水力學(xué)的基本理論及其在土木工程中的應(yīng)用

水力學(xué)是力學(xué)的分支，主要研究液體在靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性質(zhì)和行為，涉及流體力學(xué)、流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等。隨著該學(xué)科的發(fā)展成熟，其應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，具體到土木工程中，房屋建筑、道路橋梁等建筑的修建均離不開水力學(xué)的指導(dǎo)?！端W(xué)（第三版）》對(duì)水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并詳細(xì)分析了水頭損失、有壓管流、明渠流動(dòng)等。

水力學(xué)基本理論主要包括：一是流體的性質(zhì)。流體是液體和氣體的總稱，其具有一些特殊性質(zhì)。首先，流體具有流動(dòng)性，可以流動(dòng)并適應(yīng)容器的形狀；其次，流體具有可壓縮性，這意味著它在受到壓力時(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化；最后，流體具有黏滯性，即流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力，這會(huì)使流體在流動(dòng)時(shí)受到阻力。二是流體靜力學(xué)。流體靜力學(xué)是研究靜止流體平衡狀態(tài)的學(xué)科。在靜止?fàn)顟B(tài)下，流體不受剪切力和慣性力影響，僅受重力和外力的作用。根據(jù)流體靜力學(xué)的原理，流體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向上都相等，這一性質(zhì)稱為靜壓強(qiáng)。靜壓強(qiáng)與流體密度、重力加速度和該點(diǎn)的深度有關(guān)，與方向無關(guān)。流體的靜壓力傳遞是瞬時(shí)的，即在一個(gè)封閉容器內(nèi)，當(dāng)一部分流體受到壓力變化時(shí)，這個(gè)壓力變化也會(huì)瞬間傳遞到整個(gè)流體。三是流體動(dòng)力學(xué)。流體動(dòng)力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，涉及流體在各種力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、能量傳遞和轉(zhuǎn)換等方面。在流體動(dòng)力學(xué)中，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過流速、流向、流量等參數(shù)來描述。流體在運(yùn)動(dòng)中受多種力的作用，如重力、壓力、摩擦力等，這些力共同影響流體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度分布。流體動(dòng)力學(xué)還會(huì)研究流體與固體壁面之間的相互作用，如邊界層的形成和發(fā)展、渦流的產(chǎn)生和演化等。

水力學(xué)在土木工程中主要應(yīng)用于以下工程：一是橋梁工程。橋梁作為跨越河流、湖泊或其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性、安全性及使用壽命都與水力學(xué)原理緊密相關(guān)。在設(shè)計(jì)階段，水力學(xué)可以幫助工程師預(yù)測(cè)和評(píng)估水流對(duì)橋梁的影響，例如橋梁的墩臺(tái)位置、形狀和尺寸需要考慮水流速度、流向、沖刷力以及泥沙沉積等因素?；谒W(xué)分析，工程師可以確定合適的橋墩位置和形狀，以減少水流對(duì)橋墩的沖刷，提高橋梁的穩(wěn)定性。在施工過程中，水力學(xué)原理同樣重要。橋梁的施工往往需要在水域進(jìn)行，涉及施工平臺(tái)的搭建、施工材料的運(yùn)輸和安置等。水力學(xué)分析可以幫助工程師選擇合適的施工方法和設(shè)備，確保施工順利進(jìn)行。此外，水力學(xué)還關(guān)注橋梁與周圍水域的相互作用，例如橋梁建設(shè)可能會(huì)改變水流的流向和速度，造成沖刷和淤積等。通過水力學(xué)分析，工程師可以采取相應(yīng)措施，如設(shè)置護(hù)岸、護(hù)底等，以減少對(duì)周圍水域的影響。在橋梁的維護(hù)階段，水力學(xué)同樣發(fā)揮著重要的作用。隨著時(shí)間的推移，水流對(duì)橋梁的沖刷和侵蝕可能會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損和老化。水力學(xué)分析可以幫助工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)估這些損傷，為維修和加固提供科學(xué)依據(jù)。二是海岸工程。海岸工程涉及海灘、港口、防波堤、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)，水力學(xué)原理能幫助工程師預(yù)測(cè)水流、波浪和潮汐等自然現(xiàn)象對(duì)海岸工程的影響，從而確保工程的安全性和穩(wěn)定性。在海岸工程的設(shè)計(jì)階段，工程師需要分析波浪的特性，以確定合適的工程結(jié)構(gòu)和尺寸，例如防波堤設(shè)計(jì)需考慮波浪的反射、繞射和折射等，以確保防波堤能夠有效減少波浪對(duì)港口的沖擊。海岸工程往往要在復(fù)雜的水域環(huán)境中建設(shè)，會(huì)遇到潮汐、海流等，工程師需要根據(jù)水力學(xué)原理選擇合適的施工方法和設(shè)備，確保施工的順利進(jìn)行，例如在潮汐區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)，需要考慮潮汐引起的水位變化對(duì)施工的影響，采取相應(yīng)措施來確保基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性。通過水力學(xué)分析，工程師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)估海岸工程的損傷，為維修和加固提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)水力學(xué)還可以幫助工程師評(píng)估海岸工程的可持續(xù)性，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以延長工程的使用壽命。三是隧道工程。隧道往往要穿越河流、湖泊或地下水豐富的地區(qū)，涉及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。在設(shè)計(jì)階段，工程師需要評(píng)估地下水的水位、流向、流量以及滲透性等因素，確保隧道設(shè)計(jì)的合理性和安全性，例如在隧道穿越河流時(shí)，需要考慮河流的水位變化、水流速度以及沖刷力等因素，合理設(shè)計(jì)隧道的過河段，避免水流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。隧道施工涉及排水、注漿、盾構(gòu)掘進(jìn)等作業(yè)，這些作業(yè)都需要根據(jù)水力學(xué)原理進(jìn)行，例如在排水作業(yè)中，工程師需要根據(jù)地下水的流向和流量，合理布置排水管道和泵站，確保隧道施工過程中排水暢通；在注漿作業(yè)中，需要考慮地下水的滲透性和注漿材料的擴(kuò)散性，以確保注漿效果達(dá)到預(yù)期。通過水力學(xué)分析，工程師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決隧道內(nèi)部可能存在的滲漏水、積水等問題，確保隧道的正常運(yùn)行和安全性。

作者簡(jiǎn)介：黃友明（１９６９—），男，湖南邵陽人，廣西天柱建設(shè)管理有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ?/p>