教學(xué)材料《橋涵設(shè)計》-閱讀延伸

閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象工程常見的流動現(xiàn)象有:孔口出流、管嘴出流、有壓管流、明渠均勻流、明渠非均勻流、堰流和閘下出流以及滲流等現(xiàn)象，前面已經(jīng)對明渠均勻流、堰流和閘下出流作了簡要的介紹，現(xiàn)在分別對未涉及的內(nèi)容作以介紹。一、孔口出流液體(多指水)經(jīng)容器壁孔口流出的水力現(xiàn)象，稱為孔口出流，如圖1所示。當(dāng)容器中水位(或壓強)不變，孔口的出流量恒定時，稱為恒定出流;而當(dāng)容器壁比較薄，或孔口具有銳緣時，孔口的壁厚對出流沒有干擾作用，稱為薄壁孔口;下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象液體從容器的四面八方流向孔口，流線成光滑曲線向孔口斷面集中，在孔口斷面上流線不互相平行，繼續(xù)收縮到孔口斷面距孔口斷面d/2(d是孔口直徑)處，流線才趨于平行，該斷面稱為收縮斷面，也就是圖1中的c-c斷面。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象孔口出流的流量為Q，有值得注意的是:孔口在容器壁上的位置影響收縮的狀況。當(dāng)孔口的兩邊或一邊同容器的壁或者底重合時，順壁面流向孔口的流線是直線，孔口的這一邊不發(fā)生收縮，也稱非全部收縮;當(dāng)孔口的邊與相鄰器壁的相距小于3倍孔口尺寸時，鄰壁將影響孔口的收縮，也稱為非完善收縮，以上情況下，收縮系數(shù)將比完善收縮時增大，薄壁小孔口完善收縮時，收縮系數(shù)ε=0.64。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象二、管嘴出流如圖2所示，在孔口斷面處，外接一直徑與孔口吻合，而長為孔口直徑的3~4倍的短管段，稱為管嘴，水(或液體)經(jīng)過管嘴并在出口處滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。圖2是圓柱形外管嘴，水(或液體)進入管嘴直至收縮斷面c-c的流動情況與孔口相同。由于收縮，使水(或液體)與管壁分離，形成漩渦區(qū)，之后水流再擴大斷面充滿整個管道斷面后流出。假設(shè)水箱水位不變，表面為大氣壓強，則有上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象v為管嘴出口斷面的平均流速，最后得到的是三、有壓管流液體沿管道做滿管流動的水力現(xiàn)象稱為有壓管流。根據(jù)有壓管流的運動要素的變化情況及管道的布置情況可以將其分為簡單管道和串并聯(lián)管道。1.簡單管道管徑大小不變，沒有分支的管道，通常稱為簡單管道。具體地如路基中的倒虹吸管涵、水泵的吸水管與壓水管、管路中各等直徑的管段等，均屬于簡單管路。簡單管道有短管和長管之分。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象圖3是簡單管道的短管的淹沒出流形式兩側(cè)水位差為H，選取上下游斷面分別為1-1和2-2，以第二個水池的水面為零基準(zhǔn)面，動能修正系數(shù)均看做1，則列能量方程如下通常，可以認(rèn)為水池很大上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象管中流量為Q=vA所以：2.復(fù)雜管道兩條以上管道組成的管道，稱為復(fù)雜管道。它分為串聯(lián)管道、并聯(lián)管道和管網(wǎng)等類型1)串聯(lián)管路如圖4所示，由三段不同管徑的管段組成的管道，形成串聯(lián)管道，連接點上有流量q流出，則各管段的流量的關(guān)系為上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象對于圖4所示的管道，有2)并聯(lián)管道兩條或者兩條以上的管道在同一處分開，經(jīng)過一段距離后又在同一處匯合，這些條管道就稱為并聯(lián)管道，如圖5所示。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象四、滲流1.滲流的達西定律液體在多孔介質(zhì)中的流動，稱為滲流。所謂多孔介質(zhì)，即由固體哥架構(gòu)成具有無數(shù)空隙的物質(zhì)。研究滲流主要是分析水在巖土中的流動，即地下水運動。當(dāng)含水率很大時，在巖土中流動的水，絕大部分為重力水，其自由表面稱為浸潤面或地下水水面，在平面問題中，稱為浸潤線或地下水面線，其表面壓強等于大氣壓強。在重力水區(qū)內(nèi)，巖土孔隙一般被水充滿，又稱為飽和區(qū)。這里著重介紹的是重力水的滲流規(guī)律。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象1)巖土滲流特性巖土的滲流特性其主要有兩種。(1)透水性—巖土透水的能力。巖土都能透水，只是其透水能力大小有差別。工程中所指的不透水層，只是與相鄰?fù)翆訉Ρ龋渫杆钥梢院雎远选０磶r土的透水性能，可有以下四類。①均質(zhì)巖土與非均質(zhì)巖土-凡各點透水性能都相同的巖土，稱為均質(zhì)巖土。否則稱為非均質(zhì)巖土。②各向同性巖土與各向異性巖土-各個方向透水性都相同的巖土，稱為各向同性巖土，或等向巖土。否則，稱為各向異性巖土。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象(2)給水度在重力作用下巖土中能釋放出來的水體積與總體積之比。它等于容水度與持水度之差。容水度即巖土容納水的最大體積與總體積之比;持水度即重力作用下所保持的水體積與總體積之比。巖土性質(zhì)對滲流有很大的制約作用和影響。巖土的結(jié)構(gòu)是由大小不等的固體顆粒混合組成的。由巖土顆粒組成的結(jié)構(gòu)，稱為哥架。巖土的滲流特性與其孔隙率和不均勻系數(shù)(Cu)有關(guān)巖土所占總體積V與孔隙體積之比，稱為孔隙率。，即上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象2)滲流的簡化模型所謂滲流的簡化模型，即把滲流區(qū)概化為邊界條件、流量、阻力及滲透壓力與實際情況完全一樣，但滲流區(qū)內(nèi)并無巖土顆粒而是為水所充滿的連續(xù)流動。因此，滲流模型中的流速與實際滲流中的流速是不同的;顯然，滲流模型中的流速只是一種虛構(gòu)的流速，用該流速來分析或描述滲流運動，只是一種簡化復(fù)雜滲流問題的手段，也是給理淪分析工作帶來諸多方便。巖土孔隙率e詳見下表23)滲流達西定律法國的工程師達西(HenriDarcy)在1856年通過了大量的實驗研究，總結(jié)得到滲流能量損失與滲流速度之間的關(guān)系，即為達西定律。達西實驗裝置如圖6所示。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象水力坡度可以用測壓管坡度來表示，即科學(xué)家達西分析了大量實驗資料，得到圓簡內(nèi)的滲流量Q與圓簡橫截面積A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有關(guān)。達西建立的基本關(guān)系為達西實驗的滲流區(qū)為均質(zhì)的砂土，屬于均勻滲流，斷面上任一點流速:均等于斷面的平均流速。因為達西定律指出水力坡度與滲流速度成正比，只適用于層流滲流，所以達西定律亦稱為滲流線性定律。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象2.集水廊道滲流集水廊道是建造在無壓含水層中用以汲取地下水和降低地下水位的建筑物，如圖7所示，其應(yīng)用范圍很廣。從廊道取水，則地下水會不斷流向廊道，其兩側(cè)可形成對稱于廊道軸線的降水浸潤線。這種滲流，一般屬于非恒定滲流，但是若含水層體積很大，廊道很長，可以看做平面滲流問題。浸潤線方程為上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象集水廊道每側(cè)面單位長度上的涌水量公式如下因則上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象通常，廊道水深h一般遠小于含水層厚度H,若略去不計，則上述的式(20)和式(21)就可以化簡為式(22)和式(23)可以用來初步估算涌水量q。上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象3.單井的滲流井在工程上應(yīng)用范圍很廣，它是汲取地下水或作降低地下水水位的集水建筑物。它的類型有很多種。根據(jù)含水層的不同，可以分為普通井和自流井兩種，在普通井和自流井中又可以分為完全井和不完全井等，普通井又稱為潛水井，自流井又稱為承壓水井。如圖9所示。

上一頁下一頁返回閱讀一:工程常見的流動現(xiàn)象對于各種完全井，尤其是普通完全井，設(shè)含水層的厚度為H,當(dāng)從井中抽水時，四周地下水向井集流，并將導(dǎo)致地下水位下降，若含水層體積很大，井中抽水只會在其附近一定范圍內(nèi)形成一個對稱于井軸的漏斗形浸潤線，但含水層厚度H仍將保持恒定;另外滲流流向井的過水?dāng)嗝鎰t是一系列圓柱面，其徑向各斷面的滲流情況相同，除井壁附近區(qū)域外，浸潤線的曲率很小，可看做恒定漸變流滲流，并可應(yīng)用裘皮幼公式計算斷面平均流速。大家參考相關(guān)書目中的本段內(nèi)容即可閱讀理解。上一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗一、靜水壓強實驗(一)實驗?zāi)康?1)驗證水力學(xué)基本方程;(2)測定靜止液體內(nèi)某點的靜水壓強;(3)測定液體的密度和重度。(二)實驗原理與計算公式靜水壓強的實驗儀器為靜壓儀，如圖10所示，液體表面壓強為Po，液體內(nèi)任意一點的壓強滿足基本方程下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗各點的靜水壓強符合:那么觀察點的壓強為而壓強的液柱表示形式為(三)實驗儀器裝置和實驗步驟靜壓儀由密閉水箱、水頭調(diào)節(jié)器、測壓管及連通器和高程標(biāo)示板組成。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗實驗步驟如下。(1)觀察和熟悉儀器，之后檢查密閉水箱的氣密性是否良好(2)打開氣閥，將水頭調(diào)節(jié)器放置中位，向水箱注入清水至紅線刻度處(3)向固定在刻度板上的測壓管中注入水、酒精(也可以是其他液體)至適當(dāng)水平，之后關(guān)閉氣閥。(4)提升調(diào)節(jié)器至一定高度(高位)，使水返流回水箱，箱內(nèi)空氣受壓縮，待穩(wěn)定后觀測水箱水面以及各測壓管液面高度，將觀察到的數(shù)據(jù)記入到表格中。(5)降低調(diào)節(jié)器至一定高度(低位)，重復(fù)前面的操作，觀察，將觀察到的數(shù)據(jù)再記入表格中。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(四)實驗報告見表6記錄的實驗數(shù)據(jù)。(1)分別求出各次測量時A,B點的壓強，并驗證靜水力學(xué)基本方程的能量表達式，即(2)求出酒精或其他液體的重度。(3)對實驗結(jié)果進行分析。(4)注意本次實驗的注意事項上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗二、水動力學(xué)水流流動實驗(一)實驗?zāi)康难菔玖鲌鲋胁煌吔鐥l件下水的流動現(xiàn)象。(二)實驗原理采用氣泡示蹤法，把流場中的流線、邊界層分離等現(xiàn)象，旋渦發(fā)生的區(qū)域和形態(tài)的流動圖像清晰地演示出來。(三)實驗設(shè)備流動演示儀。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(四)演示內(nèi)容(1)顯示水流經(jīng)過逐漸擴散、逐漸收縮、斷面突然擴大、突然縮小、圓柱繞流、圓弧漸縮、圓端墩形繞流、壁面沖擊、直角彎道等管道劉面上的流動圖像。(2)顯示流線疏密程度與水流橫截面面積的大小有關(guān)，流線形狀與邊界形狀有關(guān)。(3)顯示恒定流時，流線與跡線重合，流線不相交也不轉(zhuǎn)折的特性顯示。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗三、伯諾里方程實驗(一)實驗?zāi)康?1)加深對伯諾里方程(即能量方程)中各項意義的理解，掌握水流中的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。(2)測定和繪制總水頭線和測壓管水頭線圖。(3)理解水力坡度(二)實驗設(shè)備該實驗的實驗儀器為伯諾里方程實驗儀。(三)實驗原理(四)實驗步驟(1)認(rèn)識和熟悉實驗儀器設(shè)備，分清各測壓管與各測壓點，畢托管測點的對應(yīng)關(guān)系。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(2)打開進水閥門，使水箱充水，待水箱溢流后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥檢查所有測壓管水面是否齊平。如果不平，則要排氣進行調(diào)平，以備實驗使用。(3)打開調(diào)節(jié)流量閥門，觀察測壓管水頭線和畢托管總水頭線的變化趨勢及位置水頭、壓強水頭之間關(guān)系;觀察當(dāng)流量增加或減少時，測壓管水頭和畢托管總水頭的變化情況。(4)調(diào)節(jié)流量閥門的開啟度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時用量簡和秒表按體積法測記流量(畢托管總水頭做演示用，不必測記讀數(shù))。(5)變換調(diào)節(jié)流量閥開度1~2次，按上面的步驟(4)重復(fù)測量，并使其中一次閥門開度最大(以液面降到標(biāo)尺最低點為限)。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(五)實驗成果實驗成果見表7、表8、表9、表10。四、雷諾實驗(一)實驗?zāi)康?1)觀察層流和紊流的流動型態(tài)，以及二者相互轉(zhuǎn)變的過程。(2)測定臨界雷諾數(shù)(二)實驗設(shè)備雷諾試驗儀，如圖11所示。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(三)實驗原理雷諾數(shù)是層流和紊流流動形態(tài)的判別數(shù)，其可以用下式表達，即(四)實驗步驟1.測記本實驗有關(guān)常數(shù)2.觀察層流和紊流形態(tài)3.測定下臨界雷諾數(shù)4.測定上臨界雷諾數(shù)5.實驗成果的整理上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗五、沿程阻力實驗(一)實驗?zāi)康?1)研究恒定流狀態(tài)下，均勻流時，壓力管中水流沿程阻力的變化。(2)測定沿程阻力系數(shù)λ值。(二)實驗原理上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(三)實驗設(shè)備沿程阻力實驗儀。(四)實驗步驟

(1)測試前仔細(xì)檢查測壓管各連接處是否可靠，是否漏水，橡皮管是否破損，并記錄有關(guān)的儀器設(shè)備常數(shù)值。(2)分別對管道的水銀壓差計和水壓差計進行排氣，排氣后需要對水壓計頂部充氣(3)打開進水閥門，檢查水壓計內(nèi)液面是否齊平，水銀壓差計內(nèi)△h是否為零

(4)全開進水閥門，開啟調(diào)節(jié)流量閥，流量從小到大，分別測讀壓差計各測壓管液面讀數(shù)，并用量簡和秒表按體積法測量流量值上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(5)注意小的壓差用水壓差計，大壓差改用水銀壓差計測壓差。(6)實驗中測量一次水溫(7)實驗結(jié)束要關(guān)閉調(diào)節(jié)流量閥門，使壓差計回零，檢查完畢(五)實驗成果的整理1.有關(guān)常數(shù)的記錄2.記錄與計算見表12。上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗六、局部阻力實驗(一)實驗?zāi)康?1)掌握管路局部阻力系數(shù)值的測定方法(2)測定局部阻力系數(shù)值與理淪公式求得值進行比較(二)實驗原理局部阻力系數(shù)(三)實驗設(shè)備局部阻力實驗儀上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗

(四)實驗步驟(1)打開進水閥門，使水箱充水，待水箱溢流后，檢查各測壓管水位是否齊平，若不平則要進行排氣調(diào)平(2)全開調(diào)節(jié)流量閥門，待水穩(wěn)定后，正確讀出突然擴大或突然縮小處前后漸變流斷面測壓管上的水面讀數(shù)，若水面波動則要取其平均值記錄(3)用量簡和秒表按體積法測量流量(4)改變調(diào)節(jié)流量閥開度，重復(fù)測讀測壓管水面讀數(shù)和測量實驗流量2~4次(5)實驗結(jié)束，關(guān)閉調(diào)節(jié)流量閥，檢查測壓管水面齊平后，再關(guān)閉進水閥上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(五)實驗成果的整理(1)斷面突然擴大的記錄與計算見表13(2)斷面突然收縮的記錄與計算見表14七、明渠非均勻流的基本水力現(xiàn)象演示實驗(一)實驗?zāi)康?/p>

(1)演示在不同底坡情況下矩形水槽中非均勻漸變流的水面曲線，加深對非均勻漸變流水面曲線的感性認(rèn)識(2)觀察水躍現(xiàn)象的特征及水躍的銜接形式(3)觀察水流經(jīng)過小橋和涵洞的水力圖式(二)實驗原理上一頁下一頁返回閱讀二:水力學(xué)中的主要實驗(三)實驗設(shè)備多功能變坡實驗水槽如圖12所示，該實驗水槽分為上下兩段，用鉸鏈連接。通過螺桿升降坡度，內(nèi)有堰、小橋和涵洞的模型。(四)實驗步驟(1)打開進水閥門，測定流量Q，計算臨界水深及臨界底坡。調(diào)整水槽底坡使，此時槽中應(yīng)為臨界流。放下閘門1如圖12所示，即可出現(xiàn)型水面曲線。(2)調(diào)整上下游底坡，使

，流量不變，此時出現(xiàn)