理正岩土使用手册-水力学

第一章 功能概述理正工程水力学计算软件包含有五个计算内容：倒虹吸水力学计算、渠道水力学计算、水闸水力学计算、隧洞水力学计算和消能工水力学计算。

倒虹吸水力学计算模块可计算倒虹吸的过水能力、设计倒虹吸管径；渠道水力学计算模块含有清水渠道均匀流的水力计算、清水渠道非均匀流的水力计算和挟沙水流渠道的水力计算；水闸水力学计算模块适用于无坎宽顶堰、有坎宽顶堰、WES实用堰上的平板和弧形闸门，可计算水闸的泄流能力、设计闸孔宽度和确定闸门的开启度；水工隧洞水力学计算模块适用于矩形、圆形、拱形断面隧洞的水力设计，对无压隧洞可计算洞的过流能力和设计断面尺寸，半有压隧洞可校核隧洞的过流能力，对于有压隧洞可计算隧洞在不同水位、不同闸门开度下的泄流量，并可在已知过流量条件下校核上游水位，还可绘制出总水头线和压坡线，形象的显示洞身各点有无负压；消能工水力学计算模块适用于底流式消能工和挑流式消能工的水力设计。

底流式消能工中包括下挖式消力池、突槛式消力池（消力墙）和综合式消力池三种基本型式，可进行消力池尺寸设计计算和校核消能能力。

挑流式消能工可进行连续式挑流鼻坎的水力计算。

五个计算模块最后都给出计算的图形结果、文字结果及图文并茂的计算书。

第二章 快速操作指南2.1 操作流程理正工程水力学计算软件的操作流程如图2.1-1，每一步骤都有相对应的菜单操作。

图2.1-1 操作流程2.2 快速操作指南2.2.1 选择工作路径设置工作路径，既可以调入已有的工作目录，也可在输入框中键入新的工作目录，后面操作中生成的所有文件（包括工程数据及计算书等）均保存在设置的工作目录下。

图2.2-1 指定工作路径注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。

进入某单个计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。

2.2.2 增加计算项目工程水力学计算软件包含有五个计算内容：倒虹吸水力学计算、渠道水力学计算、水闸水力学计算、隧洞水力学计算和消能工水力学计算。

用户可根据需要选择。

图2.2-2当选好一个计算项目后，点击【工程操作】菜单中的“增加项目”或“增”按钮来新增一个计算项目（以水闸水力学计算为例）。

2.2.3 编辑原始数据图2.2-4 数据交互对话框注意：1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征；2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。

2.2.4 当前项目计算在数据交互对话框中设置好各项参数，点击“计算”按钮来进行当前题目的计算。

2.2.5 计算结果查询图2.2-5 计算结果查询窗口计算结果查询界面分为左右两个窗口，左侧窗口用于查询图形结果，右侧窗口用于查询文字结果。

第三章 操作说明3.1 关于计算例题的编辑3.1.1 增加例题与删除当前例题1．通过【工程操作】菜单的“增加项目”和“删除当前项目”来增加一个新的例题或删除当前的例题。

2．“增”或“减”按钮增加一个新的例题或删除当前的例题。

3.1.2 把典型例题加入例题模板库实际工程中会有一些具有一般代表性的典型例题，当完成该例题的数据交互后，可通过【辅助功能】菜单中的“将此例题加入模板库”把该例题存为例题模板，从而在每次新增例题时可以重复调用该例题的数据，在此基础上修改少量的数据进行计算。

3.2 计算简图辅助操作菜单在数据交互界面的左侧图形窗口单击鼠标右键，弹出图形显示快捷菜单，使用该菜单可有效的查看计算简图，可把计算简图存为DXF格式的文件，用AUTOCAD等图形编辑器进行编辑。

3.3 快速查询图形结果3.3.1 通过辅助功能菜单查看图形结果单击【辅助功能】菜单中的“查看计算图形结果”，可查看当前例题图形。

注意：在倒虹吸水力学计算中输出计算结果和水头线图，可通过在输出选项列表中选择水头线图来输出对应的图形结果。

3.3.2 图形查询辅助工具1．图形查询工具栏2．图形查询快捷菜单在图形结果查询窗口单击鼠标右键，弹出图形查询快捷菜单，可以方便地查看图形。

3．【图形查询】菜单3.4 计算书的编辑修改文字结果输出较为完整的计算书，主要包括以下信息：1. 计算项目名称；2. 计算简图；3. 计算条件（录入的各种原始参数）；4. 计算过程。

计算过程依照计算项目不同而有所变化。

文字结果可以使用文字编辑菜单进行编辑，也可以用其它文本编辑器进行编辑。

3.5 各模块适用范围倒虹吸管的截面有圆形和矩形两种。

进行渠道水力学计算时，软件提供了六种断面类型可供选择：复式、圆形、抛物线形、弧形坡脚梯形、弧形底梯形、梯形。

常用的矩形断面可以通过复式断面转化得到，U形断面可通过弧形底梯形断面转化。

水闸水力学计算模块适用于无坎宽顶堰、有坎宽顶堰、WES实用堰。

水工隧洞水力学计算模块适用于矩形、圆形、拱形断面隧洞的水力设计，隧洞中的水流流态有无压流、半有压流和有压流三种。

消能工水力学计算模块适用于底流式消能工和挑流式消能工的水力设计。

底流式消能工中包括下挖式、突槛式（消力墙）和综合式消力池，挑流式消能工可进行连续式挑流鼻坎的水力计算。

3.6 关于数据和结果文件数据和结果文件位于用户设定好的工作目录下。

倒虹吸计算模块的数据文件格式为*.SLA，水工渠道计算模块的数据文件格式为*.SLB，水闸计算模块的数据文件格式为*.SLC，水工隧洞计算模块的数据文件格式为*.SLD，消能工计算模块的数据文件格式为*.SLE，图形文件格式*.DXF，计算书格式为*.RTF。

第四章 编制原理4.1 倒虹吸水力学计算4.1.1 编制说明4.1.1.1 编制依据本部分是倒虹吸水力学计算的技术条件，介绍软件编制所采用的基本理论和软件中约定的规则。

本软件的编制依据如下：国家标准：⑴ 灌溉与排水工程设计规范（GB 50288-99）参考文献：⑴《水工设计手册》。

华东水利学院主编，水利电力出版社，1983年10月。

⑵《水力计算手册》。

武汉水利电力学院水力教研室编，水利出版社，1980年12月。

⑶《水力学》。

华东水利学院编，科学出版社，1983年2月。

⑷《水力学》。

成都科技大学水力学教研室编，高等教育出版社，1979年8月。

⑸《水利水电工程PC-1500程序集（88版）》。

水电部水利水电规划设计院主编。

4.1.1.2 适用范围倒虹吸水力学计算模块适用于圆形和方形断面的倒虹吸管的快速方案设计。

1．已知断面尺寸及布置形式时校核倒虹吸管的过水能力；2．已知流量条件下根据适宜流速计算倒虹吸管截面尺寸；3．绘出总水头线和测压管水头线；4．输出了图文并茂的计算书。

4.1.2 基本概念介绍4.1.2.1 雷诺数雷诺数表征液流惯性力与粘滞力的比值。

（4.1.2-1）式中：R e——雷诺数；v——平均流速（m/s）；D——管径（m），由用户交互；ν——水的运动粘滞系数（m2/s），由用户交互。

4.1.2.2 水流分区依据：《水工设计手册》基础理论的第三章第四节压力水道中的恒定流，表3-4-1。

根据实际雷诺数的大小，水流可以分为四种状态：层流、紊流光滑摩阻区、紊流过渡区、紊流平方摩阻区。

判别方法如下：条件R e<R ecr R e K/D≤1010<R e K/D≤500R e K/D>500流态层流紊流光滑摩阻区紊流过渡区紊流平方摩阻区其中：R e——实际雷诺数；R ecr——临界雷诺数，程序取为2320；D——管径（m）；K——管壁的等值粗糙度（mm），由用户交互。

4.1.2.3 局部水头损失4.1.2.3a 局部阻力系数局部阻力系数随局部摩阻的性质而异。

重要的工程应经过水工模型试验确定。

本程序中除直管没有局部阻力系数外，其它结构段都有局部阻力系数，或由用户交互或软件自动计算。

4.1.2.3b 局部水头损失计算（4.1.2-2）h w局——局部水头损失；Σξ——各阻力系数求和得到的总局部阻力系数；v——管道断面平均流速（m/s）。

4.1.2.4 沿程水头损失沿程水头损失是液流克服沿程阻力而引起的单位重量液体的能量损失。

4.1.2.4a 沿程阻力系数倒虹吸中的水流一般为紊流，沿程阻力系数随水流状态及管壁粗糙程度而异。

程序中提供了三个计算紊流平方摩阻区沿程阻力系数的公式：a．普朗特—尼古拉兹公式：（4.1.2-3）b．希夫林松公式（4.1.2-4）c．规范公式（4.1.2-5）谢才系数C计算：1．manning公式：（4.1.2-6）2．巴夫洛甫斯基公式：（4.1.2-7）（4.1.2-8）式中：λ——沿程阻力系数；D——管径（m），由用户交互；K——管壁的等值粗糙度（mm），由用户交互；n——倒虹吸管壁的粗糙系数，由用户交互。

注意：1. 对于非圆形断面的倒虹吸管，用四倍的水力半径代替公式中的直径D；2. 计算沿程阻力系数时管径和管壁等值粗糙度的单位要一致。

4.1.2.4b 沿程水头损失（4.1.2-9）式中：h w沿——沿程水头损失；l——倒虹吸管总长度（m）；R——水力半径（m）；v——管道断面的平均流速（m/s）；g——重力加速度（m/s2），程序取9.8m/s2。

4.1.3 流量计算依据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99）附录N倒虹吸水力计算。

（4.1.3-1）式中：Q——流量（m3/s）；A——倒虹吸管的过水断面面积（m2）；g——重力加速度（m/s2），程序取9.8m/s2；Z——上、下游水位差（m）；μ——流量系数，按下式计算：（4.1.3-2）式中：λ——沿程阻力系数；l——倒虹吸总长（m）；D——圆管取为管的直径，非圆形断面取为4倍的水力半径（m）；Σξ——局部阻力系数之和。

4.1.4 设计断面4.1.4.1 基本原理圆管断面或方形断面的大小主要以通过设计流量时要求的控制流速而定，其他基本公式相同，不再赘述。

程序中提供了挟沙水流不淤极限流速的计算，供用户参考。

4.1.4.2 挟沙流速计算公式如下：（4.1.4-1）式中：ρ——挟沙水流中的含沙量（以重量百分比计算），由用户交互；Q np——倒虹吸管内通过的流量（m3/s）；d75——挟沙粒径（mm），小于该粒径的沙占75%，由用户交互；ω0——泥沙沉降速度（cm/s），与粒径有关，按下面的方法计算：粒径等于或小于0.1毫米时：（4.1.4-2）粒径在0.1~1.5毫米之间：（4.1.4-3）粒径大于1.5毫米：（4.1.4-4）式中：γs——泥沙颗粒容重（g/cm3），由用户交互；γw——水的容重（g/cm3），由用户交互；d——泥沙颗粒直径（mm），由用户交互；μ——水的动力粘滞系数（g.s/cm2），由用户交互；t0——水的温度（℃），由用户交互。

4.1.5 进出口渐变段水位变化4.1.5.1 进口渐变段（4.1.5-1）式中：ΔZ1——由上游渠道进入进口渐变段水面降落（m）；ξ1——进口渐变段的局部阻力系数，由用户交互；v1——进口渐变段始端流速（m/s），由用户交互；v2——进口渐变段末端流速（m/s），由用户交互。