水力学的基本理论及其在土木工程中的应用

水力学是力学的分支，主要研究液体在静态和运动状态下的性质和行为，涉及流体力学、流体静力学和流体动力学等。随着该学科的发展成熟，其应用价值日益凸显，具体到土木工程中，房屋建筑、道路桥梁等建筑的修建均离不开水力学的指导。《水力学（第三版）》对水静力学和水动力学进行了系统阐述，并详细分析了水头损失、有压管流、明渠流动等。

水力学基本理论主要包括：一是流体的性质。流体是液体和气体的总称，其具有一些特殊性质。首先，流体具有流动性，可以流动并适应容器的形状；其次，流体具有可压缩性，这意味着它在受到压力时，体积会发生变化；最后，流体具有黏滞性，即流体内部存在内摩擦力，这会使流体在流动时受到阻力。二是流体静力学。流体静力学是研究静止流体平衡状态的学科。在静止状态下，流体不受剪切力和惯性力影响，仅受重力和外力的作用。根据流体静力学的原理，流体内部任一点的压力在各个方向上都相等，这一性质称为静压强。静压强与流体密度、重力加速度和该点的深度有关，与方向无关。流体的静压力传递是瞬时的，即在一个封闭容器内，当一部分流体受到压力变化时，这个压力变化也会瞬间传递到整个流体。三是流体动力学。流体动力学是研究流体运动规律的学科，涉及流体在各种力作用下的运动状态、能量传递和转换等方面。在流体动力学中，流体的运动状态可以通过流速、流向、流量等参数来描述。流体在运动中受多种力的作用，如重力、压力、摩擦力等，这些力共同影响流体的运动轨迹和速度分布。流体动力学还会研究流体与固体壁面之间的相互作用，如边界层的形成和发展、涡流的产生和演化等。

水力学在土木工程中主要应用于以下工程：一是桥梁工程。桥梁作为跨越河流、湖泊或其他区域的结构，其稳定性、安全性及使用寿命都与水力学原理紧密相关。在设计阶段，水力学可以帮助工程师预测和评估水流对桥梁的影响，例如桥梁的墩台位置、形状和尺寸需要考虑水流速度、流向、冲刷力以及泥沙沉积等因素。基于水力学分析，工程师可以确定合适的桥墩位置和形状，以减少水流对桥墩的冲刷，提高桥梁的稳定性。在施工过程中，水力学原理同样重要。桥梁的施工往往需要在水域进行，涉及施工平台的搭建、施工材料的运输和安置等。水力学分析可以帮助工程师选择合适的施工方法和设备，确保施工顺利进行。此外，水力学还关注桥梁与周围水域的相互作用，例如桥梁建设可能会改变水流的流向和速度，造成冲刷和淤积等。通过水力学分析，工程师可以采取相应措施，如设置护岸、护底等，以减少对周围水域的影响。在桥梁的维护阶段，水力学同样发挥着重要的作用。随着时间的推移，水流对桥梁的冲刷和侵蚀可能会导致桥梁结构受损和老化。水力学分析可以帮助工程师及时发现和评估这些损伤，为维修和加固提供科学依据。二是海岸工程。海岸工程涉及海滩、港口、防波堤、护岸等结构的设计、建设和维护，水力学原理能帮助工程师预测水流、波浪和潮汐等自然现象对海岸工程的影响，从而确保工程的安全性和稳定性。在海岸工程的设计阶段，工程师需要分析波浪的特性，以确定合适的工程结构和尺寸，例如防波堤设计需考虑波浪的反射、绕射和折射等，以确保防波堤能够有效减少波浪对港口的冲击。海岸工程往往要在复杂的水域环境中建设，会遇到潮汐、海流等，工程师需要根据水力学原理选择合适的施工方法和设备，确保施工的顺利进行，例如在潮汐区进行基础施工时，需要考虑潮汐引起的水位变化对施工的影响，采取相应措施来确保基础的安全性和稳定性。通过水力学分析，工程师可以及时发现和评估海岸工程的损伤，为维修和加固提供科学依据，同时水力学还可以帮助工程师评估海岸工程的可持续性，提出相应的改进措施，以延长工程的使用寿命。三是隧道工程。隧道往往要穿越河流、湖泊或地下水丰富的地区，涉及复杂的水文地质条件。在设计阶段，工程师需要评估地下水的水位、流向、流量以及渗透性等因素，确保隧道设计的合理性和安全性，例如在隧道穿越河流时，需要考虑河流的水位变化、水流速度以及冲刷力等因素，合理设计隧道的过河段，避免水流对隧道结构造成破坏。隧道施工涉及排水、注浆、盾构掘进等作业，这些作业都需要根据水力学原理进行，例如在排水作业中，工程师需要根据地下水的流向和流量，合理布置排水管道和泵站，确保隧道施工过程中排水畅通；在注浆作业中，需要考虑地下水的渗透性和注浆材料的扩散性，以确保注浆效果达到预期。通过水力学分析，工程师可以及时发现和解决隧道内部可能存在的渗漏水、积水等问题，确保隧道的正常运行和安全性。

作者簡介：黄友明（１９６９—），男，湖南邵阳人，广西天柱建设管理有限公司高级工程师，研究方向为土木工程