土木工程中的流体力学

土木工程中的流体力学

班级：土木1102班

姓名：徐英振

学号：1102090226

土木工程中的流体力学

流体力学的课程我们大三才开始接触，之前只是知道理论力学、材料力学、结构力学，对于流体力学一无所知，这一学期听过了康老师精彩的讲课后，我对流体力学有了新的认识！流体力学是研究流体平衡和流体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学研究的对象是流体，包括液体和气体。

流体力学广泛应用于土木工程的各个领域。例如，在建筑工程和桥梁工程中，我们要利用流体力学解决台风、洪水破坏房屋、桥梁、堤坝的问题；利用流体力学研究解决风对高耸建筑物的荷载作用和风振问题；对基坑排水、地基抗渗稳定处理、解决基坑塌方问题，更要以流体力学为理论基础。可以说，流体力学已成为土木工程各领域共同的专业理论基础。

一、流体力学在道路桥梁中的应用

在中国古代的典籍中，就有相传4000多年以前大禹治水，“疏壅导滞”使滔滔洪水各归于河的记载。先秦时期在四川岷江中游建都江堰。隋朝修浚并贯通南北的大运河，“自是天下利于转输”，“运漕商旅，往来不绝”。又如隋大业年间，工匠李春在交河上建赵州桥，这座石拱桥的跨径37.4米，拱背上还有4个小拱，既减轻了主拱的负载，又可泄洪，迄今为止1380 年依然完好。历史上，这些伟大的工程，皆因“顺应水性”，才能跨江河逾千年而不毁。这些工程都与流体力学息息相关！

道路路桥工程是关乎民生，国防建设的重大工程，它的安全性可靠性更是重中之重。由于路桥的造价很高，且修建需要一定的时间，因此大多数的路桥设计使用年限很长。在这么长的时间里，路桥经受水流的长时间的侵蚀作用，要保持极高的结构强度与结构健康性。这样就要在设计时对这些侵蚀的来源有准确的了解定性，此时流体力学的知识就显得尤为重要。

这些重要工程在施工、使用和维护当中最普遍的是遇到水流的影响。对于公路，铺设时的选址与路基稳定性都会受到水的影响，施工与使用过程中对于集聚的水及时排除以消除对路面影响，此外还要考虑路边渗水问题等等。这些客观存在的问题都会对公路的建设保养产生很大影响。对于桥来说，由于其建筑环境的特殊性，流水影响就是它的主要问题，水流的持续性对桥墩来说是持续性破坏，这是不可避免的，尤其是对于多雨地区，突发性的大水对桥墩的稳定更是严峻的

考验。

这些问题都可以依靠流体力学知识得到解决。具体结合施工地当地水文情况，再根据流体力学理论知识给出水流的一些合理的可依据信息，指导设计与施工。

二、流体力学在解决风对高耸建筑物的荷载作用中的应用

现在建筑越来越趋向于高层，高层节约了土地成本，提供了更多的使用空间，但也增加了设计施工的问题。因为随着高度的增加，由于地表及其附近物体对气体流动的阻碍减少，气体流动速度很大。除此之外，高层聚集处由于高层的层高和体积问题，这会对气体的流动产生很大影响，随即会对建筑物的稳定性产生影响，对建筑物的构造和建筑材料考可靠性提出更高的要求。对建筑的影响是使建筑产生侧向变形，大风时产生振动。这种影响主要与基本风压，风压高度变化系数，风荷载体形系数，风振系数有关。这些系数和所在地的风的大小，建筑高度，建筑的外形，和地区粗糙度有关。

气体的流动产生风，通过流体力学可以把气流流动产生的问题具体化，数值化，针对这些问题再针对性的合理解决，既有助于设计施工的进行，又可以合理的运用材料，做到快速、放心、合理。

三、流体力学在解决基坑降水、基坑塌方问题中的应用

工业民用建筑是常见建筑，对于低层建筑，地下水是最普遍的结构影响源，集中表现为对地基基础的影响。而且随着高层建筑越来越多，基坑开挖的面积和深度逐渐增大，由基坑开挖引发的一系列城市环境问题越来越突出，特别是长江中下游地区，为了基坑开挖施工，常常需要大量临时性的降水。但是，当对基坑地下水处理不当时，常能造成基坑坍塌、延误，造成损失。

由于土质及地下水动力条件不同，基坑开挖施工方法也不同。在没有地下水条件下，基坑可以轻易地挖至几米或更多，但在地下水位较浅或有地下水流的情况，即便挖深2—3米也可能发生基坑塌方。由于工程降水不当，而造成基坑工程失稳现象和事故时有发生。所以在基坑开挖工程中首先要搞好工程降水。同时，基坑降水除了为地下工程提供安全的施工环境外，对后继工程能否完成也起着决定性的作用。所以，基坑降水在基坑开挖中占有举足轻重的作用。

目前基坑降水的方法主要有两种：集水井降水（明沟降水）和井点降水。集水井降水属重力降水，是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟，每隔一定距离设集水井，使基坑内渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵排出基坑。排水沟

和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。但是，当基坑开挖深度较大，地下水的动水压力和土的组成，可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳时，则宜采用井点降水方法。井点降水指在基坑内及基坑外一定范围内布置一定数量、一定深度的抽水井，抽取主要承压含水层中的地下水，降低地下水位直至承压水对基坑底板向上的浮托力小于基坑底板土体的抗渗强度，抽水作业至基础施工完毕后，再使地下水恢复自然状态，属临时性降水措施。而且工程造价较低，但是由于长时间大幅度降低地下水，在形成降水漏斗范围内释水压密固结，引起地面沉降，若沉降量（或不均匀沉降量）大于周边构筑物的允许沉降量，必然会造成损害。井点降水是高地下水位基础工程施工的重要措施之一。它能克服流砂现象、稳定基坑边坡、降低承压水位、防止坑底隆起和加速土的固结、使位于天然地下水位的基础工程能在较干燥的环境中进行。

在深基坑开挖及排水过程中，在基坑边坡产生较大的地下水力坡度，地下水向坑内渗流产生管涌，并导致基坑边坡坍塌；有时由于降水井点结构不合理，当抽取地下水时带出大量细颗粒砂，将会造成基坑周围地面坍塌，有时因围护结构防渗条件差，引起坑外水土流失造成地层位移、沉降，更常见的是当基坑底板以下有一层高水头的承压含水层时，在基坑开挖到一定深度后，坑底至承压含水层顶板之间的土体压力小于承压水的浮托力，坑底就会产生管涌、流砂、隆起，甚至导致整个基坑涌水。

这些问题的解决都与流体力学的发展和应用密不可分，只有学好了流体力学才能更好的解决这些问题！

四、流体力学对于隧道中的通风效应的应用

随着我国经济的发展，铁路公路里程有了很大程度上的提高，其中很多都有穿山的隧道。

汽车或火车在隧道中高速行驶时会对隧道中的气体造成影响，这种影响是相互的，气流也可以对在隧道中行驶的车辆带来不利影响，可能会产生“风炮”，进而可能会对安全行驶造成影响。低速的汽车会如此，那高速的火车，动车更是有如此。

流体力学在土木工程中应用广泛，而在高速铁路的建设过程中，流体力学的重要分支空气动力学则起到了极为重要的作用。我国高速铁路建设正处于上升期，高铁建设中遇到的问题也越来越多，相关理论研究对于高铁建设的顺利开展意义重大。