具体描述
《工程水力计算》是“国家示范性高等职业院校建设计划项目”中央财政支持重点建设专业杨凌职业技术学院水利水电建筑工程专业课程改革系列教材。全书共分10个学习单元，内容包括：液体认知、静水压强与静水压力计算、水流运动的基本原理介绍、水头损失计算、有压管流水力计算、渠道水力计算、堰闸水力计算、建筑物下游消能水力计算、水力计算案例、理正工程水力计算软件使用说明。
本教材可作为高职高专水利工程、水利水电建筑工程、城市水利、水利工程监理、水土保持等专业的教材，也可作为相关专业工程技术人员的参考用书。
工程水力计算 导论：河流动力学、水资源管理与可持续发展 书籍定位与主题聚焦 本书《工程水力计算》旨在构建一个全面、深入且具有高度实践指导意义的水力学知识体系，重点聚焦于工程应用层面的水流运动规律、水工结构设计参数的精确确定，以及水资源系统在复杂工况下的动态响应分析。我们清晰地认识到，工程水力计算并非仅仅是枯燥的公式推导和数字运算，而是连接基础水动力学理论与现代水利工程实践的桥梁。 本书内容严格围绕水流在人工和自然河道系统中的运动特性、能量传递、阻力计算、水位和流速的精确预测，以及由此衍生的水工建筑物设计与安全评估。我们避开了与此核心主题关联性较弱的纯理论流体力学分支（如非牛顿流体在特定微观结构中的流动，或极端湍流的量子力学描述），而是将全部篇幅集中于工程实践者在流域规划、防洪抗旱、渠道设计、水电站运行及环境水利工程中必须掌握的关键计算方法。 --- 第一部分：基础流体力学在工程中的重塑与应用 本部分首先对水流的基本性质进行工程化回顾，重点强调如何将抽象的流体力学原理转化为可用于现场测绘和结构设计的实用参数。 1. 流体基本属性与水体的工程描述： 介绍水的密度、粘滞性、表面张力在工程尺度上的影响权重。重点分析流体的连续性假设在大型水利工程（如水库、干线渠道）中的适用边界。详细阐述雷诺数、弗劳德数在判断流态（层流、紊流）及水流控制机制（重力控制或粘性控制）中的工程判据，为后续的阻力计算奠定基础。 2. 运动方程的工程简化与求解： 深入探讨伯努利方程在不同工况下的修正与应用。在能量损失章节，我们将侧重于工程实践中常见的局部水头损失（如阀门、弯道、进出口）的经验系数（$K$值）的选取与修正，而非推导 Navier-Stokes 方程的数值解。动量方程的应用则集中于分析水流作用于闸门、溢洪道胸墙等结构物上的冲击力与压力分布，这是结构安全验算的核心。 3. 均匀流与非均匀流的判别与计算： 这是工程水力学的基石。详细讲解曼宁（Manning）公式、谢才（Chezy）公式的工程适用范围、糙率系数（$n$值）的地区性差异与调整方法。在非均匀流的计算中，系统介绍水面线（急流、缓流、潜流、回水）的分类与求解方法，重点讲解标准步进法（Standard Step Method）在渠道纵坡变化、断面积突变（如渠道断面收缩或扩张）处的水面线精确计算流程。特别关注水跃（Hydraulic Jump）的发生条件、位置估计和能量消散计算，这是防冲消能工设计的基础。 --- 第二部分：开放渠道水流的阻力、衬砌与冲淤动力学 本部分将视角从理论推导转向实际的水流与边界的相互作用，关注渠道设计中的关键环节。 4. 渠道的水力优化设计： 阐述如何基于给定的过流量、允许流速和渠道材料，通过水力最优断面（如矩形、梯形、圆形）的几何参数确定，实现最小衬砌面积或最小侵蚀风险。详细分析渠道横坡、边坡系数对水流分布和沿程摩阻的影响。 5. 紊流边界层与摩阻： 深入分析边界层理论在工程中的意义，重点讲解沿程阻力系数（Darcy-Weisbach系数 $f$）的计算，尤其是针对粗糙边界（如砾石、混凝土）的计算模型。对于土质渠道，则结合泥沙运动理论，探讨有效水力半径和动态糙度的概念。 6. 冲淤变形与河床稳定性分析： 探讨水流对泥沙运动的控制作用。介绍泥沙输移的临界条件（启动力计算），区分悬移质、推移质的输运机制。重点阐述泥沙运动力学在预测渠道淤积速率（如排水沟、灌渠）或河床冲刷深度（如桥墩、渠道拐弯处）中的应用模型。这不是纯粹的泥沙动力学，而是将泥沙输运的计算结果转化为工程结构防护措施的依据。 --- 第三部分：管路水力学与复杂系统输水 本部分聚焦于密闭压力管道系统，这是供水、引水隧洞和工业冷却系统的核心。 7. 压力流基本计算与水锤分析： 详细讲解圆形和非圆形压力管道中的均匀流计算，特别关注管道内壁粗糙度（绝对粗糙度 $epsilon$）对沿程阻力的影响。重点分析水锤现象：从瞬时阀门关闭、泵的突然停运等工况出发，推导压力波的产生、传播速度。详细介绍襦奇（Joukowsky）公式的工程应用，以及如何通过设置缓冲罐、泄压阀或管道材料选型来控制最大瞬时超压，确保管网安全。 8. 管网水力计算与节点分析： 介绍城市供水管网、灌区配水系统中的流量分配原则。核心在于对复杂的管网节点（交叉口）和环路进行计算。重点讲解哈森-威廉斯公式在工程实践中的应用，以及牛顿法、柯林斯法等迭代方法在求解复杂管网中各环路流量和水头损失的计算流程。 --- 第四部分：水流控制结构物的水力特性与设计参数确定 本部分直接面向水工建筑物的设计规范和计算要求。 9. 堰、泄洪道与溢流面的水力特性： 详细分析堰流（宽顶堰、薄壁堰、虹吸堰）的流量系数（$C$值）随弗劳德数和上游水深的修正规律。重点探讨泄洪道的缩射现象、水流收缩系数的确定，以及如何根据泄洪道平面线形（弯道、收缩段）精确计算水流的抬升和压力分布，避免空蚀和结构受力不均。 10. 输水建筑物的水力学： 涵盖引水渠道的涵洞、隧洞（压力隧洞与无压隧洞）的水力设计。对于洞室，需精确计算入口和出口的局部损失，以及在长距离输水中的沿程摩阻。重点在于调压井（气室）的水力设计原理，即如何通过调压井来吸收水锤能量、稳定系统压力。 11. 能量消散与防冲槽设计： 深入研究水流从高流速（如溢洪道末端）过渡到低流速（如河道）时的能量耗散问题。详细介绍消能工（如挑流、阶梯式、陡坡式）的水力设计参数确定，包括消力池的长度、深度、水跃位置的控制。基于水流的动量和能量平衡，计算结构物下游的冲刷深度，并据此确定护底结构（如石笼、混凝土垫层）的埋深要求。 --- 结语 本书结构清晰，逻辑严密，所有理论推导均直接导向可用于工程设计的具体计算公式或图表。通过大量精选的工程算例和实际案例分析，确保读者能够熟练掌握从基础流态判断到复杂水工结构水力性能评估的全套计算技能，是水利、土木、环境等相关工程专业人员不可或缺的案头工具书。
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