具体描述
好的，这是一本关于水利工程中侧堰设计的深度指南，但重点聚焦于除侧堰设计之外的其他重要水利结构和设计原则。 --- 书名：高级水工结构设计与河流动力学应用 图书简介 本书旨在为水利工程师、水资源规划师以及土木工程专业的研究生提供一套全面、深入的现代水工结构设计方法与河流动力学前沿理论。全书结构严谨，内容涵盖了从基础的水流理论到复杂水工构筑物的性能分析与优化设计，特别强调了在气候变化和极端天气背景下，如何实现结构的安全、经济与环境协调发展。 本书分为六大部分，共二十章，系统地梳理了水利工程设计中的核心技术与最新进展。 第一部分：水力学基础与河流特性分析 本部分为后续结构设计的理论基石。首先，详细回顾了不可压缩牛顿流体的基本控制方程——纳维-斯托克斯方程在水流分析中的应用，并重点阐述了浅水波理论及其在非常设水位分析中的适用性。 第1章：湍流模型与边界层理论 深入探讨了湍流的统计特性，包括雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟（LES）在水流结构分析中的应用。重点分析了粗糙边界对水流阻力和能量耗散的影响机制。 第2章：河床物质输移与冲淤理论 本章详细介绍了泥沙输运的机理，包括冲刷、淤积过程中的颗粒运动学和动力学分析。重点介绍了非粘性泥沙、粘性泥沙的起动判据（如Shields曲线的修正形式）和输沙率计算模型（如Meyer-Peter Müller公式、Laursen公式的适用边界条件）。探讨了在复杂弯道、分流结构下游的局部冲刷深度预测方法。 第3章：水文分析与极端事件预测 超越传统的频率分析方法，本章引入了非平稳水文过程的建模技术。结合马尔可夫链和Copula函数，对不同重现期洪水事件的联合概率分布进行估计。同时，探讨了基于历史气候数据与区域气候模型（RCM）输出的未来洪水风险情景构建方法。 第二部分：大跨度水工挡墙与基础工程 本部分转向具体结构的设计与稳定性分析，重点关注需要承受高水头和复杂地基条件的重力式结构。 第4章：重力式挡墙的抗滑移与倾覆稳定性 详细阐述了规范中规定的抗滑移安全系数的确定依据，并引入了基于可靠度理论（如First-Order Reliability Method, FORM）的概率极限状态设计方法。讨论了基岩、砂砾石地基上锚固结构的设计原则。 第5章：深厚土层基础处理技术 针对软土地基上大型水工结构的沉降控制，本章系统介绍了真空预压法、换填法、深层水泥土搅拌法（DCM）的设计参数确定与施工控制要点。重点分析了固结沉降的二维固结理论及其时间预测模型。 第6章：水工混凝土材料性能与耐久性设计 探讨了抗渗性、抗冻融循环和抗氯离子渗透性对水工结构寿命的影响。介绍了高性能混凝土（HPC）在水利工程中的应用，包括配合比优化与养护体系的建立。 第三部分：溢洪道与泄洪构筑物设计 本部分专注于控制与安全泄洪设施的设计，确保水库或河道在超设计标准洪水来临时仍能安全运行。 第7章：新型堰结构的水力特性分析 除了传统堰体，本章深入研究了非恒定流条件下堰流的特性。包括对大比例模型试验中水跃的精确控制，以及对Ogee溢洪道、阶梯式溢洪道、隧洞式溢洪道的消能效果评估。 第8章：消能工与冲刷防护 详细分析了水力跳跃的形成、位置控制与能量耗散机理。重点介绍了端部防冲槽（Stilling Basin）的几何尺寸优化设计，并对比了块状消能工（如消力墩）与造坡消能工的适用性与维护要求。 第9章：非常溢洪道与非常泄流控制 探讨了非常溢洪道（如非常规地形泄洪道、非常规导流建筑物）的风险评估与设计标准。讨论了在洪水超限时，如何通过临时性泄洪设施（如爆破泄洪区）的预设与管理，以降低下游洪水破坏的风险。 第四部分：河流断面的水力学与渠道设计 本部分回归到河道整治与渠道输水工程，关注水流形态与结构相互作用。 第10章：曼宁公式系数的区域化与动态修正 不再将曼宁糙率系数视为固定常数，本章基于实测流速数据和河床结构特征，建立了基于河流粗糙度等级的动态修正模型，提高了渠道糙率估计的精度。 第11章：柔性护岸结构的力学模型与生态适应性 对比分析了格宾网、木桩阵、植被混凝土等柔性护岸结构在动水荷载下的受力特点。引入了生态水力学概念，评估不同护岸材料对水生生物栖息地的影响。 第12章：渠道交叉与分水结构的水力设计 深入分析了侧向分流结构的水力损失计算，特别是当主流与支流夹角、流量分配系数受水头变化影响时的非线性分析。重点讲解了水头损失系数（K值）的经验确定与CFD模拟验证方法。 第五部分：水工结构的抗震设计与非线性分析 本部分聚焦于水工结构在地震作用下的动力响应与安全性评估。 第13章：水-结构耦合振动理论 阐述了地震作用下水库水体与混凝土坝体之间的耦合振动模型。重点讨论了空化效应在动力分析中的修正方法。 第14章：岩石基础的非线性地震响应 针对高坝和大型水电站的岩石基础，本章采用了基于接触面法的有限元模型，模拟地震波传播过程中裂隙和断层带的张开与闭合，评估基础的整体刚度和稳定性。 第15章：结构裂缝扩展的寿命预测 引入了断裂力学原理，分析了混凝土结构中由温度变化和荷载循环引起的疲劳裂缝扩展速率，并据此对结构的剩余使用寿命进行概率预测。 第六部分：计算机辅助设计与优化方法 本部分介绍了现代水利工程设计中广泛采用的先进计算工具和方法。 第16章：计算流体力学（CFD）在水工结构分析中的应用 详细介绍了基于有限体积法的二维和三维流场求解器，并重点展示了如何利用CFD模拟复杂水力现象，如湍流脉动、空化现象的发生区域预测。 第17章：结构拓扑优化与参数化设计 探讨了如何利用遗传算法（GA）和粒子群优化（PSO）算法，在满足水力性能和结构安全约束的条件下，优化重力坝的横断面形状或消能工的几何布局，以达到最小化材料用量或最小化水头损失的目标。 第18章：地理信息系统（GIS）与工程设计集成 展示了如何利用GIS平台集成地质勘察数据、遥感影像和水文模型输出，构建数字流域模型，为工程选址和环境影响评估提供空间决策支持。 第19章：水库调度规则的动态优化 引入了模型预测控制（MPC）理论，用于复杂多库系统的实时优化调度，以平衡发电、防洪和供水等相互冲突的目标。 第20章：工程风险管理与全生命周期评估 构建了从设计、施工到运营维护的风险矩阵。探讨了如何通过成本效益分析和风险量化指标，对不同设计方案的经济性和可靠性进行综合评价。 本书的深度和广度，确保了读者不仅能掌握传统水工结构的设计规范，更能理解驱动这些规范背后的先进科学原理，从而应对未来水利工程日益复杂的挑战。全书配有丰富的工程案例分析和专业图表，是水利领域专业人士不可或缺的参考书。
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