1.2.1.1　水利工程中的理论力学问题

理论力学是研究物体机械运动一般规律的学科，内容分为两大部分：工程静力学和工程动力学。工程静力学研究物体在力系作用下的平衡规律及力学的简化；工程动力学从几何角度研究物体的机械运动以及研究物体运动变化与所受力之间的关系，其内容又分为运动学和动力学两部分。

水利工程中的理论力学问题具体如下。

（1）水利工程中的静力学问题：水利工程中的不同建筑物，如水闸、水坝、水电站、渡槽、桥梁、隧洞等，为了承受一定荷载以满足各种使用要求，其受力一般必须满足力系的平衡条件，比如设计水电站的厂房结构时，要先对屋架、吊车梁、柱、基础等构件进行受力分析，根据应用力系的平衡条件求出这些力中的未知量，然后设计这些构件的断面尺寸及钢筋的配置等。静力学研究是水利工程建设的基础。

（2）水利工程中的运动学问题：水工建筑物在泄洪时的水流和发电过程中的水流的运动规律研究离不开运动学理论；水电站厂房里的吊车门机在起吊水轮机、发电机、闸门等设备时，设备的运动轨迹可以根据运动学理论进行计算。

（3）水利工程中的动力学问题：研究物体在不平衡力系作用下将如何运动，涉及物体本身的属性和所作用的力，并对物体的机械运动做全面的分析。如水电站厂房结构、桥梁和大坝在动荷载作用下的振动，以及各类建筑物的抗震问题等；溢流坝泄洪时水流对坝体的作用力，水力发电过程的水锤现象，水流流过水轮机对其产生的作用力，溢洪道泄槽中水流的运动规律及转弯时的运动稳定问题等；还有起重机起吊或重物下降时突然刹车所发生的超重现象，定向爆破山石的落点估计等都要用到动力学理论。

1.2.1.2　水利工程中的材料力学、结构力学问题

材料力学是研究构件的强度、刚度和稳定性规律的学科，它的任务是建立构件在外力作用下的应力、应变、位移等的理论公式，确定材料的破坏准则，对构件进行强度、刚度、稳定性计算和评价。

结构力学是研究工程结构在静力、动力等各种荷载，温度变化，支座位移等因素作用下强度、刚度和稳定性的计算原理、计算方法以及结构组成规律和合理形式的一门学科。

水工建筑物既对水起制约作用，又承受水的作用。其中有服务于多目标的通用性水工结构物，如各种水坝、水闸、隧洞、渡槽、泵站、堤防和整治建筑物等；也有服务于单目标的专用结构物，如水电站厂房与压力管道、船闸与升船机、码头、水处理厂和水土保持等建筑物。

水利工程中水工建筑物的设计、优化和验证与材料力学、结构力学关系非常密切。水工建筑物的结构形式、尺寸、材料、细部结构和地基处理措施等诸多因素的确定，水工结构的应力、变形、沉降、稳定性和耐久性等诸方面是否符合要求的验证，均得依靠材料力学、结构力学等力学的理论分析、实验研究和数值计算的结果给出量化的回答。因此，建设高标准的水利工程必须具有高水平的力学研究手段。

研究上述水工结构的工作条件，描述其在外来因素（如水压、结构自重、泥沙压力、渗透压力、温度变化、地震载荷等）作用下引起的内部响应（如变形、应力、塑性屈服区或脆性开裂区等）是材料力学、结构力学等力学学科的任务，也是建立水工结构的设计理论、分析和优化方法以及制定水工结构设计规范标准的重要依据。因此可以说，材料力学、结构力学是水工结构的最重要的基础力学之一。

1.2.1.3　水利工程中的水力学问题

水力学是水利工程专业重要的专业基础课，要求掌握水流运动的基本概念、基本理论和分析方法，能够分析水利工程中一般的水流现象，学会常见的工程水力计算。水利工程中的水力学问题一般包含有压管流、明渠流、堰流与闸孔出流、水流衔接与消能、船闸与渠化工程中的水力学、流态等内容。

1.水利工程及其他相关工程技术的发展促进了水力学的发展

我国古代修建了都江堰、灵渠和郑国渠等工程，在实践中积累、具备了液体力学的经验知识；文艺复兴时期意大利达·芬奇在实验水力学方面获得巨大进展，用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象，描述了波浪运动、管中水流和波的传播、反射和干涉；18世纪初，欧拉和伯努利推动了经典水动力学的迅速发展。18世纪末至整个19世纪，形成了两个相互独立的研究方向：①开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等人运用数学分析的理论流体动力学；②谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人依靠实验的应用水力学，提出了各种实用的经验公式。19世纪末，雷诺理论及实验研究、布金汉因次分析、弗劳德的船舶模型实验等流体力学的发展，更多地有了理论指导。由于发现流体边界部位的水力学差异性，20世纪初普朗特发现边界层理论，把无黏性理论和黏性理论联系起来。

2.大量水利工程的兴建引发了许多与水力学有关的新问题(www.daowen.com)

20世纪快速发展的经济建设涉及越来越复杂的水力学问题，如高浓度泥沙河流的治理、高水头水力发电的开发、输油干管的敷设、采油平台的建造、河流湖泊海港污染的防治等，从而推动水力学的研究方向不断发展变化，如从定床水力学转向动床水力学，从单向流动到多相流动，从牛顿流体规律到非牛顿流体规律，从流速分布到温度和污染物浓度分布，从一般水流到产生掺气、气蚀的高速水流等。

1.2.1.4　水利工程中的岩土力学问题

土力学是研究土的工程特性的科学，即土体内应力应变之间的关系以及应力-应变-时间三者之间的关系，具体研究土的变形性质、地基沉降计算、土的抗剪强度、土压力、土坡稳定性、天然地基承载力、地基处理、土的动力及地震特性等内容。水利工程建设面临许多土力学问题，如土质堤坝控制沉降变形，边坡的安全评价与防灾减灾措施设计等等。

岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的科学。考虑岩体的结构、赋存条件、工程类型与载荷性质、非连续性及加载速率等，研究岩体力学性质、变形、强度及破坏等的结构效应；关于岩体的水力学特性，岩石变形的流变特性与时间效应，岩石地基或围岩与构筑物及建筑物的相互作用等等。世界范围内的大型或特大型工程，例如，英吉利海底隧道、日本青函海底隧道、美国赫尔姆斯水电站地下厂房、加拿大亚当贝克水电站地下压力管道、美国鲍尔德水库重力大坝、日本关门铁路隧道、巴西伊太普水电站、尼亚加拉水电站，以及我国葛洲坝水利工程、新丰江水库、二滩水电站、青海关角铁路隧道、三峡水利工程和小浪底水利工程等的兴建提出了许多岩体力学方面的棘手问题。在工程的设计和施工中，要求深入、系统地研究岩石的变形性状、破坏机理及其力学模型，从而在工程设计中预测岩石工程的可靠性和稳定性，并使工程尽可能的经济，其中的岩体力学问题往往具有决定性的作用。

1.土质堤坝的土力学问题

堤坝需要承受上部建筑及挡水体的载荷，使堤坝产生相应的变形，在重力方向产生沉降，包括不均匀沉降、相邻部位的沉降差、平均总沉降等。出现沉降会对整个建筑的力学特性产生很大的影响，如应力分布不均会导致堤坝产生裂缝，影响工程正常使用。因此，在工程项目开始之前，准确地估计出沉降数据，在此基础上采取必要的措施以避免沉降造成的影响，可大大提升工程项目的质量和使用寿命。

2.水利工程基础中的岩土力学问题

（1）土质基础承载力。基础承受上部水工建筑物传来的载荷，要满足强度要求、刚度要求及稳定性要求，以确保整个水工建筑物的稳定性。由于岩土材料的复杂性，掌握其力学性质是一个难题。

（2）基岩地质缺陷。如肯尼亚的卡利达电站厂房，由于有几条断层在开工前没有发现，在以后施工过程中造成了很多困难。

3.水利工程边坡中的岩土力学问题

边坡工程根据地层材料不同可分为土质边坡、岩质边坡。水利工程涉及大量的边坡工程（如库岸边坡、坝肩两岸边坡、渠道边坡），涉及边坡稳定、边坡防护和边坡处理的岩土力学问题。

土质边坡防护的重要方法是构筑挡土墙。挡土墙是防止土体坍塌下滑的构筑物，在市政工程、铁路公路工程、水利工程、山区建设等领域都有着十分广泛的应用。挡土墙在工程项目中，对于稳定局部的土体结构，保证整个工程的稳定性十分重要；但要构筑性能优良的挡土墙，就必须结合土力学理论，对挡土墙进行土压力分析。土压力是指挡土墙背部土体因为自重或者外力对挡土墙施加的侧向压力。土压力是挡土墙主要的外载荷，设计时要对土压力的性质、大小、方向、作用点有清晰的认识。

库岸边坡如有倾向水库内的滑动面，且沿滑动面蠕动，岩石可能沿这一滑面整体塌下来，要研究这个滑面，必须针对岩石的性质进行静力学和动力学研究。岩体性质不仅取决于节理裂隙的发育程度和方向，还取决于岩体的大小，如取一小块岩体进行研究，与取整个坝肩或取一个洞室整个围岩研究相比，前者强度可以是后者的5～10倍。

4.水工洞室中的岩石力学问题

大规模洞室群和长距离、大埋深水工隧洞在国内外许多水利工程中已被大量采用。对岩体施加荷载的持续时间不同，加载的速度不同，岩体的反应情况完全不一样，岩体变形和时间的密切关系在隧洞开挖中已经得到证实，围岩大都表现出强烈的流变特性，遇到的软弱围岩具有更明显的流变特性。水对岩石的性态影响也很大，内部水压力的作用下岩石有变软趋势。