船閘水力計(jì)算

1、第五章：第五章： 船閘水力計(jì)算船閘水力計(jì)算 船閘水力計(jì)算的任務(wù)船閘水力計(jì)算的任務(wù)o 在船閘總體布置設(shè)計(jì)基本完成后，應(yīng)根據(jù)閘室輸在船閘總體布置設(shè)計(jì)基本完成后，應(yīng)根據(jù)閘室輸水時(shí)間、船只停泊條件以及船閘安全運(yùn)行的條件要求水時(shí)間、船只停泊條件以及船閘安全運(yùn)行的條件要求進(jìn)行水力計(jì)算，提出輸水系統(tǒng)各主要部分的尺寸和布進(jìn)行水力計(jì)算，提出輸水系統(tǒng)各主要部分的尺寸和布置，并反復(fù)驗(yàn)算設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。置，并反復(fù)驗(yàn)算設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。o 輸水系統(tǒng)水力指標(biāo)是船閘能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。輸水系統(tǒng)水力指標(biāo)是船閘能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。o 目標(biāo)目標(biāo)：輸水時(shí)間閘室停泊條件（簡(jiǎn)單）消能工輸水時(shí)間閘室停泊條件（簡(jiǎn)單）消能工o 使

2、輸水系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求、船閘設(shè)計(jì)規(guī)范的要求、使輸水系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求、船閘設(shè)計(jì)規(guī)范的要求、能夠良好運(yùn)行能夠良好運(yùn)行（實(shí)例，八十年代末期）（實(shí)例，八十年代末期）。b 水力計(jì)算的主要內(nèi)容：水力計(jì)算的主要內(nèi)容：（1）輸水閥門處廊道斷面面積）輸水閥門處廊道斷面面積（查表）（查表）；（2）輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)）輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù)和流量系數(shù)；（3）閥門開啟時(shí)間閥門開啟時(shí)間tv和閘室輸水時(shí)間和閘室輸水時(shí)間T；分散輸水應(yīng)計(jì)；分散輸水應(yīng)計(jì)算輸水廊道換算長度算輸水廊道換算長度lp；（4）閘室水力特性曲線；）閘室水力特性曲線；（5）過閘船舶（隊(duì)）在閘室和引航道內(nèi)的停泊條件；）過閘船舶（隊(duì)）在閘室和引航道內(nèi)的停泊

3、條件；（6）密封式輸水閥門后廊道頂部的壓力水頭，開敞式）密封式輸水閥門后廊道頂部的壓力水頭，開敞式輸水閥門后的水躍；輸水閥門后的水躍；（7）廊道工作條件：轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)及局部點(diǎn)最低壓力水）廊道工作條件：轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)及局部點(diǎn)最低壓力水頭；輸水閥門的工作空化數(shù)。頭；輸水閥門的工作空化數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 船閘水力計(jì)算的一般方程式船閘水力計(jì)算的一般方程式 船閘灌、泄水過程中，受水位差、閥門開度及阻力船閘灌、泄水過程中，受水位差、閥門開度及阻力系數(shù)等影響，閘室水位、輸水流量、能量等參數(shù)均隨時(shí)系數(shù)等影響，閘室水位、輸水流量、能量等參數(shù)均隨時(shí)間變化，輸水廊道中的水流為間變化，輸水廊道中的水流為非恒定流非恒定流。 f

4、(H、Q、E、n.)t （曲線曲線） 廊道中流量從灌泄水初期為零逐漸上升至最大，然后廊道中流量從灌泄水初期為零逐漸上升至最大，然后又逐漸下降到零，進(jìn)入閘室和引航道水流在起內(nèi)都將發(fā)又逐漸下降到零，進(jìn)入閘室和引航道水流在起內(nèi)都將發(fā)生生非恒定非恒定的水流運(yùn)動(dòng)，并引起所謂的的水流運(yùn)動(dòng)，并引起所謂的“長波運(yùn)動(dòng)長波運(yùn)動(dòng)”。圖圖5-19 船閘輸水計(jì)算示意圖船閘輸水計(jì)算示意圖 對(duì)于直立式閘室墻的船閘輸水，從水流運(yùn)動(dòng)的連對(duì)于直立式閘室墻的船閘輸水，從水流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)條件可得：續(xù)條件可得：tQ 由于非恒定長波運(yùn)動(dòng)的波幅相對(duì)于水深由于非恒定長波運(yùn)動(dòng)的波幅相對(duì)于水深（特別是高（特別是高水頭船閘）水頭船閘）總是很小的，因

5、而在建立船閘灌泄水基本方總是很小的，因而在建立船閘灌泄水基本方程式時(shí)，一般程式時(shí)，一般假定假定: （1）引航道水面是固定不變的；）引航道水面是固定不變的； （2）閘室水面是以水平面升降的。）閘室水面是以水平面升降的。 有壓流流量公式：有壓流流量公式：o 根據(jù)前述的各種輸水型式，船閘的輸水方式分為三角閘門門縫出流，根據(jù)前述的各種輸水型式，船閘的輸水方式分為三角閘門門縫出流，有壓孔口和管道出流三種。有壓孔口和管道出流三種。o 各種輸水方式的流量分別為：各種輸水方式的流量分別為：o對(duì)三角閘門門縫輸水對(duì)三角閘門門縫輸水，根據(jù)美國的試驗(yàn)資料則有：，根據(jù)美國的試驗(yàn)資料則有：o o Qt瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水流量

6、，的輸水流量，m3/s；o d 三角閘門門縫輸水的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為三角閘門門縫輸水的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為0.55（經(jīng)驗(yàn)數(shù)）（經(jīng)驗(yàn)數(shù)）；o t 瞬時(shí)瞬時(shí)t，三角閘門門縫輸水的總面積，三角閘門門縫輸水的總面積，m2；可取為低水；可取為低水位以下的輸水面積加高水位與低水位之間輸水面積的位以下的輸水面積加高水位與低水位之間輸水面積的2/3； Ht 瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水有效水頭。的輸水有效水頭。ttdtgHQ2對(duì)有壓的孔口出流對(duì)有壓的孔口出流（閘門上開小門或閘門門下輸水）：（閘門上開小門或閘門門下輸水）： o （5-3） tttgHQ2有壓孔口出流的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為有壓孔口出

7、流的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為0.60.62； Ht 瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水有效水頭。對(duì)有壓孔口非淹沒出流為孔口中心到的輸水有效水頭。對(duì)有壓孔口非淹沒出流為孔口中心到上游水位的高度，對(duì)三角閘門門縫出流及有壓孔口淹沒出流為上下上游水位的高度，對(duì)三角閘門門縫出流及有壓孔口淹沒出流為上下游水位差，游水位差，m； g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2； 瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水孔口面積，的輸水孔口面積，m2；上兩式中：上兩式中：o 有壓孔口出流的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為有壓孔口出流的流量系數(shù)，可假定為常數(shù)，取為0.60.62；o Ht 瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水有效水頭。對(duì)有壓孔口非淹沒的輸水有效水頭。對(duì)有壓

8、孔口非淹沒出流為孔口中心到上游水位的高度，對(duì)三角閘門門縫出出流為孔口中心到上游水位的高度，對(duì)三角閘門門縫出流及有壓孔口淹沒出流為上下游水位差，流及有壓孔口淹沒出流為上下游水位差，m；o g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2；o 瞬時(shí)瞬時(shí)t的輸水孔口面積，的輸水孔口面積，m2； 有壓的管道出流是船閘輸水最常用的方式，此時(shí)有壓的管道出流是船閘輸水最常用的方式，此時(shí)若考慮船閘輸水廊道內(nèi)水體的慣性影響，為求得船若考慮船閘輸水廊道內(nèi)水體的慣性影響，為求得船閘廊道輸水非恒定流的一般方程式，閘廊道輸水非恒定流的一般方程式，以任意平面以任意平面0-0為基準(zhǔn)面，在船閘灌、泄水過程中，相鄰兩閘室（或閘為

9、基準(zhǔn)面，在船閘灌、泄水過程中，相鄰兩閘室（或閘室與上、下游）水面之間的伯努利方程式可寫為：室與上、下游）水面之間的伯努利方程式可寫為：注意與不可壓縮恒定元流方程的區(qū)別？注意與不可壓縮恒定元流方程的區(qū)別？一、不考慮慣性水頭影響的水力計(jì)算一、不考慮慣性水頭影響的水力計(jì)算各種輸水閥門的各種輸水閥門的值表值表 表5.2二、二、 考慮慣性水頭影響的水力計(jì)算考慮慣性水頭影響的水力計(jì)算o 由式（由式（5-27）可知，當(dāng)水位差）可知，當(dāng)水位差 時(shí)，流速時(shí)，流速 ，輸，輸水仍在繼續(xù)進(jìn)行。只有當(dāng)水仍在繼續(xù)進(jìn)行。只有當(dāng) 時(shí)，流速才為零。時(shí)，流速才為零。o 這就意味著，灌水時(shí)閘室水位超過齊平水位達(dá)這就意味著，灌水時(shí)閘

10、室水位超過齊平水位達(dá)d值，泄水時(shí)間值，泄水時(shí)間閘室水位可下降至齊平水位以下達(dá)閘室水位可下降至齊平水位以下達(dá)d值。亦即灌、泄水末了，閘室值。亦即灌、泄水末了，閘室水位將以齊平水位為中心，以最大振幅值上下波動(dòng)并逐漸衰減。水位將以齊平水位為中心，以最大振幅值上下波動(dòng)并逐漸衰減。o 分散輸水系統(tǒng)慣性水頭值可達(dá)分散輸水系統(tǒng)慣性水頭值可達(dá)0.51.0m。如不采取措施，將。如不采取措施，將對(duì)船閘的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響，如形成作用在閘門上較大的反向水對(duì)船閘的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響，如形成作用在閘門上較大的反向水頭將人字閘門頂開，惡化閘室內(nèi)的停泊條件等。頭將人字閘門頂開，惡化閘室內(nèi)的停泊條件等。0tH0dHt練習(xí)題o 1

11、 1、思考：船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足哪些基本要求？、思考：船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足哪些基本要求？o 2 2、簡(jiǎn)述什么是輸水廊道換算長度？、簡(jiǎn)述什么是輸水廊道換算長度？o 3 3、根據(jù)短廊道輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的基本方程式的積分、根據(jù)短廊道輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的基本方程式的積分表達(dá)式：表達(dá)式：tHHHtttHdgCdtt2031122kgHCT（提示：（提示：303tdttt， t t3 3為閥們?nèi)_時(shí)間）為閥們?nèi)_時(shí)間） 試推導(dǎo)灌泄水時(shí)間試推導(dǎo)灌泄水時(shí)間T T表達(dá)式：表達(dá)式： 第二節(jié)第二節(jié) 水力特性曲線的繪制水力特性曲線的繪制 繪制水力特性曲線的目的：繪制水力特性曲線的目的： （1）了解輸水過程中所有水力

12、特性的變化情況及其）了解輸水過程中所有水力特性的變化情況及其參數(shù)的最大值；參數(shù)的最大值； （2）進(jìn)一步進(jìn)行水力計(jì)算的需要，如核算船舶停泊）進(jìn)一步進(jìn)行水力計(jì)算的需要，如核算船舶停泊條件、閥門工作條件等。條件、閥門工作條件等。1、流量系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線、流量系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線o 對(duì)于閥門上開小門輸水、閘門門下輸水以及三角門對(duì)于閥門上開小門輸水、閘門門下輸水以及三角門門縫輸水的流量系數(shù)均可認(rèn)為是不變的，而輸水孔口面門縫輸水的流量系數(shù)均可認(rèn)為是不變的，而輸水孔口面積是變化的。積是變化的。o 閥門全開以后的流量系數(shù)常數(shù)，閥門開啟過程中，閥門全開以后的流量系數(shù)常數(shù)，閥門開啟過程中，其值為：其值為：o o

13、（5-30）cvnt1式中：式中：o 瞬時(shí)瞬時(shí)t，輸水系統(tǒng)流量系數(shù)；，輸水系統(tǒng)流量系數(shù)；o 與時(shí)間與時(shí)間t相當(dāng)?shù)拈y門開度為相當(dāng)?shù)拈y門開度為n時(shí)的閥門局部阻力時(shí)的閥門局部阻力系數(shù)，可按不同閥門型式由表（系數(shù)，可按不同閥門型式由表（5.2）選用；）選用； o 閥門井或門槽的阻力系數(shù)閥門井或門槽的阻力系數(shù)o 對(duì)平面閥門對(duì)平面閥門 =0.25，對(duì)反弧形閥門，對(duì)反弧形閥門 =0；o 閥門全開后處理閥門段以外的輸水廊道阻力系閥門全開后處理閥門段以外的輸水廊道阻力系數(shù)，包括進(jìn)口、攔污柵、轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、收縮等局部阻力系數(shù)，包括進(jìn)口、攔污柵、轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、收縮等局部阻力系數(shù)以及沿程摩阻損失的阻力系數(shù)。數(shù)以及沿程摩阻

14、損失的阻力系數(shù)。tttvnc2、水位差與時(shí)間關(guān)系曲線、水位差與時(shí)間關(guān)系曲線o （1）對(duì)于可以用解析式表示水位差與時(shí)間關(guān)系的）對(duì)于可以用解析式表示水位差與時(shí)間關(guān)系的各種輸水情況，只要求出各個(gè)計(jì)算時(shí)刻，就可直接得到各種輸水情況，只要求出各個(gè)計(jì)算時(shí)刻，就可直接得到各個(gè)時(shí)刻的水位差值。各個(gè)時(shí)刻的水位差值。o （2）另外一種方法是分時(shí)段逐點(diǎn)計(jì)算。對(duì)淹沒處）另外一種方法是分時(shí)段逐點(diǎn)計(jì)算。對(duì)淹沒處流廊道輸水的一般情況，在閥門開啟過程中任一時(shí)段末流廊道輸水的一般情況，在閥門開啟過程中任一時(shí)段末的水位差，當(dāng)忽略慣性影響時(shí)，可按下式計(jì)算：的水位差，當(dāng)忽略慣性影響時(shí)，可按下式計(jì)算：o o （5-31）212)22(

15、Cgthhmto 閥門全開后，當(dāng)考慮慣性影響時(shí)，任一時(shí)段末的水閥門全開后，當(dāng)考慮慣性影響時(shí)，任一時(shí)段末的水位差可按下式計(jì)算：位差可按下式計(jì)算：o （5-32）o 式中：式中：o d慣性水頭，慣性水頭，m，對(duì)集中輸水系統(tǒng)可取為零。，對(duì)集中輸水系統(tǒng)可取為零。212)22(Cgtdhh1701801902002102200150300450600750900t （s）閘室水位（m）-50050100150200250流量（m3/s）流量閘室水位215水位閥門開度 水位流量閥門閥門上閥門( ) 灌水過程閥門開度 水位1.01.51.02.51.52.5關(guān)門時(shí)間()開門時(shí)間()組合一主閥門閥門閥門(b)

16、 泄水過程閥門閥門下閥門流量第三節(jié)第三節(jié) 船舶停泊條件的估算船舶停泊條件的估算 閘室灌泄水而引起的非恒定流以及局部水流，對(duì)船閘室灌泄水而引起的非恒定流以及局部水流，對(duì)船舶停泊將產(chǎn)生動(dòng)水作用力，使系船纜繩產(chǎn)生拉力。舶停泊將產(chǎn)生動(dòng)水作用力，使系船纜繩產(chǎn)生拉力。由于影響船舶纜繩拉力大小及變化的因素相當(dāng)復(fù)雜，由于影響船舶纜繩拉力大小及變化的因素相當(dāng)復(fù)雜，目前該拉力的確定還不能從理論分析上得到滿意的解目前該拉力的確定還不能從理論分析上得到滿意的解答，主要借助于水工模型試驗(yàn)。答，主要借助于水工模型試驗(yàn)。一、閘室內(nèi)船舶的停泊條件一、閘室內(nèi)船舶的停泊條件 進(jìn)行纜繩拉力估算時(shí)，對(duì)船舶在閘室內(nèi)的?？亢拖挡礂l進(jìn)行纜

17、繩拉力估算時(shí)，對(duì)船舶在閘室內(nèi)的?？亢拖挡礂l件作如下件作如下假設(shè)假設(shè)： 船舶位于閘室縱軸線上，且沒有任何水平位移。船舶位于閘室縱軸線上，且沒有任何水平位移。 船舶的豎向位移不影響纜繩拉力的水平分力（浮式系船舶的豎向位移不影響纜繩拉力的水平分力（浮式系船設(shè)施）。船設(shè)施）。 在這樣的條件下，計(jì)算得出的船舶所受的動(dòng)力作用力，在這樣的條件下，計(jì)算得出的船舶所受的動(dòng)力作用力，即為纜繩拉力的縱向分力（實(shí)驗(yàn)可以測(cè)到船舶的橫向系纜即為纜繩拉力的縱向分力（實(shí)驗(yàn)可以測(cè)到船舶的橫向系纜力）。閘室灌水時(shí)，閘室內(nèi)船舶將受到波浪運(yùn)動(dòng)、縱向流速力）。閘室灌水時(shí)，閘室內(nèi)船舶將受到波浪運(yùn)動(dòng)、縱向流速以及局部水流所產(chǎn)生的動(dòng)水作用力

18、。以及局部水流所產(chǎn)生的動(dòng)水作用力。1、波浪力、波浪力o 灌水時(shí)，閘室內(nèi)的非恒流所形成的長波運(yùn)動(dòng)將使閘灌水時(shí)，閘室內(nèi)的非恒流所形成的長波運(yùn)動(dòng)將使閘室水面產(chǎn)生傾斜。當(dāng)閘室內(nèi)停泊的船舶（隊(duì)）的長度等室水面產(chǎn)生傾斜。當(dāng)閘室內(nèi)停泊的船舶（隊(duì)）的長度等于或接近閘室長度時(shí)，沿船舶的最大水面坡降為：于或接近閘室長度時(shí)，沿船舶的最大水面坡降為：o o （533）)(1xgtQicmo 停泊在傾斜水面上的船舶所受的縱向水平分力（波停泊在傾斜水面上的船舶所受的縱向水平分力（波浪力）浪力）o 考慮到船舶（隊(duì)）的長度小于閘室長度，且停泊在考慮到船舶（隊(duì)）的長度小于閘室長度，且停泊在閘室的任意位置上，灌水初期船舶所受的波

19、浪力表達(dá)式閘室的任意位置上，灌水初期船舶所受的波浪力表達(dá)式為：為：o （5-34）)(xDwtQgwiDPcmbgWim2、流速力、流速力 灌、泄水時(shí)，閘室內(nèi)灌、泄水時(shí)，閘室內(nèi)縱向流速縱向流速對(duì)船舶所產(chǎn)生的作用對(duì)船舶所產(chǎn)生的作用力和在有限水域中船舶力和在有限水域中船舶航行時(shí)受的阻力航行時(shí)受的阻力相仿。相仿。 對(duì)于集中輸水系統(tǒng)，閘室灌水所形成的波浪向下閘對(duì)于集中輸水系統(tǒng)，閘室灌水所形成的波浪向下閘首推進(jìn)時(shí)，部分流量將用于抬高沿程水位，因而是流首推進(jìn)時(shí)，部分流量將用于抬高沿程水位，因而是流量沿程逐漸減小，考慮到這一情況以及流速在閘室斷量沿程逐漸減小，考慮到這一情況以及流速在閘室斷面分布的不均勻性，

20、流速力可按船舶阻力的計(jì)算公式面分布的不均勻性，流速力可按船舶阻力的計(jì)算公式引用相應(yīng)的系數(shù)而得：引用相應(yīng)的系數(shù)而得：o 分散輸水系統(tǒng)閘室的縱向水流是由于出水支孔出分散輸水系統(tǒng)閘室的縱向水流是由于出水支孔出流不均勻產(chǎn)生的，其值很小，因而在一般情況下，流速流不均勻產(chǎn)生的，其值很小，因而在一般情況下，流速力可忽略不計(jì)。力可忽略不計(jì)。 在航道整治計(jì)算上灘能力時(shí)在航道整治計(jì)算上灘能力時(shí)o 水流阻力：水流阻力： o rFmVVAVfR47 . 183. 1坡降阻力：坡降阻力：eWJRJ航行阻力：航行阻力：RV+RJ (kg)3、局部力、局部力 局部力局部力閘室灌、泄水時(shí)，各種局部水流（如漩滾、閘室灌、泄水時(shí)

21、，各種局部水流（如漩滾、渦流、紊動(dòng)等）對(duì)停泊船舶的作用力。渦流、紊動(dòng)等）對(duì)停泊船舶的作用力。 由于局部水流的作用非常復(fù)雜、至今尚無完善的計(jì)由于局部水流的作用非常復(fù)雜、至今尚無完善的計(jì)算方法，須由水工模型試驗(yàn)加以確定。算方法，須由水工模型試驗(yàn)加以確定。 減小局部力；減小局部力； 集中輸水系統(tǒng)集中輸水系統(tǒng)消能；消能； 分散輸水系統(tǒng)分散輸水系統(tǒng)出水支孔的布置及消能措施上考出水支孔的布置及消能措施上考慮，出水支孔應(yīng)分布在閘室較大的范圍內(nèi)，支孔出流盡慮，出水支孔應(yīng)分布在閘室較大的范圍內(nèi)，支孔出流盡可能均勻，并充分消能?？赡芫鶆?，并充分消能。 分散輸水系統(tǒng)的水流是在較大范圍內(nèi)分散流入或流分散輸水系統(tǒng)的水流

22、是在較大范圍內(nèi)分散流入或流出閘室，水流對(duì)船舶的作用力較小，尤其是在泄水時(shí)它出閘室，水流對(duì)船舶的作用力較小，尤其是在泄水時(shí)它的值更小。因此分散輸水系統(tǒng)泄水時(shí)，閘室內(nèi)船舶的停的值更小。因此分散輸水系統(tǒng)泄水時(shí)，閘室內(nèi)船舶的停泊條件一般可不加考慮，而只需核算灌水時(shí)的停泊條件。泊條件一般可不加考慮，而只需核算灌水時(shí)的停泊條件。二、二、 引航道內(nèi)船舶的停泊條件引航道內(nèi)船舶的停泊條件 集中與分散輸水系統(tǒng)，引航道內(nèi)船舶的停泊條件計(jì)集中與分散輸水系統(tǒng)，引航道內(nèi)船舶的停泊條件計(jì)算相同算相同（旁側(cè)泄水例外）（旁側(cè)泄水例外）。 閘室灌、泄水時(shí)，在上下游引航道產(chǎn)生的非恒定流，閘室灌、泄水時(shí)，在上下游引航道產(chǎn)生的非恒定流

23、，同樣會(huì)對(duì)在引航道中等待過閘的船舶產(chǎn)生動(dòng)水作用力。同樣會(huì)對(duì)在引航道中等待過閘的船舶產(chǎn)生動(dòng)水作用力。由于停泊在引航道中的船舶離閘首較遠(yuǎn)，局部水流對(duì)船由于停泊在引航道中的船舶離閘首較遠(yuǎn)，局部水流對(duì)船舶的作用力很小。因此，引航道中船舶所受的動(dòng)力作用舶的作用力很小。因此，引航道中船舶所受的動(dòng)力作用為波浪力和流速力之和。為波浪力和流速力之和。 閘室灌（泄）水時(shí)，作用于停泊在上、下游引航道閘室灌（泄）水時(shí)，作用于停泊在上、下游引航道漸變段（擴(kuò)散段）末端的船舶（隊(duì)）的波浪力可按下式漸變段（擴(kuò)散段）末端的船舶（隊(duì)）的波浪力可按下式計(jì)算：計(jì)算：習(xí)題課習(xí)題課o 一分散式輸水系統(tǒng)船閘閘底橫支廊道一分散式輸水系統(tǒng)船閘

24、閘底橫支廊道o 船閘尺度：船閘尺度：180232.5mo 閘室水域面積：閘室水域面積：18023.o 設(shè)計(jì)水頭：設(shè)計(jì)水頭：203177.525.5mo 船舶尺度：船舶尺度：11110.81.6mo 排水量：排水量： 2500t1300to 廊道斷面：（寬廊道斷面：（寬高）高）3.64.0mo 閥門斷面：閥門斷面： 3.23.5mo 計(jì)算：計(jì)算：tv 、T、lp 、波浪力和流速力、波浪力和流速力o2.2 試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)o最不利水位組合：最不利水位組合：o上游：上游：203.0m（樞紐正常蓄水位）（樞紐正常蓄水位）o下游：下游：176.5m（下游最低通航水位）（下游最低通航水位）o閥

25、門勻速開啟時(shí)間閥門勻速開啟時(shí)間tv=70 s、120 s和和180 s（推薦采用（推薦采用tv=180 s）。）。o灌、泄水時(shí)間灌、泄水時(shí)間15min。o設(shè)計(jì)船隊(duì)：設(shè)計(jì)船隊(duì)：21000噸（一字頂推），允許系纜力按噸（一字頂推），允許系纜力按1000噸單船控制，即：噸單船控制，即： o=32.0 (2.1)o=16.0 (2.2)o式中：式中：允許系纜力的縱向水平分力（允許系纜力的縱向水平分力（kN）；）；o允許系纜力的橫向水平分力（允許系纜力的橫向水平分力（kN）；）；oW單船舶排水量（噸）單船舶排水量（噸）o輸水系統(tǒng)各部分負(fù)壓輸水系統(tǒng)各部分負(fù)壓3m水柱。水柱。o船閘灌、泄水時(shí)，水位最大超高（

26、超降）不宜大于船閘灌、泄水時(shí)，水位最大超高（超降）不宜大于0.25m。o設(shè)計(jì)單位提供的水力計(jì)算成果見表設(shè)計(jì)單位提供的水力計(jì)算成果見表2.2：編號(hào)編號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目單位單位計(jì)算值計(jì)算值1輸水時(shí)間輸水時(shí)間min14.232泄水時(shí)間泄水時(shí)間min143灌水流量系數(shù)灌水流量系數(shù)0.634泄水流量系數(shù)泄水流量系數(shù)0.655灌水時(shí)閥門開啟時(shí)間灌水時(shí)閥門開啟時(shí)間s70,120,1806泄水時(shí)閥門開啟時(shí)間泄水時(shí)閥門開啟時(shí)間s70,120,1807閘室船舶系纜力最大值閘室船舶系纜力最大值kN22.028上引航道系纜力最大值上引航道系纜力最大值kN15.439下引航道系纜力最大值下引航道系纜力最大值kN37.1310閘

27、室水面上升速度最大值閘室水面上升速度最大值m/s0.057711閘室水面下降速度最大值閘室水面下降速度最大值m/s0.059612上引航道縱向流速最大值上引航道縱向流速最大值m/s0.5213下引航道縱向流速最大值下引航道縱向流速最大值m/s1.0514灌水時(shí)閥門后廊道頂壓力水頭最小值灌水時(shí)閥門后廊道頂壓力水頭最小值m6.0215泄水時(shí)閥門后廊道頂壓力水頭最小值泄水時(shí)閥門后廊道頂壓力水頭最小值m5.2516灌水時(shí)閘室水位最大慣性超高灌水時(shí)閘室水位最大慣性超高m0.3517泄水時(shí)閘室水位最大慣性超高泄水時(shí)閘室水位最大慣性超高m0.318灌水時(shí)閥門最小空化數(shù)（灌水時(shí)閥門最小空化數(shù)（n=0.9）3.

28、5319泄水時(shí)閥門最小空化數(shù)（泄水時(shí)閥門最小空化數(shù)（n=0.8）2.82第四節(jié)第四節(jié) 輸水閥門后廊道的水力計(jì)算輸水閥門后廊道的水力計(jì)算 船閘輸水廊道的閥門通常是在壓力作用下工作。船閘輸水廊道的閥門通常是在壓力作用下工作。當(dāng)閥門局部開啟時(shí)，水流通過閥門斷面后首先產(chǎn)生收當(dāng)閥門局部開啟時(shí)，水流通過閥門斷面后首先產(chǎn)生收縮，然后擴(kuò)大到充滿整個(gè)廊道。這時(shí)閥門后的水力條縮，然后擴(kuò)大到充滿整個(gè)廊道。這時(shí)閥門后的水力條件主要決定于閥門的淹沒水深以及閥門后的通氣條件。件主要決定于閥門的淹沒水深以及閥門后的通氣條件。根據(jù)閥門的通氣情況，可分為開敞式閥門圖根據(jù)閥門的通氣情況，可分為開敞式閥門圖5-21a及及密封式閥門

29、圖密封式閥門圖5-21b兩種。兩種。a）開敞式）開敞式 b）密封式）密封式圖圖5-21 船閘輸水閘門通氣情況船閘輸水閘門通氣情況 對(duì)于開敞式閥門，有足夠的空氣從輸水閥門的門對(duì)于開敞式閥門，有足夠的空氣從輸水閥門的門井或檢修門井進(jìn)入廊道中，雖然閥門后的水流收縮斷面井或檢修門井進(jìn)入廊道中，雖然閥門后的水流收縮斷面上的壓力會(huì)下降，但不可能產(chǎn)生很大的負(fù)壓，而可能在上的壓力會(huì)下降，但不可能產(chǎn)生很大的負(fù)壓，而可能在閥門后發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。這種遠(yuǎn)驅(qū)式水躍對(duì)于輸水閥門閥門后發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。這種遠(yuǎn)驅(qū)式水躍對(duì)于輸水閥門和廊道來說都是不利的，因?yàn)橄喈?dāng)長的一段廊道內(nèi)流速和廊道來說都是不利的，因?yàn)橄喈?dāng)長的一段廊道內(nèi)流速過

30、大，提高了廊道防沖要求，而且水躍的位置不穩(wěn)定，過大，提高了廊道防沖要求，而且水躍的位置不穩(wěn)定，容易碰撞閥門而引起閥門的振動(dòng)。因此，對(duì)于開敞式閥容易碰撞閥門而引起閥門的振動(dòng)。因此，對(duì)于開敞式閥門需核算輸水閥門后是否具有產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的條件。門需核算輸水閥門后是否具有產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的條件。 對(duì)于密封式窗門，在閥門局部開放時(shí)，會(huì)因水流收對(duì)于密封式窗門，在閥門局部開放時(shí)，會(huì)因水流收縮而產(chǎn)生壓力下降，并可能產(chǎn)生負(fù)壓，若壓力過低就可縮而產(chǎn)生壓力下降，并可能產(chǎn)生負(fù)壓，若壓力過低就可能出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，這對(duì)閥門及閥門后一段廊道產(chǎn)生不利能出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，這對(duì)閥門及閥門后一段廊道產(chǎn)生不利作用。對(duì)于短廊道輸水，由于水位差

31、較小，一般不致產(chǎn)作用。對(duì)于短廊道輸水，由于水位差較小，一般不致產(chǎn)生空蝕，因而只需核算閥門后水流收縮斷面處廊道頂部生空蝕，因而只需核算閥門后水流收縮斷面處廊道頂部的壓力水頭。的壓力水頭。一、開敞式閥門后水躍條件的驗(yàn)算一、開敞式閥門后水躍條件的驗(yàn)算o o 根據(jù)圖根據(jù)圖(5-19)可以寫出閥門后水流收縮斷面可以寫出閥門后水流收縮斷面c-c以及水流充滿以及水流充滿整個(gè)廊道斷面整個(gè)廊道斷面1-1之間水體的動(dòng)量方程式：之間水體的動(dòng)量方程式：o基本式基本式:o可寫成可寫成:o方程式方程式:o 22)(2121111ccchhphhPvvgq)(1vvQcF212111122)(ccchhphhpvvQ得到閥

32、門后水流充分?jǐn)U散處廊道頂部的壓力水頭為得到閥門后水流充分?jǐn)U散處廊道頂部的壓力水頭為:o另一方面，從閥門后廊道水流能量損失，可得：另一方面，從閥門后廊道水流能量損失，可得：o )2() 1(21022121haghqPo （5-46）)1 (2) 11(221121nhnghqPPnnco （5-45）二、密封式閥門后壓力的計(jì)算二、密封式閥門后壓力的計(jì)算第五節(jié)第五節(jié) 集中式輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算集中式輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： （1）輸水閥門處廊道斷面面積計(jì)算，可按式（）輸水閥門處廊道斷面面積計(jì)算，可按式（5-20）計(jì)）計(jì)算。算。 （2）輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù)。）輸水系統(tǒng)的阻力系

33、數(shù)和流量系數(shù)。 需注意：表中所列出的阻力系數(shù)均為理想條件下的值，需注意：表中所列出的阻力系數(shù)均為理想條件下的值，即認(rèn)為局部損失段前后的水流都是均勻流。而在船閘輸水系即認(rèn)為局部損失段前后的水流都是均勻流。而在船閘輸水系統(tǒng)中這種條件幾乎是不存在的，尤其是在集中輸水系統(tǒng)中，統(tǒng)中這種條件幾乎是不存在的，尤其是在集中輸水系統(tǒng)中，各個(gè)局部損失幾乎是相連的，有的甚至幾個(gè)損失都在一起。各個(gè)局部損失幾乎是相連的，有的甚至幾個(gè)損失都在一起。 因此，計(jì)算值常常與實(shí)際情況差別較大，較多的方法是因此，計(jì)算值常常與實(shí)際情況差別較大，較多的方法是采用采用相近的已建工程資料相近的已建工程資料，否則通過模型試驗(yàn)確定。，否則通過

34、模型試驗(yàn)確定。（4）根據(jù)確定的流量系數(shù)和閥門開啟時(shí)間按式（）根據(jù)確定的流量系數(shù)和閥門開啟時(shí)間按式（5-19）核算閘室輸水時(shí)間。若所得的灌泄水時(shí)間太長或太長，核算閘室輸水時(shí)間。若所得的灌泄水時(shí)間太長或太長，則應(yīng)縮小或放大廊道斷面尺寸，并再重新計(jì)算。則應(yīng)縮小或放大廊道斷面尺寸，并再重新計(jì)算。（5）閘室輸水的水力特性曲線計(jì)算。短廊道輸水系統(tǒng)水）閘室輸水的水力特性曲線計(jì)算。短廊道輸水系統(tǒng)水力特性曲線計(jì)算應(yīng)包括下列內(nèi)容，其計(jì)算方法可按本章力特性曲線計(jì)算應(yīng)包括下列內(nèi)容，其計(jì)算方法可按本章的的5.2.2 （水力特性曲線的繪制）進(jìn)行：（水力特性曲線的繪制）進(jìn)行： 流量系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線；流量系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

35、曲線； 閘室水位與時(shí)間的關(guān)系曲線；閘室水位與時(shí)間的關(guān)系曲線； 流量與時(shí)間的關(guān)系曲線；流量與時(shí)間的關(guān)系曲線； 能量與時(shí)間的關(guān)系曲線；能量與時(shí)間的關(guān)系曲線； 比能與時(shí)間的關(guān)系曲線；比能與時(shí)間的關(guān)系曲線； 閘室與上、下游引航道斷面平均流速與時(shí)間的關(guān)系曲線。閘室與上、下游引航道斷面平均流速與時(shí)間的關(guān)系曲線。（6）過閘船舶、船隊(duì)在閘室和上下游引航道內(nèi)的停泊條件的核）過閘船舶、船隊(duì)在閘室和上下游引航道內(nèi)的停泊條件的核算可參考本章的算可參考本章的5.3.3（船舶停泊條件的估算）；（船舶停泊條件的估算）；（7）輸水閥門后廊道的水力計(jì)算，可參考本章的）輸水閥門后廊道的水力計(jì)算，可參考本章的5.3.4（輸水（輸水

36、閥門后廊道的水力計(jì)算）。閥門后廊道的水力計(jì)算）。一、分散輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的特點(diǎn)一、分散輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的特點(diǎn) 分散輸水系統(tǒng)與集中輸水系統(tǒng)的布置及水力特點(diǎn)區(qū)別：分散輸水系統(tǒng)與集中輸水系統(tǒng)的布置及水力特點(diǎn)區(qū)別： 分散輸水系統(tǒng)的廊道較長，須考慮其摩擦阻力及慣性影響；分散輸水系統(tǒng)的廊道較長，須考慮其摩擦阻力及慣性影響；如閘室內(nèi)水面慣性超高（超降）、閘室廊道內(nèi)最大剩余壓力、廊如閘室內(nèi)水面慣性超高（超降）、閘室廊道內(nèi)最大剩余壓力、廊道轉(zhuǎn)彎段壓力以及閥門工作空化數(shù)等。道轉(zhuǎn)彎段壓力以及閥門工作空化數(shù)等。 集中輸水水力計(jì)算重點(diǎn)如閘室斷面平均流速、比能、消能室集中輸水水力計(jì)算重點(diǎn)如閘室斷面平均流速、比能、消能室體

37、積、鎮(zhèn)靜段長度以及泄水時(shí)閘室內(nèi)船舶的停泊條件等不需進(jìn)行體積、鎮(zhèn)靜段長度以及泄水時(shí)閘室內(nèi)船舶的停泊條件等不需進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算。 相同部分：上、下游引航道內(nèi)停泊條件及非恒定流計(jì)算。相同部分：上、下游引航道內(nèi)停泊條件及非恒定流計(jì)算。u 第六節(jié)第六節(jié) 分散輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算分散輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算圖圖5-22 灌泄水末期的慣性水頭波動(dòng)灌泄水末期的慣性水頭波動(dòng) 輸水廊道內(nèi)水體慣性對(duì)船閘水力計(jì)算的影響有以下幾方輸水廊道內(nèi)水體慣性對(duì)船閘水力計(jì)算的影響有以下幾方面：面： （1）慣性影響將縮短閘室的灌泄水時(shí)間。在閘室灌、泄）慣性影響將縮短閘室的灌泄水時(shí)間。在閘室灌、泄水初期，由于輸水有效水頭較大，水體慣性對(duì)輸水時(shí)間

38、的影水初期，由于輸水有效水頭較大，水體慣性對(duì)輸水時(shí)間的影響較小，而灌、泄水后期，輸水有效水頭較小，水體慣性對(duì)響較小，而灌、泄水后期，輸水有效水頭較小，水體慣性對(duì)輸水時(shí)間的影響相對(duì)也就比較顯著，大大加快了水面變化速輸水時(shí)間的影響相對(duì)也就比較顯著，大大加快了水面變化速度，因而縮短了閘室的灌、泄水時(shí)間。另一方面，慣性影響度，因而縮短了閘室的灌、泄水時(shí)間。另一方面，慣性影響也造成閘室水面在灌、泄水末期上（下）游的齊平水位為中也造成閘室水面在灌、泄水末期上（下）游的齊平水位為中心波動(dòng)，見圖心波動(dòng)，見圖5-22。 （2）不同的分散輸水系統(tǒng)布置，其水流慣性對(duì)船閘閘室）不同的分散輸水系統(tǒng)布置，其水流慣性對(duì)船閘

39、閘室內(nèi)傳播的受力影響是不同的。內(nèi)傳播的受力影響是不同的。 （3）廊道內(nèi)水體慣性的影響還將使閥門后水流收縮斷面）廊道內(nèi)水體慣性的影響還將使閥門后水流收縮斷面處的壓力有所升高。處的壓力有所升高。二、分散輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的主要內(nèi)容二、分散輸水系統(tǒng)水力計(jì)算的主要內(nèi)容o 分散輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：分散輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：o （1）輸水閥門處廊道斷面面積計(jì)算，在初步計(jì)算時(shí)可）輸水閥門處廊道斷面面積計(jì)算，在初步計(jì)算時(shí)可先不考慮慣性影響按式（先不考慮慣性影響按式（5-20）計(jì)算，其中）計(jì)算，其中 取取0.40.6 ， 取取0.60.8；o （2）輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù)。

40、分散輸水系統(tǒng)）輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù)。分散輸水系統(tǒng)各局部阻力不象集中輸水系統(tǒng)那樣結(jié)合得緊密，因而一各局部阻力不象集中輸水系統(tǒng)那樣結(jié)合得緊密，因而一般可以將各局部阻力系數(shù)相加求得其總阻力系數(shù)。由于般可以將各局部阻力系數(shù)相加求得其總阻力系數(shù)。由于分散輸水系統(tǒng)的廊道長度較大，水流沿程的摩阻損失不分散輸水系統(tǒng)的廊道長度較大，水流沿程的摩阻損失不容忽視，其值可參考相關(guān)規(guī)范；容忽視，其值可參考相關(guān)規(guī)范；vk（3）輸水廊道的換算長度和慣性超高（降）值。）輸水廊道的換算長度和慣性超高（降）值。 分散輸水系統(tǒng)的慣性超高（降）值可按式（分散輸水系統(tǒng)的慣性超高（降）值可按式（5-26）計(jì)算。式（計(jì)算。式（5-

41、10）為流量沿程不變情況下，串聯(lián)廊道）為流量沿程不變情況下，串聯(lián)廊道換算長度的計(jì)算公式。以下將介紹分散輸水系統(tǒng)中，兩換算長度的計(jì)算公式。以下將介紹分散輸水系統(tǒng)中，兩種典型的廊道系統(tǒng)換算長度的計(jì)算。種典型的廊道系統(tǒng)換算長度的計(jì)算。 具有出水支孔段的廊道換算長度具有出水支孔段的廊道換算長度 由于出水支孔出流的影響，沿出水支孔段廊道的流由于出水支孔出流的影響，沿出水支孔段廊道的流量是變化的（圖量是變化的（圖5-23），廊道換算長度可按下式計(jì)算：），廊道換算長度可按下式計(jì)算：圖圖5-23 出水支孔段的廊道換算長度出水支孔段的廊道換算長度 由于分散輸水系統(tǒng)中各支孔出流是不均勻由于分散輸水系統(tǒng)中各支孔出流

42、是不均勻的，而且是非恒定的，因而精確計(jì)算出水支孔的，而且是非恒定的，因而精確計(jì)算出水支孔段廊道的換算長度是比較困難的。在實(shí)際工作段廊道的換算長度是比較困難的。在實(shí)際工作中，當(dāng)出水支孔數(shù)大于中，當(dāng)出水支孔數(shù)大于15時(shí)，出水支孔段廊道時(shí)，出水支孔段廊道的換算長度可取為該段廊道長度的一半，即的換算長度可取為該段廊道長度的一半，即（L為出水支孔段的廊道長度）。為出水支孔段的廊道長度）。圖5-24并聯(lián)分支廊道的換算長度（4）分散輸水系統(tǒng)的輸水時(shí)間，應(yīng)根據(jù)確定的流量系數(shù)和慣性）分散輸水系統(tǒng)的輸水時(shí)間，應(yīng)根據(jù)確定的流量系數(shù)和慣性超高、超降值以及閥門開啟時(shí)間按式（超高、超降值以及閥門開啟時(shí)間按式（5-29）核算。）核算。（5）閘室輸水的水力特性曲線計(jì)算。短廊道輸水系統(tǒng)水力特性）閘室輸水的水力特性曲線計(jì)算。短廊道輸水系統(tǒng)水力特性曲線計(jì)算應(yīng)包括下列內(nèi)容：曲線計(jì)算應(yīng)包括下列內(nèi)容： 流量系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線；流量系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線； 閘室水位與時(shí)間的關(guān)系曲線；閘室水位與時(shí)間的關(guān)系曲線； 流量與時(shí)間的關(guān)系曲線；流量與時(shí)間的關(guān)系曲線； 閥門閥門門井水位門井水位與時(shí)間的關(guān)系曲線；與時(shí)間的關(guān)