水力學的基本理論及其在土木工程中的應用

水力學是力學的分支，主要研究液體在靜態和運動狀態下的性質和行為，涉及流體力學、流體靜力學和流體動力學等。隨著該學科的發展成熟，其應用價值日益凸顯，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的指導。《水力學（第三版）》對水靜力學和水動力學進行了系統闡述，并詳細分析了水頭損失、有壓管流、明渠流動等。

水力學基本理論主要包括：一是流體的性質。流體是液體和氣體的總稱，其具有一些特殊性質。首先，流體具有流動性，可以流動并適應容器的形狀；其次，流體具有可壓縮性，這意味著它在受到壓力時，體積會發生變化；最后，流體具有黏滯性，即流體內部存在內摩擦力，這會使流體在流動時受到阻力。二是流體靜力學。流體靜力學是研究靜止流體平衡狀態的學科。在靜止狀態下，流體不受剪切力和慣性力影響，僅受重力和外力的作用。根據流體靜力學的原理，流體內部任一點的壓力在各個方向上都相等，這一性質稱為靜壓強。靜壓強與流體密度、重力加速度和該點的深度有關，與方向無關。流體的靜壓力傳遞是瞬時的，即在一個封閉容器內，當一部分流體受到壓力變化時，這個壓力變化也會瞬間傳遞到整個流體。三是流體動力學。流體動力學是研究流體運動規律的學科，涉及流體在各種力作用下的運動狀態、能量傳遞和轉換等方面。在流體動力學中，流體的運動狀態可以通過流速、流向、流量等參數來描述。流體在運動中受多種力的作用，如重力、壓力、摩擦力等，這些力共同影響流體的運動軌跡和速度分布。流體動力學還會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展、渦流的產生和演化等。

水力學在土木工程中主要應用于以下工程：一是橋梁工程。橋梁作為跨越河流、湖泊或其他區域的結構，其穩定性、安全性及使用壽命都與水力學原理緊密相關。在設計階段，水力學可以幫助工程師預測和評估水流對橋梁的影響，例如橋梁的墩臺位置、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。基于水力學分析，工程師可以確定合適的橋墩位置和形狀，以減少水流對橋墩的沖刷，提高橋梁的穩定性。在施工過程中，水力學原理同樣重要。橋梁的施工往往需要在水域進行，涉及施工平臺的搭建、施工材料的運輸和安置等。水力學分析可以幫助工程師選擇合適的施工方法和設備，確保施工順利進行。此外，水力學還關注橋梁與周圍水域的相互作用，例如橋梁建設可能會改變水流的流向和速度，造成沖刷和淤積等。通過水力學分析，工程師可以采取相應措施，如設置護岸、護底等，以減少對周圍水域的影響。在橋梁的維護階段，水力學同樣發揮著重要的作用。隨著時間的推移，水流對橋梁的沖刷和侵蝕可能會導致橋梁結構受損和老化。水力學分析可以幫助工程師及時發現和評估這些損傷，為維修和加固提供科學依據。二是海岸工程。海岸工程涉及海灘、港口、防波堤、護岸等結構的設計、建設和維護，水力學原理能幫助工程師預測水流、波浪和潮汐等自然現象對海岸工程的影響，從而確保工程的安全性和穩定性。在海岸工程的設計階段，工程師需要分析波浪的特性，以確定合適的工程結構和尺寸，例如防波堤設計需考慮波浪的反射、繞射和折射等，以確保防波堤能夠有效減少波浪對港口的沖擊。海岸工程往往要在復雜的水域環境中建設，會遇到潮汐、海流等，工程師需要根據水力學原理選擇合適的施工方法和設備，確保施工的順利進行，例如在潮汐區進行基礎施工時，需要考慮潮汐引起的水位變化對施工的影響，采取相應措施來確保基礎的安全性和穩定性。通過水力學分析，工程師可以及時發現和評估海岸工程的損傷，為維修和加固提供科學依據，同時水力學還可以幫助工程師評估海岸工程的可持續性，提出相應的改進措施，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，涉及復雜的水文地質條件。在設計階段，工程師需要評估地下水的水位、流向、流量以及滲透性等因素，確保隧道設計的合理性和安全性，例如在隧道穿越河流時，需要考慮河流的水位變化、水流速度以及沖刷力等因素，合理設計隧道的過河段，避免水流對隧道結構造成破壞。隧道施工涉及排水、注漿、盾構掘進等作業，這些作業都需要根據水力學原理進行，例如在排水作業中，工程師需要根據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；在注漿作業中，需要考慮地下水的滲透性和注漿材料的擴散性，以確保注漿效果達到預期。通過水力學分析，工程師可以及時發現和解決隧道內部可能存在的滲漏水、積水等問題，確保隧道的正常運行和安全性。

作者簡介：黃友明（１９６９—），男，湖南邵陽人，廣西天柱建設管理有限公司高級工程師，研究方向為土木工程