水力學(xué)與橋涵水文教學(xué)大綱

《水力學(xué)與橋涵水文》課程教學(xué)大綱(Hydraulicsandhydrologyofbridgeandculvert)一、課程代碼：08081961二、課程類型：必修課三、課程性質(zhì)：專業(yè)課四、學(xué)分：2課時(shí)：32五、考核方式：考查六、先修課程：高等數(shù)學(xué)、七、適用專業(yè)：土木工程（交通方向）八、課程教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)：（1）了解河川徑流的形成及影響因素。（2）理解水文統(tǒng)計(jì)的基本知識。（3）利用觀測資料推求設(shè)計(jì)洪水，掌握橋涵工程中一般水力學(xué)問題的計(jì)算方法，能基本確定橋涵的位置，掌握確定橋梁孔徑及進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，確定橋涵墩臺基礎(chǔ)的埋置深度以及橋面及路堤的合理標(biāo)高等。九、說明本課程是高等院校土木工程本科專業(yè)（交通方向）的一門必修課。由水力學(xué)基本知識、河川水文基礎(chǔ)知識、橋涵工程中一般水力學(xué)問題的計(jì)算三部分組成。其中，突出了橋涵水文知識和橋涵的設(shè)計(jì)技能，使學(xué)生具備一般小橋涵設(shè)計(jì)的實(shí)際能力。本大綱堅(jiān)持以中國特色社會主義理論體系為指導(dǎo)，借鑒省內(nèi)外同類高校有關(guān)該學(xué)科的理論研究成果與應(yīng)用實(shí)踐，力圖合理、準(zhǔn)確、全面概括水力學(xué)與橋涵水文學(xué)的基本內(nèi)容，內(nèi)容深度以符合獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生特點(diǎn)為宜，期望能較好的達(dá)到以下目的：1、學(xué)生能正確理解有關(guān)概念和方法，并能進(jìn)行簡單分析和計(jì)算。2、學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用所學(xué)知識，解決實(shí)際問題。3、推薦使用教材:《水力學(xué)與橋涵水文》，主編：王麗榮，人民交通出版社，2008．05。主要參考書:《水力學(xué)與橋涵水文》，葉鎮(zhèn)國編著，人民交通出版社。4、

成績由平時(shí)成績和期末考試成績兩部分組成。成績考核：平時(shí)成績由兩部分組成，第一部分為平時(shí)課程作業(yè)，第二部分為平時(shí)課堂表現(xiàn)和出席情況；期末成績由考試試卷成績確定，試卷內(nèi)容占大綱知識點(diǎn)的80%~100%。成績評定：平時(shí)成績占50%，其中出席及課堂表現(xiàn)占30%，作業(yè)20%；期末成績占50%。十、基本教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)分配（一）教學(xué)內(nèi)容第一章緒論【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解水力學(xué)與橋涵水文課程的學(xué)習(xí)目的和任務(wù)；掌握液體（主要是水）的主要物理性質(zhì)，了解它們在液體運(yùn)動時(shí)所起的作用?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】液體（主要是水）的主要物理性質(zhì)【教學(xué)難點(diǎn)】液體的黏滯性和牛頓內(nèi)摩擦定律?！局饕獌?nèi)容】第一節(jié)《水力學(xué)與橋涵水文》課程的學(xué)習(xí)目的與任務(wù)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)第三節(jié)液體的主要物理性質(zhì)一、液體的重度和密度二、液體的膨脹性和壓縮性三、液體的流動性與粘滯性第四節(jié)作用在液體上的力一、質(zhì)量力二、表面力【思考題】1.液體的壓縮性與什么因素有關(guān)？2.何為牛頓內(nèi)摩擦定律？3.引入連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念有何實(shí)際意義？第二章水靜力學(xué)【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解靜水壓強(qiáng)的定義及其特性；了解液體平衡微分方程的物理意義和等壓面的概念；掌握水靜力學(xué)的基本方程，并能說明各個(gè)物理量所表示的含義；掌握靜水壓強(qiáng)的表示方法，能繪制各種情況下的靜水壓強(qiáng)分布圖；掌握作用在平面和曲面上的靜水總壓力的計(jì)算方法?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】從力的平衡分析，掌握水靜力學(xué)基本方程的物理意義和工程應(yīng)用；掌握水平面上靜水總壓力的計(jì)算方法。【教學(xué)難點(diǎn)】作用在平面和曲面上的靜水總壓力的計(jì)算方法?！局饕獌?nèi)容】靜水壓強(qiáng)一、靜水壓強(qiáng)及其特性二、等壓面及靜水壓強(qiáng)第二節(jié)靜水壓強(qiáng)的分布規(guī)律一、靜水壓強(qiáng)的基本方程二、靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律三、靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律計(jì)算算例第三節(jié)作用在平面上的靜水總壓力一、解析法求任意平面上的靜水總壓力二、圖解法求矩形平面上的靜水總壓力三、平面上靜水總壓力計(jì)算算例第四節(jié)曲面上的靜水總壓力一、總壓力的大小、方向、作用點(diǎn)二、曲面上的靜水總壓力計(jì)算算例三、壓力體四、浮力【思考題】⒈什么是水頭、水頭線及測壓管水頭線，它們的物理意義是什么？⒉均勻流基本方程的結(jié)論是什么，它對水頭損失計(jì)算有什么意義？⒊什么情況下才能發(fā)生明渠均勻流？⒋什么是水力最佳斷面？什么是流量模數(shù)？第三章水動力學(xué)基礎(chǔ)【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解液體運(yùn)動的基本概念；掌握恒定流的連續(xù)方程、恒定流的能量方程、恒定流的動量方程；掌握液體運(yùn)動的兩種形態(tài)（層流和紊流）以及判別指標(biāo)（雷諾數(shù)）；了解水流阻力與水頭損失產(chǎn)生機(jī)理，掌握沿程和局部水頭損失計(jì)算公式；掌握能量方程的應(yīng)用，短管水力計(jì)算原理。【教學(xué)重點(diǎn)】水力學(xué)三大方程；均勻流基本方程；達(dá)西公式；謝才曼寧公式：局部水頭損失計(jì)算公式【教學(xué)難點(diǎn)】雷諾試驗(yàn)；尼姑拉茲試驗(yàn)【主要內(nèi)容】液體運(yùn)動的基本概念一、跡線與流線二、元流與總流三、過水?dāng)嗝妗⒘髁?、斷面平均流速四、恒定流與非恒定流五、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流六、有壓流和無壓流恒定流的連續(xù)方程一、元流連續(xù)性方程二、總流連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程說明四、連續(xù)性方程應(yīng)用計(jì)算算例恒定流的能量方程一、液流的能力轉(zhuǎn)化現(xiàn)象二、重力理想液體元流的能力方程三、實(shí)際液體元流的能量方程四、元流能量方程應(yīng)用（畢托管）的計(jì)算算例五、實(shí)際液體總流的能力方程六、實(shí)際液體總流的能量方程計(jì)算算例第四節(jié)恒定流的動力方程一、恒定流的動力方程二、恒定流的動力方程的應(yīng)用三、恒定流的動力方程計(jì)算算例第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失概念二、液體流動的兩種形態(tài)及判別三、流態(tài)的判別計(jì)算算例四、均勻流基本方程和沿程水頭損失計(jì)算五、沿程水頭損失計(jì)算算例六、局部水頭損失七、局部水頭損失算例第六節(jié)能力方程的應(yīng)用——短管計(jì)算【思考題】1.簡述能力方程中各項(xiàng)的物理意義和幾何意義。2.應(yīng)用能量方程式時(shí)，計(jì)算斷面為什么只能選用漸變流斷面，但兩斷面間為什么允許存在急變流？兩計(jì)算斷面是否可以選在非均勻流斷面處？3.漸變流或均勻流過水?dāng)嗝鎵簭?qiáng)分布與靜水中的壓強(qiáng)分布有何異同處？第四章明渠均勻流【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解明渠均勻流的水力特性和產(chǎn)生的條件；掌握明渠均勻流的水力計(jì)算公式；掌握水力最優(yōu)斷面的概念，了解實(shí)際工程中的渠道設(shè)計(jì)思想；掌握新建渠道的設(shè)計(jì)方法和對已修成的渠道進(jìn)行校核。【教學(xué)重點(diǎn)】明渠均勻流的計(jì)算公式；新建渠道的設(shè)計(jì)方法和對已修成的渠道的校核步驟【教學(xué)難點(diǎn)】水力最優(yōu)斷面的概念【主要內(nèi)容】第一節(jié)明渠均勻流的水力特性和基本公式一、明渠邊界的幾何條件二、明渠均勻流的水力特性及其產(chǎn)生的條件三、明渠均勻流的基本公式四、明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速第二節(jié)明渠均勻流水力計(jì)算基本問題一、明渠均勻流水力計(jì)算基本情況二、明渠均勻流水力計(jì)算算例三、無壓圓管均勻流四、無壓圓管均勻流計(jì)算算例五、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計(jì)算六、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計(jì)算算例第三節(jié)按暴雨資料推算一、推理公式二、徑流簡化公式三、經(jīng)驗(yàn)公式四、橋位斷面設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位推算【思考題】1.明渠均勻流有哪些特點(diǎn)？產(chǎn)生均勻流的條件是什么？第五章明渠非均勻流【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握非均勻流非水力特性和產(chǎn)生條件；掌握明渠中的三種水流狀態(tài)的判別方法；掌握水躍和跌水的概念，了解水躍的水力計(jì)算；掌握水面曲線定性分析，了解定量計(jì)算的方法。【教學(xué)重點(diǎn)】非均勻流非水力特性和產(chǎn)生條件；明渠中的三種水流狀態(tài)的判別指標(biāo)；斷面比能的概念及其應(yīng)用；水躍和跌水的概念和水躍的水力計(jì)算；水面曲線定性分析?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】三種流態(tài)的判別；明渠漸變流水面線定性分析【主要內(nèi)容】第一節(jié)明渠非均勻流水力現(xiàn)象的類型第二節(jié)明渠的兩種流態(tài)與佛汝德數(shù)一、緩流、急流和臨界流二、佛汝德數(shù)第三節(jié)斷面比能第四節(jié)臨界水深和臨界坡度的計(jì)算一、臨界水深二、臨界水深計(jì)算算例三、臨界坡度四、臨界坡度計(jì)算算例第五節(jié)明渠急變流一、水跌現(xiàn)象二、水躍現(xiàn)象三、水躍與下游的銜接方式四、水躍計(jì)算算例第六節(jié)明渠漸變流水面曲線形狀的定性分析一、明渠漸變流的基本方程二、水面曲線分析簡介三、水面曲線分析算例第七節(jié)明渠漸變流水面曲線的計(jì)算一、分段求和法二、分段求和法計(jì)算算例三、α1型壅水曲線的近似計(jì)算法第八節(jié)寬頂堰溢流一、堰的類型二、寬頂堰的水力計(jì)算三、寬頂堰溢流計(jì)算算例第九節(jié)泄水建筑物下游的消能一、底流式消能二、面流式消能三、挑流式消能【思考題】1.明渠非均勻流有哪些特點(diǎn)？產(chǎn)生非均勻流的原因是什么？2.緩流和急流各有什么特點(diǎn)？有哪些判別方法？3.什么是斷面比能？它與單位質(zhì)量液體的總能量E有何區(qū)別？斷面比能和水深有何重要關(guān)系？4.佛汝德數(shù)有什么物理意義？怎樣應(yīng)用它判別水流的形態(tài)？。第六章河川水文基礎(chǔ)知識【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握河流的形成和基本特征；掌握橋位設(shè)計(jì)中河段的分類；掌握流域的概念及流域面積的確定方法；掌握河川徑流形成過程及影響因素；掌握泥沙運(yùn)動和河床演變的機(jī)理；掌握水文資料的搜集、整理以及資料的審查與分析方法?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】河流的基本特征；河段的分類；流域；河川徑流形成過程及影響因素；泥沙運(yùn)動和河床演變的機(jī)理；水文資料的搜集、整理以及資料的審查與分析方法。【教學(xué)難點(diǎn)】水文資料的搜集、整理以及資料的審查與分析方法。【主要內(nèi)容】第一節(jié)河流一、河流的形成二、河流的基本特征三、河段的分類第二節(jié)河流的流域一、流域及流域面積的確定二、河川徑流形成過程及影響徑流的主要因素三、包爾達(dá)可夫公式第三節(jié)泥沙運(yùn)動和河床演變一、泥沙運(yùn)動二、河床演變第四節(jié)河川水文資料的觀測方法一、水位觀測二、流量測算三、泥沙測算四、冰凌測算五、水文資料的搜集和整理六、利用洪水調(diào)查資料進(jìn)行歷史洪水流量計(jì)算算例七、資料的審查與分析八、水位與流量關(guān)系曲線【思考題】1.簡述河川徑流的形成過程？影響徑流的因素？2.河槽、河灘、主槽與邊灘怎樣劃分？3.流域的特征與流域的出口斷面的流量有什么關(guān)系？第七章大中橋設(shè)計(jì)流量的推算【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的概念及繪制方法；掌握理論頻率曲線的概念及繪制方法，與統(tǒng)計(jì)參數(shù)的關(guān)系；掌握橋位斷面設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位的推算方法?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的概念及繪制方法；理論頻率曲線的概念及繪制方法，與統(tǒng)計(jì)參數(shù)的關(guān)系；橋位斷面設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位的推算方法。【教學(xué)難點(diǎn)】用觀測資料推求設(shè)計(jì)流量時(shí)抽樣誤差問題、相關(guān)分析問題和特大洪水問題的處理方法。【主要內(nèi)容】第一節(jié)河川水文現(xiàn)象的特性與分析方法一、河川水文現(xiàn)象的特征二、河川水文現(xiàn)象的分析研究方法三、水文統(tǒng)計(jì)法對水文資料的要求第二節(jié)用水文統(tǒng)計(jì)法求設(shè)計(jì)流量的基本原理一、水文統(tǒng)計(jì)的基本概念二、經(jīng)驗(yàn)頻率曲線與幾率格紙三、理論頻率曲線與統(tǒng)計(jì)參數(shù)第三節(jié)有觀測資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推算一、根據(jù)觀測資料用適線法推求設(shè)計(jì)流量二、現(xiàn)行頻率分析方法三、適線法算例四、抽樣誤差五、抽樣誤差算例六、相關(guān)分析七、相關(guān)分析算例第四節(jié)特大洪水的處理一、問題的提出二、考慮特大洪水時(shí)經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算三、考慮特大洪水時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的確定四、特大洪水的計(jì)算算例第五節(jié)缺乏觀測資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推算一、根據(jù)歷史洪水水位推算設(shè)計(jì)流量二、根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量三、利用暴雨資料推算設(shè)計(jì)流量第六節(jié)、橋位斷面設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位的推算【思考題】1.什么叫洪水頻率、橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率與設(shè)計(jì)流量？2.用經(jīng)驗(yàn)頻率法計(jì)算設(shè)計(jì)流量，有何缺陷？3.在使用理論頻率法時(shí)適線注意什么？第八章大中橋孔徑設(shè)計(jì)【教學(xué)目的與要求】掌握橋孔最小凈長Lj的計(jì)算方法；掌握橋面中心最低高程的計(jì)算方法；熟悉橋前最大壅水高度的橋下壅水高度的計(jì)算方法【教學(xué)重點(diǎn)】橋孔最小凈長Lj的計(jì)算；橋面中心最低高程的計(jì)算?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】橋面最低高程計(jì)算中各種水面升高值確定【主要內(nèi)容】第一節(jié)橋位河段的水流圖式和橋孔布置原則一、橋位河段的水流圖式二、《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中有關(guān)橋孔設(shè)計(jì)的一般規(guī)定三、各類河段上橋孔布設(shè)的要求第二節(jié)橋孔長度一、用過水面積計(jì)算二、橋孔凈長經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算三、橋孔凈長計(jì)算示例第三節(jié)橋面中心最低設(shè)計(jì)（水文）高程一、引起橋下水位升高的因素二、不通航河段橋下凈空安全值三、通航河段的橋下凈空第四節(jié)橋面中心最低設(shè)計(jì)（水文）高程計(jì)算一、不通航河段二、通航河段三、設(shè)計(jì)值四、橋面中心最低設(shè)計(jì)高程計(jì)算示例【思考題】1.橋位布設(shè)應(yīng)考慮哪些因素？2.設(shè)計(jì)水位的概念及如何計(jì)算？3.橋面高程是如何確定的？在水文上計(jì)算的橋面中心最低高程對橋面高程有何限制？第九章橋梁墩臺沖刷計(jì)算【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解墩臺沖刷類型，橋臺沖刷計(jì)算；掌握橋下一般沖刷計(jì)算方法，橋墩局部沖刷計(jì)算方法，橋下河槽最低沖刷線確定方法。【教學(xué)重點(diǎn)】橋下一般沖刷計(jì)算方法，橋墩局部沖刷計(jì)算方法，橋下河槽最低沖刷線確定方法。【教學(xué)難點(diǎn)】橋下一般沖刷計(jì)算方法，橋墩局部沖刷計(jì)算方法，橋下河槽最低沖刷線確定方法【主要內(nèi)容】第一節(jié)墩臺沖刷類型一、河床自然演變沖刷二、橋下斷面一般沖刷三、橋墩局部沖刷第二節(jié)橋下一般沖刷計(jì)算一、非黏性土河床一般沖刷計(jì)算二、黏性土河床的橋下斷面一般沖刷三、橋下斷面一般沖刷計(jì)算第三節(jié)橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷的機(jī)理二、非黏性土河床的橋墩局部沖刷計(jì)算公式三、黏性土河床的橋墩局部四、一般沖刷后墩前行進(jìn)流速計(jì)算公式第四節(jié)橋臺沖刷一、非黏性土河床二、黏性土河床第五節(jié)橋下河槽最低沖刷線一、最低沖刷線高程二、墩臺基底最小埋置深度三、局部沖刷深度及基底埋置的最小深度確定算例【思考題】1.簡述河床自然演變沖刷的機(jī)理2.簡述河床一般沖刷概念和計(jì)算方法3.簡述局部沖刷的概念和計(jì)算方法第十章小橋涵設(shè)計(jì)流量的推算【教學(xué)目的與要求】通過學(xué)習(xí)，使