建造师一级水利水电讲义之水流形态

1F411023 了解水流形态及消能方式
  一、水流形态
  从描述水流的不同角度出发，水流形态主要包括：恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流、层流与紊流。
水流形态
恒定流   流场中任何空间上所有的运动要素不随时间改变
非恒定流               有任何一个运动要素随时间改变
均匀流       水流的流线为相互平行的直线
非均匀流                 不是相互平行的直线
渐变流   水流的流线几乎近于平行
急变流   流线间夹角很大或流线曲率半径很小

层流   水流流速较小各流层液体有条不紊地运动互不混掺
紊流   水流的流速较大，形成涡体，相互混掺
二、能量转换
 根据能量守恒原理，恒定水流的能量方程为：
   能量转换
伯努力能量方程
      （1F411023）
位能、压能、动能―可以相互转换―两个断面间能量守衡
三、消能方式
 修建闸、坝等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速。动能比较大，为了减小对下游河道的冲刷，采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能。
 （一）底流消能
 如图1F411023－1所示，是利用水跃消能，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。它主要是靠水跃产生的表面旋滚与底部高流速的主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。该法具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物。但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。该法对地质条件的要求较低，既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基。
 （二）挑流消能
 如图lF411023－2所示，是利用溢流坝下游设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量。但跌落的水流仍将冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能。适用于坚硬岩基上的高、中坝。
 
（三）面流消能
 如图1F411023－3所示，当下游水深较大且比较稳定时，利用鼻坎将下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流与河床之间形成巨大的底部旋滚，旋滚流速较低，避免高速水流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。高流速的主流位于表层。适用于中、低水头工程尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。
 （四）消力戽消能
 如图1F411023－4所示，是利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半径和较大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹没挑坎的条件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，后经鼻坎将高速的主流挑至水面。并通过戽后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。
 
1F411030 水利水电工程建筑材料
1F411031 掌握建筑材料的类型
  建筑材料是指建造各种工程时所应用的材料。
  一、建筑材料按其物化性质分类
  建筑材料按其物化性质可分为无机非金属材料、金属材料、有机质材料三类。
  （一）无机非金属材料
  又常称为矿物质材料，包括天然石料、烧土制品、无机胶凝材料。
  1．无机胶凝材料：分为气硬性和水硬性的两类。
  （1）气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并保持或继续提高其强度，属于这类材料的有石灰、石膏与水玻璃等。只能用于地面上干燥环境的建筑物。
  （2）水硬性胶凝材料：不仅能在空气中而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度，属于这类材料的有硅酸盐水泥及其他品种的水泥等。既可用于地上也可用于地下或水中的建筑物。
  2．天然石料按形成条件的不同，分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。石料按其开采加工程度的不同分为：细石料、粗石料、毛料石（块石）、乱毛石（片石）等。
  （二）金属材料
  包括黑色金属材料和有色金属材料两大类。
1．黑色金属材料：是指以铁元素为主要成分的金属及其合金材料，是钢和生铁的总称。
 2．有色金属材料：是指黑色金属材料以外的金属及其合金材料。在水工建筑中常用的有色金属是铜和铜的合金及铝的合金。紫铜片是水工建筑中常用的止水材料。
 （三）有机质材料
 包括木材、竹材、沥青材料和合成高分子材料等。
 1．沥青材料：是有机胶凝材料，由许多高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物。它能溶于二氧化碳等有机溶剂中；在常温下呈固体、半固体或液体状态；颜色为褐色或黑褐色。沥青材料具有良好的憎水性、粘结性和塑性，能抵抗酸碱侵蚀，抗冲击性能较好。常分为地沥青和焦油沥青。
 （1）地沥青：按产源可分为天然沥青和石油沥青。石油沥青按制造工业不同，可分为直馏沥青、氧化沥青和裂化沥青三种：•
 （2）焦油沥青：可分为煤沥青、木沥青、页岩沥青、泥炭沥青等。
 2．木材：普通分为软木材和硬木材。
 （1）软木材：即针叶树材，材质轻软，易于加工，密度和胀缩变形较小，且有较高的强度。是建筑上常用的主要承重结构的木材，如松、杉、柏等。
 （2）硬木材：即阔叶树材，材质坚硬，加工较难，一般较重，且胀缩、翘曲、裂缝等都较针叶树显著，如榆、槐、栎等。
 3．合成高分子材料：分为合成树脂、塑料、合成橡胶、合成纤维等。
 （1）合成树脂：按其形成时的反应不同，分为聚合树脂和缩聚树脂两种。按在热作用下所表现的性质不同，又分为热塑性树脂和热固性树脂。
 （2）塑料：分为热塑性和热固性两种。水工建筑中常用的塑料多是聚乙烯和聚氯乙烯制品。
 （3）合成橡胶：多是以两种以上的单体缩聚而成的具有高度弹性的材料。橡胶止水带是钢筋混凝土地下建筑物、水坝、贮水池等永久缝的止水材料。
 （4）合成纤维：可制作纤维塑料、纤维混凝土、纤维绳等。
 二、建筑材料按材料来源分类
 建筑材料按材料来源可分为天然建筑材料和人工材料两类。
 1．天然建筑材料，如常用的土料、砂石料、石棉、木材等及其简单采制加工的成品（如建筑石材等）。
 2．人工材料，如石灰、水泥、沥青、金属材料、土工合成材料、高分子聚合物等。
 三、建筑材料按其功能分类
 建筑材料按其功能分类为结构材料、防水材料、胶凝材料、装饰材料、防护材料、隔热保温材料等。
 1．结构材料，如混凝土、型钢、木材等。
2．防水材料，如防水砂浆、防水混凝土、镀锌薄钢板、紫铜止水片、膨胀水泥防水混凝土、遇水膨胀橡胶嵌缝条等。
 3．胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃、水泥、混凝土等。
 4．装饰材料，如天然石材、建筑陶瓷制品、装饰玻璃制品、装饰砂浆、装饰水泥、塑料制品等。
5．防护材料，如钢材覆面、码头护木等。
 6．隔热保温材料，如石棉纸、石棉板、矿渣棉、泡沫混凝土、泡沫玻璃、纤维板等。

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