于水流方向的断面称横断面，如图2-2示。河床一般由河槽和河滩两部分组成。河槽是河流宣泄洪水和输送泥沙的主要通道，植被不易生长，且在洪水期有底沙运动。河槽两侧洪水漫溢的滩地称为河滩，河滩上通常长有草类、树木或可种植农作物，被洪水淹没的次数较少，河槽中无底沙运动。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识河槽中较高的可移动的泥沙堆称为边滩，其余部分称为主槽。只有河槽没有河滩的断面复式断面，图2-3中，(a)图为单式断面，(b),(c)图为复式断面。(b)图所示复式断面为一槽一滩(多为河弯处)，(c)图所示为一槽两滩(多为平原和微丘区纵向顺直式河段中)。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识3)河道纵比降任意河段两端(水面或河底)的高差Δh称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降，简称比降，用小数或千分数表示。常用的比降有水面比降和河底比降。河流沿程各河段的比降都不相同，一般自河源向河口逐渐减小。水面比降随水位的变化而变化，河底比降则较稳定。当河段纵断面近于直线时，比降按式(2-1)计算，即上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识当河底高程沿程变化时，可在纵断面图上使斜线以下的面积与原河底线以下的面积相等式为如图2-4所示，从下断面河床处作一斜线，该斜线的坡度即为河道的平均比降，其计算式为上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识3.河段分类1)山区河段山区河段可分为峡谷河段和开阔河段两类，且这两类河段都为稳定性河段。山区河段的形态特征为:在平面上多急弯、卡口，宽窄相同，河床为V形或U形;河流纵断面多呈凸型，比降缓陡相连。峡谷河段河床狭窄，河岸陡峭多为石质，中、枯水期河槽无明显区别;开阔河段河面较宽，有边滩，有时也有不大的河漫滩和明显阶地，有的地方也会出现心滩和沙洲，比降较缓，河床泥沙较细。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识山区河段的水文泥沙特征为:河床比降陡，流速大，水位变幅大，含沙量小，河床泥沙颗粒较大，由于流速大，搬运能力强，故洪水时河床上有卵石运动。山区河段的河床演变特征为:河流稳定，变形多为单向的切蚀作用，速度相当缓慢;峡谷河段的进口或窄口的上游，受奎水的影响易形成洪淤、枯冲;开阔河段有时有较厚的颗粒较细的沉积物，且多呈洪冲、枯淤变化;两岸对河流的约束和钳制作用大。各河段区别要点为:峡谷河段，河床窄深，床面岩石裸露或为大漂石覆盖，河床比降大，多急弯、卡口，断面呈V形或U形;开阔河段和顺直微弯河段岸线整齐，河槽稳定，断面多呈U形，滩、槽分明，各级洪水流向基本一致。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2)平原河段平原河段可分为顺直微弯河段、分汉河段、弯曲河段、宽滩河段和游荡河段五类。其中顺直微弯河段为稳定河段，游荡河段为不稳定河段，其他均为次稳定河段。平原河段形态特征为:平原河段按平面外形可分为顺直微弯型、分汉型、弯曲型、宽滩型和游荡型;河谷开阔，有时河槽高出地面，靠两侧堤防束水;河床横断面多呈宽浅矩形，通常横断面上滩槽分明，在河弯处横断面呈斜三角形，凹岸侧窄深，凸岸侧为宽且高的边滩，过渡段有浅滩、沙洲;枯水期河槽中露出多种形态的泥沙堆积体;由于平原区河流多河弯、浅滩连续分布，因此河床纵断面亦深浅相间。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识满足下列条件时为宽滩河流：各河段区别要点为:稳定性和次稳定性河段的区别，前者河槽岸线、河槽、洪水主流均基本稳定，变形缓慢;后者河湾发展下移，主流在河槽内摆动。另外，分汉河段两汉有交替变迁的趋势;宽滩河段泛滥宽度很宽，达几公里甚至十几公里，滩槽宽度比和流量比都较大，河滩水流流速小，河槽水流流速大。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识3)山前区河段山前区河段可分为山前变迁河段和冲积漫流河段两类，这两类河段均为不稳定河段。山前区河段的形态特征为:山前变迁河段，多出现在较开阔且地面坡度较平缓的山前平原地带，河段距山口较远，其下多是比较稳定的平原河段，水流多支叉，主流迁徙不定，河槽岸线不稳，洪水时主流有滚动可能;冲积漫流河段，距山口较近，河床坡度较陡，因为地势单调平坦，水流出山口后呈喇叭形散开，流速、水深骤减，水流夹带大量泥沙淤落在山口坦坡上形成冲积扇。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识山前区河段的水文泥沙特征为:河床比降介于山区河段和平原河段之间，一般为0.1%-1%，但冲积漫流河段有时为2%-5%;流速也介于山区河段与平原河段之间，洪水时河槽中水流平均流速可达3.5m/s;河槽宽浅，水深变幅不大，既小于山区亦小于平原区;泥沙颗粒中等或较大，在干旱、半干旱地区，洪水时往往携带大量细颗粒泥沙(既有悬移质又有推移质)，是淤积的主要物质。山前区河段的河床演变特征为:山前变迁河段，泥沙与河床演变特点有类似平原游荡型河段之处，但其比降和泥沙颗粒皆大于平原游荡型河段，所以主要还是山前河流的特点，其夺流改道之势更为凶猛迅速;上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识冲积漫流河段通常无固定河槽，夹带大量粗颗粒泥沙的水流淤此冲坡，再加上坡陡、流急造成水沙混合体奔突冲击，故有很大的破坏力。洪水后，河床支汉纵横、支离破碎，没有固定的河漫滩，是最不稳定的河段，河床可能淤高。各河段区别要点为:不稳定河段与次稳定河段的区别，前者主流在整个河床内摆动，幅度大，变化快，河床有可能扩宽;后者主流在河槽内摆动，幅度小。游荡型河段与山前变迁河段的区别，前者土质颗粒细、冲刷深、回淤快，主流不仅在河床内摆动，甚至可能造成河道改道;后者颗粒粗、冲刷浅，由于河床淤高扩宽和主流摆动，造成主槽变迁，河常傍切扩宽的幅度小。冲积漫流河段地貌大致具有冲积扇的特征，河床逐年淤高且较游荡型河段明显，洪水股流按总趋势在高沟槽中通过。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识4)河口河口可分为三角港河口和三角洲河口两类，这两者均为不稳定河段。河口的形态特征为:三角港河口段为凹向大陆的海湾型河口段;三角洲河口段为凸出海岸伸向大海的冲积型河口段。河口段沙洲林立，支流纵横交错。河口的水文泥沙特征为:比降一般小于0.01%，流速也小，由于受潮汐影响，流速呈周期性正负变化，泥沙颗粒极细且多为悬移质。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识河口的河床演变特征为:河口除受波浪和海流作用外，河流下泄的部分泥沙(进人河口后)由于受潮流和径流的相互作用常形成拦门沙，加之咸、淡水交汇造成泥沙颗粒的絮凝现象，促进厂泥沙的淤积;洪水期山水占控制的河段可能有河床冲刷，因此很多河口段河床的冲淤变化很明显。各河段区别要点与形态特征相同。二、流域(一)流域汇集地面水和地下水的区域称为流域(亦称汇水区)，也就是分水线包围的区域。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识闭合流域:当地面分水线与地下分水线重合，称为闭合流域，否则为不闭合流域，如图2-5所示。在实际工作中，除有石灰岩溶洞等特殊的地质情况外，对于一般流域，当对所论问题无太大影响时，多按闭合流域考虑。(二)流域基本特征1.流域面积流域分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积(亦称汇水面积)，流域面积的确定方法如下。1)利用现有的地形图校核上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识在已有1:10000~1:50000地形图上勾绘汇水区，再经现场校核，一般有足够的准确性。校核的方法:重点是先在图上标明原图出版以来新增添的人工沟渠、水库、堤坝的道路、桥梁位置;标明由于增添了这些基建设施后，所改变的水流流向;然后再标明漫流归入这些沟渠、水库等的地面范围;最后根据确定的新水系情况，勾绘出汇水区(如图2-6所示)。2)实测与估测当没有地形图可利用时，需用地形测量仪器实地测绘，一般采用交汇法、绕行法或辐射法。当汇水区甚小时，也可采用实测与估测相结合的方法。估测法是用气压计与角度手水准，类似以上所述的测量方法上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.河网密度流域内河流干支流总长度与流域面积的比值称为河网密度。3.流域的长度和平均宽度流域长度就是流域轴长。以流域出口为中心向河源方向作一组不同半径的同心圆，在每个圆与流域分水线相交处作割线，各割线中点的连线的长度即为流域的长度，以km计。流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度。4.流域形状系数流域平均宽度与流域长度之比称为流域形状系数。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识5.流域的平均高度和平均坡度将流域地形图划分为100个以上的正方格，依次定出每个方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡度，取其平均值即为流域的平均高度和平均坡度。6.流域自然地理特征(1)流域的地理位置。流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示，它可以反映流域所处的气候带，说明流域距离海洋的远近，反映水文循环的强弱。(2)流域的气候特征。包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素。它们是河流形成和发展的主要影响因素，也是决定流域水文特征的重要因素。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识(3)流域的下垫面因素。下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等情况，这些要素以及上述河道特征、流域特征都反映厂每一水系形成过程的具体条件，并影响径流的变化规律。在天然情况下，水文循环中的水量、水质在时间上和地区上的分布与人类的需求是不相适应的。为厂解决这一矛盾，长期以来人类采取厂许多措施，如兴修水利、植树造林、水土保持、城市化等来改造自然以满足人类的需要。人类的这些活动，在一定程度上改变厂流域的下垫面条件从而引起水文特征的变化。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识子学习情境三泥沙运动一、泥沙运动的分类天然河床是由大小不同、形状各异的泥沙颗粒组成的。根据泥沙在河槽内运动的状态，可分为悬移质和推移质两种。悬移质泥沙是在一定水力条件下，泥沙处于运动状态，颗粒较细的泥沙被水流中的紊流旋涡带起，悬浮于水中向下游移动。推移质泥沙是颗粒稍大的在河床上滚动、滑动或跳跃着间歇性地向下游移动，其前进的速度远小于水流流速;推移质群体的运动形态呈现为床面上的沙波运动。比推移质颗粒更大的泥沙，则下沉到河床床面静止不动，称为沙床。悬移质和推移质的分界是相对的，是随水流流速大小而变化的。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识二、泥沙的主要特性1.几何特性泥沙的几何特性用粒径来表示。1)平均粒径沙样的平均粒径为取沙样中各级粒径按重量的加权平均值，有2)粒径级配曲线(粒配曲线)粒径级配曲线一般画在半对数坐标纸上，横坐标表示粒径大小，纵坐标表示小于某粒径的颗粒在整个沙样中所占重量的百分数。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.重力特性泥沙重力特性用泥沙颗粒实体的单位体积的重力来表示，称为容重。3.水力特性1)沉速泥沙水力特性由泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示，称为沉速。2)启动流速水中泥沙在水流推动下，由静止状态转入运动时的水流临界平均流速，称为泥沙的启动流速。泥沙启动是泥沙运河床变形开始的临界状态。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识子学习情境四水文观测一、水位测量水位是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面高程，单位为m。水位要有一个基面作为起点，常用的基面有绝对基面、假定基面、测站基面、冻结基面四种。1.水尺按水尺的构造形式不同可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式四种。其中应用最广泛的是直立式水尺，如图2-8和图2-9所示。水位计算公式为水位=水尺零点高程+水尺读数上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.自记水位计自记水位计，如图2-10所示，能将水位变化的连续过程自动记录下来，不遗漏任何突然的变化和转折，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化。二、流速测量河流的流量是通过测定过水断面和断面平均流速后计算出来的。测流速常使用流速仪进行。流速仪主要由旋转器(旋杯或旋桨)、信号记录器和尾翼组成，如图2-11及图2-12所示。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识天然河道过水断面的流速分布，一般是由河岸向河心逐渐增大，由河底向水面逐渐增大，最大流速一般出现在最大水深处的水面附近。如图2-13所示。流速测量的日的就是通过实际的流速测量，描述过水断面内的流速分布情况，并用以推算通过该断面的流量。流速测量常用的方法有流速仪法和浮标法两种。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识运用流速仪能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，应先在断面上布设一些测速垂线，断面被分成若干部分，测出各垂线的水深和起点距。在每一条测速垂线上布设一定数日的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速。根据河宽来确定测速垂线数日，根据垂线的水深及流速仪的特性来确定测速垂线上的测点数。具体规定见表2-1和表2-2。一点法：二点法：上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识三点法：五点法：三、河道断面测量河道断面测量如图2-14所示。1.起点距测量测深垂线起点距:测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离，常用经纬仪、平板仪、六分仪、全球定位系统(GPS)等。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.水深测量一般用测深杆、测深锤或测深铅鱼、超声波回声测声仪等测量。四、水文调查1)水文断面水文断面概念与选择计算流量所依据的河沟横断面称为水文断面(即形态断面)，一般选在有较可靠洪水调查资料的河段内。有实测资料的水文站测流断面也属于水文断面的范畴。水文断面应尽可能与流向垂直，宜选在河段顺直、岸坡稳定、床面冲淤变化不大、上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识泛滥宽度较小、断面比较规则、河槽在平面上无过大扩散或收缩、河沟床纵坡无急剧变化和无局部死水回流及雍水影响的地方。2)水文断面图测绘水文断面宜选在洪痕分布较多、河岸稳定、冲淤不大、泛滥宽度较小、无死水和回流、断面比较规则的顺直河段上，宜与流向垂直。水文断面应在桥位上、下游各测绘一个;对河面不宽的中桥，可只测绘一个;当桥位断面符合水文断面条件时，桥位断面可作为水文断面。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识2.洪水调查1)河段调查收集河段历年变迁的图纸和资料，调查河弯发展及滩槽稳定情况。2)洪水调查结合所收集的历史洪水资料，在河段两岸调查各次洪水发生的时间、洪痕位置、洪水来源、涨落过程、主流方向，调查有无漫流、分流及受人工建筑物的影响，确定洪水重现期，调查河床断面冲淤变化情况。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识3)冰凌调查调查历年封冻及开河时间、最高和最低流冰水位、冰块尺寸、流冰速度和密度、冰塞和冰坝现象、历史上凌汛水害情况以及上、下游建筑物对流冰的影响。4)涉河工程调查桥位河段上既有桥梁、过河管缆的跨度、基础埋深、修建年代、水毁和防护等情况，堤坝设计标准、结构形式、基础埋置深度、施工质量、洪水检验情况，上下游水库位置、设计频率、泄洪流量、控制汇水面积、回水范围及建库后上下游河床冲淤变化。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识3.洪水比降的确定可根据桥涵位工点地形图上洪痕位置和洪痕调查记录(主要是指此洪痕的标高和发生年月)，向中姚线上垂直转移。然后以纵坐标表示洪痕高程，横坐标表示各洪痕在中姚线上沿水流方向的投影距离，分别连接同一洪水时的各个洪痕投影点，可得各次洪水的水面线，从而绘制出桥涵位河段洪水比降图。洪水比降I，即上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识图2-15上每根洪水水面线都具有该次洪水的水面纵坡，称为洪水比降。从桥涵位河段的洪水比降图上还可得到桥涵位各次洪水的标高。洪水比降图的比例尺，可采用垂直1:20~1:200，水平1:200~1:2000。当寻找多处洪痕有困难时，洪水比降可用常水位或低水位比降代替。若调查时河沟干洞，也可用河沟底平均坡度G代替，但要注意这段河沟的各横断面不应有较大的收缩或扩张变化。有条件时，可绘制水位与比降的关系曲线，即I=f(H)，以便推求各水位时的比降。对于离桥涵位有一定距离的洪水调查点，其洪水比降的确定方法与桥涵位相同。但桥涵位设计洪水位需根据洪水调杳点的有关水位进行推算。上一页下一页返回 学习情境一河流基本知识4.形态法流速流量的确定根据水文断面处比较可靠的洪水位，可按均匀流曼宁公式计算流速和流量。若是单式断面，可用式(2-7)、式(2-8b)计算全断面的平均流速和流量。若是复式断面，可以式(2-7)分别计算左、右河滩与河槽各过水面积的平均流速，然后用式(2-8a)计算全断面的流量。复式断面的全断面平均流速是用式(2-7)反算，并注意此时的全断面的过水面积。上一页返回 复习思考题1.简述地表径流的形成过程及其影响因素。2.什么是下垫面因素?3.流域内的几何参数包括哪些?4.现行规范中将河段分成哪两类?具体是如何分类的?5.什么是河相关系、造床流量、水流的挟砂能力?6.悬移质和推移质具有相对含义，为什么?7.水文观测时，应该观测哪些项日?8.什么是中姚线?如何确定水流的过水断面和纵断面?9.什么是洪水比降?10.测水深和测流速分别采用哪几种方法?11.水文断面应该如何选取?返回 学习情境二水文统计基础子学习情境一水文统计的意义一、水文现象的基本特性1.不重复性由于影响水文现象的因素众多，而且各种因素间的关系错综复杂。在一个又一个的周期内(年、月)，各种水文现象出现的时间和数量大小每年都不完全相同，称为水文现象的不重复性(也称随机性)。2.区域性由于各地区的地理位置、气象、地形、地貌等因素不同，河流的水文现象在这些因素的综合影响下，具有随区域不同而变化的性质，称为水文现象的区域性(也称地区性)。下一页返回 学习情境二水文统计基础3.周期性气候条件一年四季各不相同，年年如此循环，气候因素明显地以年为周期而变化。研究河流水文现象的方法很多，基于水文现象有以上三个基本特征，日前主要采用数理统计法。在水文原始资料的分析处理方面广泛应用的数理统计法，通常称为水文统计法，它也是推算桥涵设计流量的主要方法。本节将介绍水文统计法中一些有关的基本知识。二、水文现象的分析研究方法根据河川水文现象的基本特性，按不同的日的和要求可将分析研究方法归纳为以下三类。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础1.成因分析法成因分析法，是研究河川水文现象的物理成因以及同其他自然现象(如气候因素、自然地理因素等)之间的相互关系，通过成因分析寻求水文现象的客观规律，建立水文现象各要素之间的定性、定量关系。2.地区归纳法根据河川水文现象的地区性特点，利用实测水文资料进行综合归纳，寻求水文现象区域性分布规律的方法，叫地区归纳法。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础3.数理统计法数理统计法又称水文统计法，是利用河川水文现象的随机性特点，对实测水文资料进行统计分析，寻求水文现象的统计规律，预估其今后变化的方法。这种方法是一种数学方法，也是水文分析计算的一种工具。只能推求具体的水文资料的统计规律，不能揭示水文现象的本质，仅在正确应用时才能反映出水文现象的一般规律性。数理统计法是日前大、中桥水文分析计算的基本方法。由于水文现象十分复杂，现有的实测资料不够多，在实际工作中，常常将成因分析法与数理统计法结合起来，尽可能通过各种途径，采用多种方法分析计算，力求得到合理可靠的计算结果。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础三、随机变量1.事件的分类自然界的各种现象，按其发生的情况不同，可归纳为三类事件:在具备的一定条件下必然发生的，称为必然事件;在一定条件下不可能发生的，称为不可能事件;在一定条件下可能发生也可能不发生。带有偶然性的，称为随机事件(又称偶然事件)。实践表明，随机事件也具有一定的规律性，这种规律性只能利用大量同类的随机事件统计而得，称为统计规律。这种规律不同于必然事件所具有的客观规律，只能说明大量随机事件的平均情况。数理统计法也只能根据这种规律性预估随机事件今后变化的平均可能情况，而不能推断某一随机事件的具体结果。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.随机变量多次试验中，随机事件出现的种种结果称为随机变量。水文统计法就是将流量、水位、降雨量等实测水文资料作为随机变量，通过统计分析和计算，推求水文现象(随机事件)客观规律性的方法。随机变量分为两类:一类是随机变量在某个区间之内，可以取任意数值，称为连续型随机变量。另一类是随机变量只能取某些间断的数值，称为不连续型(或离散型)随机变量。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础许多随机变量组成的一列数值，称为随机变量系列，简称为系列，其范围可以是有限的，也可以是无限的。水文资料一般都是无限系列。3.总体与样本由若干或无数个随机变量组成的系列，称为随机变量系列。相对来说，随机变量的全部称为总体，总体中的一部分称为样本。4.几率与频率几率(又称概率)是指随机系列的总体中，某一事件在客观上出现的可能性。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础频率是指在一系列重复的独立试验中，某一事件出现的次数与总试验次数(样本的容量)之比，它是一个经验值。英国生物学家皮尔逊和法国科学家蒲丰曾分别进行厂掷币试验，证实厂上述关系，其实验结果见表2-5。由表2-5可知，试验次数越多，其频率越接近0.5(几率)，当试验次数无限增多时，频率将趋于几率。水文现象是极其复杂的随机事件，无法事先知道其几率，只能借助于已观测到的资料(试验结果)计算其频率，并将频率作为几率的近似估计值。因此，搜集的实测资料系列越长，则用频率来推断各水文要素特征值的几率也就越可靠。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础综上所述，频率和几率既有区别又有联系。几率是描述随机事件出现可能性大小的抽象数，是个理论值，对于简单事件可事先确定，对于复杂事件则无法事先确定。频率是描述随机事件出现可能性大小的一个具体数，是根据有限的试验结果计算而得到的，将随试验次数的多少而变动，是一个经验值。随试验的不同而变化，当试验次数少(即样本容量小)时，频率与几率值相差大;当试验次数无限增多时，频率趋近于几率。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础子学习情境二随机变量及其概率分布一、随机变量的概率分布随机变量可以取所有可能值中的任何一个值，但是取某一可能值的机会是不同的，有的机会大，有的机会小，随机变量的取值与其概率有一定的对应关系。一般将这种对应关系称为概率分布。1.离散型随机变量的概率分布离散型随机变量的概率分布一般以分布列表示，见表2-6上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.连续型随机变量的概率分布对于连续型随机变量，无法研究个别值的概率，只能研究某个区间的概率，或是研究事件X≤x的概率，以及事件X≤x的概率，后面二者可以相互转换，水文统计中常用X≥x的概率及其分布。1)分布函数设事件X≥x的概率用P(X≥x)劝来表示，它是随随机变量取值x而变化的，所以p(X≥x)是x的函数，称为随机变量x的分布函数，记为F(x)，即F(x)=P(X≥x)。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2)分布密度分布函数导数的负值称为密度函数，记为f(x)，即密度函数的几何曲线称密度曲线。水文中习惯以纵坐标表示变量x，横坐标表示概率密度函数值，如图2-17(a)所示实际上，分布函数与密度函数是微分与积分的关系。其对应关系可在图2-17(b)中看出来。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础3)不及制累积概率当研究事件X≤x的概率时，数理统计学中常用分布函数G(x)表示G(x)=P(≤x)称不及制累积概率形式，相应的水文统计用的分布函数F(x)称为超过制累积概率形式，两者之间有如下关系F(x)=1-G(x)二、随机变量的统计参数1.均值均值表示系列中变量的平均情况上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础令，K称模比系数，则有上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.均方差均方差是反映系列中各变量集中或离散的程度。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础3.变差系数水文计算中用均方差与均值之比作为衡量系列的相对离散程度的一个参数，称为变差系数，或称离差系数、离势系数。4.偏态系数在数理统计中采用偏态系数作为衡量系列不对称程度的参数。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础5.矩矩在统计学中常用来描述随机变量的分布特征，而均值等统计参数有些可以用矩来表示。矩可分为原点矩和中心矩两种。1)原点矩随机变量X对原点离差的:次幂的数学期望E(X’)，称为随机变量X的r阶原点矩，即对离散型随机变量，r阶原点矩为上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础对连续型随机变量，r阶原点矩为2)中心矩对离散型随机变量，r阶中心矩为对连续型随机变量，r阶中心矩为上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础子学习情境三水文频率曲线线型一、正态分布1.正态分布的密度函数及其参数正态分布具有如下形式的概率密度函数上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.频率格纸正态频率曲线，如图2-19所示。在普通格纸上是一条规则的S形曲线，它在P=50%前后的曲线方向虽然相反，但形状完全一样，如图2-20中的①线。水文计算中常用的一种“频率格纸”，其横坐标的分划就是按把标准正态频率曲线拉成一条直线的原理计算出来的，如图2-20中的②线。二、对数正态分布当随机变量x的对数值服从正态分布时，称x的分布为对数正态分布。对于两参数正态分布而言，变量x的对数y=lnx上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础服从正态分布时，y的概率密度函数为随机变量x的概率密度函数为由矩法可以得到各个统计参数，即上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础三、皮尔逊Ⅲ(P一Ⅲ)型曲线1.皮尔逊Ⅲ型曲线的概率密度函数皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰、正偏曲线，如图2-21所示，数学上常称伽玛分布，其概率密度函数为显然，三个参数确定以后，该密度函数随之可以确定。可以推论，这三个参数与总体三个参数具有如下关系上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.皮尔逊m型频率曲线及其绘制水文计算中，一般需要求出指定频率p所相应的随机变量取值，也就是通过对密度曲线进行积分，即：式（2-36）上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础求出等于及大于的累积频率P值。直接由式(2-36)计算P值非常麻烦，实际做法是通过变量转换，变换成下面的积分形式上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础3.皮尔逊Ⅲ型频率曲线的应用在频率计算时，由已知的，查Φ值表得出不同的P的值，然后利用已知的，通过式(2-38)即可求出与各种P相应的值，从而绘制出皮尔逊Ⅲ型频率曲线。四、经验频率曲线上述各种频率曲线是用数学方程式来表示的，属于理论频率曲线。在水文计算中还有一种经验频率曲线，是由实测资料绘制而成的，它是水文频率计算的基础，具有一定的实用性。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础1.经验频率曲线的绘制根据实测水文资料，按从大到小的顺序排列，如图2-22所示，然后用经验频率公式计算系列中各项的频率，称为经验频率。对经验频率的计算，目前我国水文计算上广泛采用的是数学期望公式，即2.经验频率曲线存在的问题经验频率曲线计算工作量小，绘制简单，查用方便，但受实测资料所限，往往难以满足设计上的需要。为此，提出用理论频率曲线来配合经验点据，这就是水文频率计算适线(配线)法。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础五、频率与重现期的关系频率曲线绘制后，就可在频率曲线上求出指定频率P的设计值。由于“频率”较为抽象，水文上常用“重现期”来代替“频率”。所谓重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇。根据研究问题的性质不同，频率p与重现期T的关系有两种表示方法。(1)当为了防洪研究暴雨洪水问题时，一般设计频率P<50%，则有T=1/p(2)当研究枯水问题时，设计频率P>50%，则有T=1/(1-p)上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础子学习情境四频率曲线参数估计方法目前，由样本估计总体参数的方法主要有矩法、三点法、权函数法等一、矩法矩法是用样本矩估计总体矩，并通过矩和参数之间的关系，来估计频率曲线参数的一种方法。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础水文计算上习惯称上述公式为无偏估值公式，并用它们估算总体参数，作为配线法的参考数值(配线法将在下面介绍)。二、三点法三点法是在已知的皮尔逊Ⅲ型曲线上任取三点，由此可以建立3个方程，联解便可得到3个统计参数。先按经验频率点绘出经验频率曲线，并假定它近似代表皮尔逊Ⅲ型曲线。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础子学习情境五水文频率计算适线法一、目估适线法1.目估配线法的作法与步骤目估配线法又称目估适线法，是以经验频率点据为基础，给它们选配一条符合较好的理论频率曲线，并以此来估计水文要素总体的统计规律。具体步骤如下。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础(1)将实测资料由大到小排列，计算各项的经验频率，在频率格纸上点绘经验点据。(2)选定水文频率分布线型。(3)先采用矩法或其他方法估计出频率曲线参数的初估值，而凭经验初选为的倍数。(4)根据拟定的，查表计算的值。(5)最后根据频率曲线与经验点据的配合情况，从中选出一条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线，相应于该曲线的参数便看做是总体参数的估值。(6)求指定频率的水文变量设计值。上一页下一页返回 学习情境二水文统计基础2.统计参数对频率曲线的影响1)均值对频率曲线的影响当皮尔逊Ⅲ型频率曲的两个参数不变时，由于均值的不同，可以使频率曲线发生很大的变化，如图2-25所示。2)变差系数，对频率曲线的影响为了消除均值的影响，以模比系数K为变量绘制频率曲线，如图2-26所示。3)偏态系数对频率曲线的影响从图2-27中可以看出，正偏情况下，偏态系数愈大，均值(即图中k=1)对应的频率愈小，频率曲线的中部愈向左偏，且上段愈陡，下段愈平缓。上一页返回 图2-1自然界水循环示意图返回 图2-2河床横断面示意图返回 图2-5地面分水线与地下分水线不点图返回 图2-6汇水面积示意图返回 图2-8水尺类型返回 图2-9直立式水尺返回 图2-10自计水位仪返回 图2-11旋桨式流速仪返回 图2-12旋杯式流速仪返回 图2-13天然河流断面流速分布图返回 图2-14河道断面测量返回 表2-6离散型随机杏量及其概率分布返回 图2-17随机变量的概率密度函数和概率分布函数返回 图2-19正太分布密度曲线返回 图2-20频率格纸横坐标的分割返回 图2-21皮尔逊Ⅲ型概率密度曲线返回 图2-22水文系列按大小排列示意图返回 图2-15位洪水比降图返回 表2-1水面宽返回 表2-2测点数返回 表2-5蒲丰和皮尔逊的掷币实验返回 图2-25返回 图2-26返回 图2-27返回 图2-3单式断面和复式断面不点图返回 图2-4河流纵断示意图返回 项目三桥涵设计基础学习情境一大中桥设计流量的推算学习情境二大中桥桥位勘测设计复习思考题学习情境三桥梁墩台冲刷复习思考题 学习情境一大中桥设计流量的推算子学习情境一资料的准备和分类一、资料的来源水文资料主要从三方面获得:一是水文站的观测资料，它主要包括水文站实测断面的年最大洪峰流量和关系曲线;二是形态调查资料，有关内容已在项日一中叙述;三是文献考证资料，即历史文献和档案资料，包括如地方志、档案或碑文中有关洪水灾害的记载，洪水位和淹没范围，以及有关的规划设计(如铁路、水电站、城镇)中所收集的水文资料。下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算二、水文统计对资料的要求1.应且有一致性水文统计法是利用已有的水文资料进行统计计算，并以统计规律推断未来的情况。统计计算要求同一系列中的所有资料必须是同一类型和在同样条件下产生的。因此，性质不同的水文资料就不能统计在一起进行分析计算。2.应具有代表性水文统计是以样本推算总体的参数值，样本的代表性直接影响计算结果。因此，系列应包括丰水、平水、枯水年在内。否则会因推算结果偏大或偏小而不符合总体的客观规律。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算3.应具有独立性统计计算要求同一系列中的所有(变量)资料，必须是相互独立的。如各年的洪峰流量都是独立发生的。4.具有可靠性对不同时期的观测资料的可靠性，须仔细分析，必要时应实地调查，采用可靠或比较可靠的数据。洪水标志物已有较大变化，洪痕位置不具体和精度不高的资料仅供参考。资料可靠性审查的重点应放在对设计洪水影响较大的首要儿项洪水的分析论证上。资料的客观、准确，是保证统计计算结果符合客观规律的必要条件。因此，必须对收集的资料反复检查和核对。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算三、材料的分类(1)经相关分析插补延长后，具有20年以上观测资料时，按连续系列推算规定频率的流量可采用求矩适线法推算。(2)连续或不连续20年以上观测资料，同时具有洪水调查(或文献考证)资料时，按不连续系列推算规定频率流量。(3)无观测(或较少)资料时，可通过形态调查并根据调查的历史洪水推算设计流量。也可根据地区水文要素的分布规律，制定经验公式和等值线图计算设计流量。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算子学习情境二资料中特大洪水的处理一、频率的计算特大洪水是指实测系列和调查到的历史洪水中，比一般洪水大得多的稀遇洪水。我国测流量资料系列一般不长，通过插补延长的系列也有限，若只根据短系列资料，当出现一次新的大洪水以后，设计洪水数值就会发生变动，所得成果很不稳定。如果在频率计算中能够正确利用特大洪水资料，则会提高计算成果的稳定性。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算特大洪水一般指的是历史洪水，但是在实测洪水系列中，若有大于历史洪水或数值相当大的洪水，也作为特大洪水。洪水系列(洪峰或洪量)有两种情况，一是系列中没有特大洪水值，在频率计算时，各项数值直接按大小次序统一排位，各项之间没有空位，序数m是连续的，称为连续系列，如图3-1(a)所示;二是系列中有特大洪水值，特大洪水值的重现期(N)必然大于实测系列年数n，而在N-n年内各年的洪水数值无法查得，它们之间存在一些空位，由大到小是不连续的，称为不连续系列，如图3-1(b)所示。特大洪水处理的关键是特大洪水重现期的确定和经验频率计算。所谓重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算在洪水频率计算中，经验频率是用来估计系列中各项洪水的超过概率，以便在几率格纸上点绘洪水点子，构成经验分布，因此，首先要估算系列的经验频率。连续系列中各项经验频率的计算方法，已经论述，不予重复。不连续系列的经验频率，有以下两种估算方法。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算(1)把实测系列与特大值系列都看做是从总体中独立抽出的两个随机连续样本，各项洪水可分别在各个系列中进行排位，实测系列的经验频率仍按连续系列经验频率公式计算。特大洪水系列的经验频率计算公式为(2)将实测系列与特大值系列共同组成一个不连续系列，作为代表总体的一个样本，不连续系列各项可在历史调查期N年内统一排位。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算(3-3)实测系列第m项的经验频率计算公式为(3-4)上述两种方法在我国日前都在使用，第一种方法比较简单，但是在使用式(3-1)和式(3-2)点绘不连续系列时，会出现所谓的“重叠”现象，而且在假定不连续系列是两个相互独立的连续样本条件下，没有对式(3-1)作严格的推导。当调查考证期N年中为首的数项历史洪水确系连续而无错漏，为避免历史洪水的经验频率与实测系列经验频率的重叠现象，采用第二种方法较为合适。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算二、频率曲线参数估计在洪水频率计算中，我国规范统一规定采用适线法。适线法有两种:一种是经验适线法(或称目估适线法)，另一种是优化适线法。经验适线法是在经验频率点据和频率曲线线型确定之后，通过调整参数使曲线与经验频率点据配合得最好，此时的参数就是所求的曲线线型的参数，从而可以计算设计洪水值。用适线法估计频率曲线的统计参数分为初步估计参数、用适线法调整初估值以及对比分析三个步骤。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算矩法是一种简单的经典参数估计方法，它无需事先选定频率曲线线型，因而是洪水频率分析中广泛使用的一种方法。由矩法估计的参数及由此求得的频率曲线总是系数偏小，其中尤以偏小更为明显。在用矩法初估参数时，对于不连续系列，假定n-l年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的N-a年系列的相等，可以导出参数计算公式为上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算子学习情境三缺乏观测资料的规定频率流量推算当收集的水文资料较少，不能达到“有观测资料”规定的要求;或者当无观测资料时，可按以下几种情况来确定规定频率的流量。(1)当调查的历史洪水位处于比降均一、河道顺直、河床断面较规整的稳定均匀流河段时，可按下列公式计算。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算(2)稳定非均匀流历史洪峰流量当河段内各断面的形状和面积相差较大，各断面通过的流量虽然相同，但各断面的水深和流速却不一样，其洪峰流量Q为(3)当各次历史洪水流量不能在海森几率格纸上定出经验频率曲线时，可按以下方法推算设计流量。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算①参照地区资料选定值；②按以下公式计算平均流量:③按式推算设计流量。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算(4)无资料地区，可按地区经验公式及水文参数求算设计流量。求算的设计流量应有历史洪水流量的验证。(5)汇水面积小于100km2的河流(即小流域)，可按暴雨推理公式计算，或者采用经验公式计算(具体公式可以参阅相关书籍)。上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算子学习情境四不同断面流量间的关系水文断面包括水文站实测断面、洪水调查处断面以及路线轴线与水流正交时的桥涵位断面。为了便于讨论不同断面流量间的关系，先假定包括水文站实测或调查断面处的水文断面与桥涵位断面不在同处，如图3-3所示。一、水文断面与桥涵位断面各种流量和水位之间的关系1.图3-4中各项符号的意义2.图3-4中纵向各对应流量和水位之间的关系3.图3-4中横向各流量及水位之间的联系上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算二、桥位处设计水位、设计流量的推算1.桥位设计流量的推算若水文断面处与桥位处.两者的汇水面积筹≤5%时，则水文断面处的流量可直接作为桥位断面的设计流量。若水文断面处与桥位处两者的汇水面积相差≤20%时，可按下式计算上一页下一页返回 学习情境一大中桥设计流量的推算2.桥位处设计水位的推算在水文断面与桥位断面处两者的汇水面积相差不超过5%时，可利用水文断面处规定的频率流量所对应的水位，通过洪水比降法推算桥位断面的设计水位，即L为水文断面至桥位断面沿河流的水平距离根据桥位处的实测断面水文资料绘制水位流量关系曲线，利用已知设计流量反推设计水位。同时应结合上、下游的历史洪水位和河段洪水比降调查资料进行分析修正。当桥位上、下游有对水位有影响的卡口、人工建筑物等时，可利用河段水面曲线法推算桥位处设计水位。上一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计一、桥位勘测设计的主要任务(1)提供必要且可靠的桥位设计资料(2)推荐经济合理的桥位设计资料。(3)预估建桥后可能引起的水文条件变化及河床演变(4)确定桥梁、引道、调治构造物的设计方案下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计二、桥位勘测设计的主要内容(1)勘测前的准备(2)勘测前的调查(3)野外勘测和资料整理。(4)水文计算，桥长、桥高、冲刷的计算及引道和调治构造物等工程设计(5)编制设计文件和工程概算。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计子学习情境一桥位选择和桥位调查一、桥位选择桥位选择是桥位勘测设计的第一项工作。桥位选择不仅对桥梁的稳定、工程造价、施工与养护等有直接的影响，而且要与桥头的线路工程、当地的农田水利、建设规划、航运和群众利益都有密切的关系。1.桥位选择的一般要求(1)桥路综合要求。既服从路线总方向又满足桥的特殊要求(2)农业要求。既支援农业建设又照顾当地群众的利益，少占农田，避免拆迁有价值的建筑物，避免桥前奎水威胁河堤和两岸村庄及农田。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(3)施工要求。即应考虑到施工场地的布设及材料运输和便桥架设。(4)线形要求。桥轴线一般应为直线，否则宜采用较大的平曲线半径和较小的纵坡。(5)各方面协调配合要求。即从政治、国防、经济需要出发，与水运、铁路相协调，与市政规划相配合。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2.水文和地形方面的要求(1)尽可能选在河道顺直、水流稳定、滩地较窄较高、河槽较深且能通过大部分设计流量的河段上。(2)应避免选在河汉、岛屿、沙洲、旧河道、急弯、汇河口及容易形成流冰、流木阻塞的河段。更不能选在支流河口的下游，以免造成桥下大量淤积。(3)桥轴线应尽量与洪水主流流向正交，宜设在河滩与河槽流向一致的河段上。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(4)与河岸斜交的桥位，应避免在引道上游形成水袋与回流区，以免引道路基遭受水害;不可避免时，应设置截水坝将其封闭。(5)应考虑到河床在桥梁使用期限内可能发生的变形。3.工程地质方面的要求(1)应设于河岸和河床有岩石或土质坚实且覆盖层较浅之处，避免通过岩层有断裂、溶洞、侵蚀性盐类以及其他不宜建造桥梁墩台基础的地段。(2)避免桥头引道通过滑坍和潮湿泥沼等不良地段。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计4.航运方面的要求(1)桥位中心线应尽量与通航水位时的水流的流向正交，如斜交，则偏角不宜大于5°,否则应增大通航孔径。(2)通航孔最高和最低通航水位流向应基本一致。(3)桥位上下游河槽直线(或接近直线)段长度应符合航运部门的规定。通常，河槽直线段长度上游应保证有拖船队长度的三倍，下游则不应小于其长度的一半。(4)桥位附近的河床应不受淤积影响，无浅滩。(5)桥位官选在码头下游一定距离处.以僻争船只阻塞桥孔上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计5.其他方面的要求(1)旧桥附近的桥位，一般宜选在旧桥的下游，两桥间距不小于一个桥长为宜(2)公路桥与铁路桥平行时，应选在公路路线总方向一侧，以免公路与铁路反复交叉(3)在实际工作中，选择桥位时，往往不可能使某一桥位同时满足各方面的要求。一般可在同一条河流上选择儿个桥位，通过分析比较，从中选择一个较好的桥位作为采用方案。方案比较时，应从长远考虑，进行技术经济评价，既要考虑社会效益最好，又要考虑使工程费用、维修养护费用和用路者费用之和最小。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计二、桥位调查1.桥位测量1)桥位总平面图图中内容包括一般地形图上的内容以及平面控制点、高程控制点、水准点、各方案路线导线、桥位轴线、引道接线、水文基线、洪水位点、历史最高洪水泛滥线、通航位置和船筏航迹线等。2)桥址地形图测绘内容与桥位总平面图相同。因此，当正桥桥位与水文基线相距不远，桥位总平面图与桥址地形图要求施测范围也相差不大时，可适当扩大测绘范围和内容而免测桥位总平面图。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计3)桥头引道和桥址纵断面图测绘内容包括引道和桥轴线里程及地面标高。测绘范围要满足布置桥孔和河滩路基的仁用，一般要高出设计水位以上1~2m的岸边。采用比例一般为1:100~1:1000。2.水文调查为提供桥位设计所需要的水文资料，一般应进行下列各项调查和勘测工作。1)资料的搜集和分析可向水利及铁路部门索取水位、流速、流量、水面比降、过水面积、河床糙率等各项资料，搜集地方志、历史文件等有关资料。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2)洪水调查调查特大洪水水位及发生时间，分析重现期，选择形态断面、调查河床地貌及河床糙率和河床演变情况。3)水文观测详见项目二此外，还应在气象站搜集如下资料:风向、风速、气温、降水量和冰雪覆盖厚度等。对于通航河流，应向航运部门调查有关航运情况，如航道等级、船筏尺寸及对桥下净空的要求等。对桥位附近的现有桥梁和水工建筑物也进行必要的调查以供设计时参考。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计3.工程地质调查为了查明桥位区地层岩性、地质构造，探明桥梁墩台和调治构造物处地基覆盖层与基岩的风化程度和构造破碎程度、软弱夹层的情况及地下水状态，测试物理岩土的物理力学性质，提供地基的基本承载力数据，确定桥梁墩台的式样及埋置深度等，必须进行工程地质的钻探和测试。桥梁钻探点的分布、个数及钻孔深度的确定，均应考虑工程地质条件的复杂程度和设计要求。4.涉河工程调查桥位河段存在的其他涉河工程状况，也应调查清楚上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计子学习情境二桥孔长度和桥孔布设一、桥孔长度计算1.桥孔最小净长的计算在峡谷型河段上建桥，一般不作桥孔长度计算，可按地形布置桥孔;在其他河段上建桥，按下列公式计算桥孔最小净长。(1)开阔、顺直微弯、分汉、弯曲河段及滩槽可分的不稳定河段上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(2)宽滩河段，有如下公式(3)滩、槽难分的不稳定河段，有如下公式上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2.桥孔设计长度桥孔设计长度，除应满足上述公式计算的最小净长外，还应结合桥位地形、桥前壅水、冲刷深度、河床地质等情况，作出不同桥长方案的技术经济比较，综合论证后确定。二、桥孔布置的原则从河流和水文的角度考虑，必须针对河段特点布设桥孔，但在公路勘测设计时，桥孔布设还要和路线方案及公路横、纵断面设计统一考虑。(1)在内河通航的河段上，通航孔布设应充分考虑河床演变和不同水位所引起的航道变化，将通航孔布设在稳定的航道上，必要时可预留通航孔。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(2)河流中姚线上不宜布设桥墩，在断层、陷穴、溶洞、滑坡等不良地质地段也不宜布设桥墩。(3)在有流冰、流木的河段上，桥孔应适当放大(4)山区河流的桥孔布设宜符合以下要求①峡谷河段:一般宜单孔跨越峡谷急流。桥面高程应根据设计洪水位，结合两岸地形和路线等条件来确定。②开阔河段:可适当压缩河滩。河滩路堤宜与洪水主流流向正交，否则应增设调治工程。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(5)平原河流的桥孔布设应符合以下要求。①顺直微弯河段:桥孔和墩台布设应考虑河槽内边滩下移，主槽在河槽内摆动的影响。②弯曲河段:通过河床演变调查，预测河弯发展和深泓变化，考虑河槽凹岸水流集中冲刷发展和凸岸淤积等对桥孔及墩台的影响。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计③分汉河段:在滩槽较稳定的分汉河段上，若多年流量分配基本稳定，可考虑布设一河多桥。④宽滩河段:可根据桥位上下游主流趋势及深泓线摆动范围布设桥孔，允许对河滩有适当压缩，但应注意壅水对上游的影响。若河汉稳定又不宜导入桥孔时，可以考虑修建一河多桥。⑤游荡河段:桥孔不宜过多压缩河床，应结合当地治理规划，辅以调治工程，在深泓线(即中泓线)可能摆动的范围内，不宜设置桥墩。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(6)山前区河流桥孔布设应符合以下要求。①冲积漫流河段:宜在河流上游狭窄段或下游收缩段跨越。桥下净空要考虑河床淤积影响。②变迁性河段:允许桥孔较大地压缩河滩，但要辅以适当的调治工程。子学习情境三桥面中心最低标高的确定一、桥面标高的计算1.非通航河段非通航河段桥面标高由下式确定上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2.通航河段通航河段的桥面标高由下式确定二、引道路堤最低设计标高(1)建桥后的水流现象，上游近桥位处出现最高雍水断面，然后水面呈漏斗状，沿水流方向从最大雍水值处向桥位断面降落，沿桥轴断面方向从泛滥边界向桥孔或呈水平线或呈斜直线逐渐降落，如图3-5所示。降落方式与有无导流堤及其形式有关。引道路堤最低设计标高正是按不同的导流堤设置和上游水面降落情况建立公式计算确定的。上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(2)引道路堤的最低设计标高计算公式①上游无导流堤或有梨形导流堤。引道路堤上任意点路肩最低设计标高按②上游有非封闭式导流堤引道路堤上任意点路肩最低设计标高按上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计当上游有封闭式导流堤。封闭式导流堤不会被洪水破坏三、各种垂高值的计算1.壅水(1)桥前壅水ΔZ建桥后过水面积减小，水流受挤压形成壅水，其位置在有导流堤和无时不一样。无导流堤时在桥中心上游(0.5~1.0)L有导流堤时在导流堤上游端部，即上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计(2)桥下壅水ΔZ①一般情况②山区丰山区:ΔZ’=ΔZ③平原河流:ΔZ’=0不计上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2.波浪高度和破浪侵袭高度1)波浪高度(桥位处)上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计2)波浪侵袭高度3.其他由河湾水面横比降引起水位超高ΔH,即上一页下一页返回 学习情境二大中桥桥位勘测设计水流局部冲击高度:山区或山前区河流上，当河滩引道路堤轴线与水流流向不平行，或者水流急转弯时，在路堤边坡上形成斜水流局部冲击高度;同样在桥台和桥墩前形成局部股流壅高。水流局部冲击高度可按下式计算，即水拱和河床的淤高:河流涨水时，流速逐渐增加，同一断面的主槽流速比两侧河滩大，主槽水位比河滩水位涨速快，从而形成水流中间高、两边低的水拱现象。返回上一页下一页 学习情境二大中桥桥位勘测设计在水拱严重的河段上建桥，确定桥面中心最低标高时应考虑水拱影响，水拱高度日前尚无合适的计算方法，在桥位设计时可通过现场调查确定。在河床逐年淤积抬高的河流上，桥下净高应考虑河床淤高而适当加大，河床淤高值的计算可通过水文站多年实测断面资料推算。计算水位(设计水位)，即返回上一页 复习思考题1.大中桥桥位勘测设计的主要内容和任务包括哪些?2.桥位调查的主要内容有哪些?3.何为桥孔长度、桥长和桥孔净长?4.简述桥孔应该怎么布设?返回 学习情境三桥梁墩台冲刷子学习情境一概述桥下河床冲刷计算是确定墩台基础最小埋置深度的重要依据。在桥位上下游，由于水情和输沙的变化，河床可发生纵向和横向的冲刷变形。桥梁墩台冲刷一般包括三个部分:河床自然演变冲刷、桥下河床全断面内发生的一般冲刷和桥墩周围水流结构发生急剧变化而引起的河床局部冲刷。河床自然演变冲刷有四种类型:一是河流发育成长过程中河床纵断面的变形，如河源段的逐年下切、河口段的逐年淤积;二是属于河槽横向移动所引起的变形，如边滩、沙洲的下移、河湾发展移动和裁弯取直等;三是属于河段深姚线摆动引起的冲刷变形;四是在一个水文周期内，河槽随水位、流量变化而发生的周期性变形。返回下一页 学习情境三桥梁墩台冲刷子学习情境二桥下一般冲刷一、非私性土河床一般冲刷1.非黏性土河槽(1)64-2简化式如下(2)64-1修正式如下上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷2.非黏性土河滩二、私性土河床的一般冲刷1.河槽部分其公式如下:上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷2.河滩部分其公式如下:上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷三、桥台冲刷桥台是位于桥梁两端与路基相连接，支承上部结构和承受台背土压力的构造物，在没有导流堤时，桥台突出于洪水中，河滩流量较大时，冲刷十分严重。桥台最大冲刷深度可参照《公路桥涵设计手册》中的有关公式计算，结合桥位河床特征、压缩程度等情况，分析比较后确定。桥台计算前我国尚无成熟的研究成果可供使用，以下仅介绍苏联的公式。上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷子学习情境三桥墩局部冲刷流向桥墩的水流受到桥墩阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧弯曲，在墩侧的床面附近形成斜轴旋涡;一部分水流冲向桥墩前端，上部水流使墩端水面奎高，下部水流遇墩后紧贴墩端向下流动直冲河底，形成指向河底的涡流，挟带可冲泥沙反旋而上，在墩前形成冲刷坑;墩侧由底部旋涡搅起的河底泥沙可被其上部水流挟带向下游，在墩旁形成冲刷坑，如图3-6所示。随着冲刷坑不断加深和扩大，坑底水流流速减小，挟沙能力也随之降低，冲刷作用逐渐减缓，上游进人冲刷坑的泥沙与被水流冲走的泥沙趋于平衡。上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷一、非黏性土河床桥墩局部冲刷公式1.65-2公式上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷2.65-1修正式上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷二、黏性土河床桥墩的局部冲刷公式上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷子学习情境四墩台基底最小埋置深度从冲刷的角度来看，基础底面应置于最低冲刷线以下，以免因冲刷淘空基底，从而发生墩台倾覆的危险。桥下河槽中桥梁墩台处的最低冲刷线应为桥下全部冲刷完成后的冲刷坑底线，如3-8所示。全部冲刷完成后的最大水深，称为总冲刷深度A，即桥梁墩台处河槽的最低冲刷线标高为设计水位减去总冲刷深度。设计水位应取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合。最低冲刷线确定后，可根据桥位河段的具体情况和JTG063-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷的要求，选定基础底面最小埋置深度，即可确定墩台的基底标高。其计算公式为确定墩台基础底面标高时，应考虑采用以下儿种相应的最低冲刷线标高来确定:对于稳定性河段，位于河槽部分和河滩部分的墩台，可分别计算冲刷深度，采用各自的最低冲刷线标高。上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷对于有边滩下移、中姚线摆动的不稳定河段，在其摆动的范围内，应采用相同的最低冲刷采用线标高。对于稳定的河滩部分，滩地的墩台可采用相同的最低冲刷线标高。对于河滩不够稳定的河段，若河滩可能被冲成河槽，则河槽和河滩部分的所有墩台均可采用相同的最低冲刷线标高。上一页下一页返回 学习情境三桥梁墩台冲刷对于有边滩下移、中姚线摆动的不稳定河段，在其摆动的范围内，应采用相同的最低冲刷采用线标高。对于稳定的河滩部分，滩地的墩台可采用相同的最低冲刷线标高。对于河滩不够稳定的河段，若河滩可能被冲成河槽，则河槽和河滩部分的所有墩台均可采用相同的最低冲刷线标高。上一页返回 复习思考题1.有流量观测资料的大中桥应该怎样确定其设计流量?2.如何设计高速公路(或一级路)上的大桥或特大桥?返回 图3-3水文断面与桥涵位断面各种流量和水位之间的关系返回 图3-4各种流量、水位间的关系示意返回 图3-5引道路堤返回 图3-8墩台处河槽最低冲刷线返回 图3-1连续系列和不连续系列示意图返回 图3-6桥墩局部冲刷示意图返回'