课程名称：水力学            适用专业：港口航道与海岸工程

开课学院：土木与港海工程学院    主讲教师：董啸天

课程简介：

《水力学》是港口航道与海岸工程专业的一门重要专业必修课，系统介绍了液体平衡和机械运动规律及其工程应用，具有较强的理论性、系统性和实用性，是学习港口航道与海岸工程专业其他专业课程的重要基础，并为将来在港口航道与海岸工程各个领域从事专业技术工作打下基础。

通过本课程的学习，学生能够了解液体在静止和运动状态下以及与各类物体相互作用的基本特性。本课程要求学生掌握专业技术相关基础知识、水力学计算以及工程设计能力和语言表达能力。

水是生命之源，学好《水力学》，有助于解决液体的机械运动规律工程问题；结合水力学课程教学专业内容，通过历史人物、典型工程以及基本理论和方法的哲学思考，培养学生正确的世界观、人生观和价值观，崇高的理想和爱国主义情怀，可以使学生的思想政治素养在掌握专业知识的同时得到全面的提升。

一、章节名称

第八章 明渠非均匀流

8.9 明渠弯段水流

二、章节教学目标

1. 知识目标

了解弯道水流在自然界中的分布，理解弯道水流力学特征、横向水面高差形成的机理，掌握弯道断面环流成因与特征、弯段明渠泥沙运动特性。

2. 思政目标

引导学生学生认识到弯道水流的广泛存在，并以年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程——都江堰为例，分析弯道水流和泥沙运动规律在都江堰水利工程中的应用，介绍都江堰水利工程如何解决引水、泄洪、排沙等诸多问题，正常运行了2279年，造就了繁荣富饶的“天府之国”。

以此引导学生认识到中国人民对科学规律的不懈探索，对美好生活的努力追求，以及坚韧有为、自强不息的民族精神，激发学生的科学探索精神、民族自豪感和爱国情怀。

三、案例设计与内容

1. 引入

都江堰水利工程修建前，水流量巨大且流速湍急的岷江在夏季山洪暴发时，江水会由灌县（都江堰市）流入成都平原，引发洪灾，洪水退去后留下千里沙石。再加上灌县岷江东岸的玉垒山阻碍江水东流，致使成都平原常年遭受旱涝灾害的困扰。公元前272年，李冰父子为根治岷江水患，率当地群众因地制宜、乘势利导修建了都江堰水利工程。

截至目前，都江堰水利工程建成至今已有2279年，位置关键、选址精妙，由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口主体工程和各类附属工程组成，三大工程首尾呼应、联合运行，科学地解决了引水、泄洪、排沙等诸多问题，造就了繁荣富饶的“天府之国”。

在漫长的发展历程中，历代都江堰治水者上下求索，励精图治，探寻都江堰的最佳布局和工程构造，促进了都江堰治水技术和制度的不断发展，孕育出极具魅力、内涵丰富的都江堰水文化。

习近平总书记指出：“都江堰是根据岷江的洪涝规律和成都平原悬江的地势特点，因势利导建设的大型生态水利工程，不仅造福当时，而且泽被后世。”。联合国世界遗产委员会将都江堰列入世界文化遗产名录，赞誉其为“全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程”。2018年8月，都江堰被列入世界灌溉工程遗产名录。

那么，要分析都江堰水利工程的功能，我们就需要先掌握弯道水流规律。

图1 都江堰水利工程示意图

2. 弯道水流力学特征、水面高程、断面环流及输沙规律

（1）弯道明渠特征：

平面弯曲；横断面呈不对称；

（2）弯道水流运动特点：

1）水位沿横向呈曲线变化，凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧，水面横比降Jz=αU2/(gR)；

2）水流纵比降Jx在凹岸侧和凸岸侧不同；

3）表层水流向凹岸，底层水流向凸岸，横向上形成环流；

4）纵向垂线平均流速在凹岸一侧远大于凸岸一侧，其最大值不在最大水深处，而是偏向凸岸；

5）在弯道进口段或在弯道上游的过渡段，主流常偏靠凸岸一侧；进入弯道后，主流逐渐向凹岸转移，至弯顶稍上部位，主流才偏靠凹岸；主流逼近凹岸的位置叫顶冲点，自顶冲点以下相当长的距离内，主流紧贴凹岸。

6）主流线的另一特点是低水傍岸，高水居中，俗称低水走弯，高水走滩；相应的，主流对凹岸的顶冲部位，则出现低水上提，高水下挫，低水时顶冲部位在弯顶附近或弯顶稍上，高水时顶冲部位在弯顶以下。

（3）弯道水流力学特征：

弯道水流是在重力与惯性离心力共同作用形成的，由水流受力分析可推导出弯道水流水面线形态，进一步可以表示出弯道水流横断面凹岸和凸岸的高差，也即超高。

图2 弯道水流受力分析

（4）断面环流成因分析：

由于断面上凹岸和凸岸之间的水面线存在梯度，在分析水压力和离心力随水深的变化，将它们的垂线分布进行合力分析，不难发现：表层水体受力指向凹岸，底层则指向凸岸。

由图可以看出，该合力分布构成一个力矩，使水流产生横向旋转运动，这就是弯段断面环流形成的主要原因。

图3 左图为矩形弯段明渠示意图，（a）为惯性离心力沿垂线分布，（b）为动水压

力分布，（c）为动水压力差，（d）为合力沿垂线分布

（5）弯道水流输沙规律：

横向上，由于存在横向环流，环流上部指向凹岸，下部指向凸岸，含沙量上小下大，横向输沙不平衡，形成凹岸冲刷、凸岸淤积。

纵向上，汛期冲槽淤滩，枯期冲滩淤槽，纵向基本平衡。

泥沙由弯道凹岸输移到下游弯道同一岸（凸岸）的，称为同岸输移，输移到本河湾的凸岸和下游弯道的另一岸（凹岸）的称为异岸输移。

3. 都江堰水利工程中蕴含的弯道水流原理

都江堰的鱼嘴是灵魂工程，把岷江分为内江和外江，内江位于凹岸，外江位于凸岸。由于内江河床低于外江，在枯水季河流中泓线靠近凹岸，六成水流入位于凹岸的内江，保障灌溉和生活用水的需要。在丰水期，水位高，河流中泓线相对顺直，由弯道水流规律可知，六成水由位于凸岸的外江排泄，保障了泄洪需要；宝瓶口壅高水位，可使水流由飞沙堰排出，两个方面均可保障泄洪安全。

由于弯道水流呈逆时针螺旋形前进，含有少量泥沙的表层水流向凹岸的内江，携带大量沙石的底层水流流向凸岸的外江并被排走，保障了排沙的需要。飞沙堰是内江凹岸的低矮堰坝，宝瓶口顶托水流形成逆时针漩涡，可将沙石由飞沙堰排出，剩余的泥沙在内江回水区“凤栖窝”沉淀，并由河工淘出，三个方面均可保障排沙的需要。

4. 明确都江堰水利工程思政点

都江堰水利工程是年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的伟大的水利工程，是中华民族水利工程奇迹。都江堰水利工程既存在于过去，也存在于现在，也将存在于未来，它的规模虽并不宏大，但这是活着的水利工程奇迹。直到今天，都江堰水利工程已建成2279年，还一直在投入使用，2008年更是经受住了汶川大地震的残酷考验。都江堰水利工程是中国历代治水者上下求索、励精图治才得以建立并成功使用至今的，不仅孕育出极具魅力、内涵丰富的都江堰水文化，呈现了中国人民积极探索水利规律、追寻美好生活的光辉征程，也体现了中华民族坚韧有为、自强不息的民族精神。

四、教学效果与反思

课程思政过程很好地贯彻了“春风化雨入心田，润物无声孕新知”的理念，不是单独把思政模块独立于教学过程中其他模块来进行，摆脱了课程思政与课程内容的泾渭分明，充分做到深度融合和完美切换。通过学生上课状态，学生评价等多方面表明，教学效果优秀，思政目标达标。这一案例的实践，使学生脱离说教式思政，潜移默化中培养学生的正确世界观、人生观和价值观。在掌握知识技能的同时，树立为中华民族伟大复兴贡献力量。在爱国情怀核心教育的驱动下，帮助学生树立正确的人生目标，立志为国家、为民族的伟大复兴而奋斗的伟大目标！