水力學(xué)綜合練習(xí)計算書

1、水力學(xué)綜合練習(xí)計算書任務(wù)1分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲線形式，考慮高速水流摻氣所增加的水深，算出陡坡段邊墻高。邊墻高按設(shè)計洪水流量設(shè)計，校核洪水流量校核；繪制陡坡縱剖面上的水面曲線。一、 資料某水庫是一宗以灌溉為主、結(jié)合防洪、發(fā)電的綜合利用工程。設(shè)帶平板閘門的寬頂堰開敞式河岸溢洪道。1. 水庫設(shè)計洪水標準工程等別為等，永久性主要建筑物為3級，永久性擋水建筑物、泄水和輸水建筑物的洪水標準按50年洪水重現(xiàn)期設(shè)計，1000年洪水重現(xiàn)期校核。相應(yīng)設(shè)計洪水標準為： p= 2%設(shè)計洪水位為54.97米，泄量Q=251.40m3/s；p=0.1%校核洪水位為57.31米，泄量Q=313.60 m3/s。

2、正常水位為52.52m，泄量125.61 m3/s ；汛前限制水位51.52米；2. 溢洪道的有關(guān)資料寬頂堰堰頂高程49.00米，堰的相對高度為P/H=0米；堰頂設(shè)兩扇平板閘門，溢洪道共設(shè)2孔，每孔凈寬 6.6米，閘孔高度為3.85m； 閘墩頭為圓形，墩厚1.4米；邊墩為半圓形,厚1.0m；混凝土糙率可取n=0.0120.015；堰后設(shè)陡坡段，泄洪閘陡坡寬14.60米，陡坡分二段，第一段長48.90米，i=0.258，第二段長25.60米，i=0.281；陡坡段邊墻高度要求比摻氣水深超高0.5米；溢洪道縱剖面簡圖及平面圖、輸水涵管簡圖（見附頁）一、 計算過程（一）方法：先根據(jù)水面曲線的性質(zhì)判別

3、各坡段水面曲線的型式，然后按50年一遇洪水流量。采用分段求和法計算各坡段水面曲線。在此基礎(chǔ)上，考慮摻氣水深（>7m/s時）設(shè)計陡坡段邊墻高（比摻氣水深超高0.5米）。再按千年一遇洪水校核，即計算出校核洪水流量通過時陡坡段的水面曲線，將各斷面水深與邊墻高比較，若水深大于邊墻高，則應(yīng)加高邊墻，若水深均小于邊墻高，則原設(shè)計合理。（一） 采用公式1. 判別水面曲線型式：正常水深的試算： 矩形斷面臨界水深 ： 二、 具體計算：1. 水面曲線分析1) 水平段（i=0） 判別水面曲線型式先求閘下出流的收縮斷面水深，由于，故為閘孔出流堰上水頭 H=54.97-49.00=5.97m由查水力學(xué)書表81得單

4、寬流量 =2.595m，對應(yīng)第二共軛水深)=4.2m假設(shè)水平段發(fā)生水躍，則水躍長度Lj=6.9(=6.9×(4.2-2.595)=11.1m，在實際工程上一般認為發(fā)生在離閘門（23）的斷面處，則取2=2×3.85=7.7m由于7.7+11.1=18.8m<水平段長度19.1m，故發(fā)生水躍。 計算臨界水深由于, 故曲線在c區(qū)，屬C0型壅水曲線。由于躍后水深之后的距離很短并且又是平坡，可不計算水平段的水面曲線。2) 第一陡坡段（i=0.258） 判別水面曲線型式先進行正常水深h0的試算流量: 設(shè)h1=0.5m，則 A1=bh1=14.6×0.5=7.3m2 x1

5、=b+2h2=14.6+2×0.5=15.6m 說明所設(shè)h1太小，再假設(shè)，重新計算，列于表1 正常水深試算表 表 1 hbAXRQmmm²mm0.514.67.315.60.468 171.918 0.614.68.7615.80.554 230.995 0.714.610.22160.639 296.168 0.814.611.6816.20.721 366.940 據(jù)以上結(jié)果，作hQ關(guān)系曲線如圖1由曲線查得=251.4，對應(yīng)的水深即為正常水深h0=0.633m單寬流量 ： 臨界水深 ： =3.12m> h0=0.633m 因為，故渠道為陡坡，由于水平段末端水流以水

6、跌的形式進入陡坡段，故水面曲線在b區(qū)，為型降水曲線。用分段求和法計算水面曲線 泄槽上游接寬頂堰，起始斷面水深認為等于臨界水深（即）。故以臨界水深向下游推算，設(shè)=3.0m以11和22斷面為例 A1=bh1=14.6×3.12=45.6m2 =1.554m 5.519+1.554=4.674m同理可得 A2=43.8m2， v2=5.74m/s， Es2=4.681m。 Es12=Es2- Es1=4.681-4.674=0.007m11斷面水力要素： 1=b+2h1=14.6+2×3.12=20.84m R1= 同理可得 x2=20.6m，R=2.126m ， =2.156m

7、 =5.63m/s =0.0019255 兩斷面間距離=0.03m重復(fù)上述步驟求得，直到=36.7m，推算到1313斷面計算得=36.78m相應(yīng)其余各段距離的計算（計算結(jié)果見(i=0.258)表2）3) 第二陡坡段判別水面曲線型式先進行正常水深h0的試算流量： 設(shè)h1=0.5m，則 A1=bh1=14.6×0.5=7.3m2 x1=b+2h2=14.6+2×0.5=15.6m 說明所設(shè)h1大小，再假設(shè)，重新計算，列于表3 正常水深試算表(i=0.281) 表3 hbAXRQmmm²mm0.514.67.315.60.468 179.418 0.614.68.761

8、5.80.554 241.071 0.714.610.22160.639 309.087 0.814.611.6816.20.721 382.946 據(jù)以上結(jié)果，作hQ關(guān)系曲線如圖2由曲線找得Q0=251.4m3/s，對應(yīng)的水深即為正常水深h0=0.618m。因 h0< hk=3.12m。故渠道為陡陂 又 hk >h13 =1.111m>h0=0.618m。 故水面曲線在b區(qū)，為b型降水曲線。用分段求和法計算水面曲線 以第一陡坡段最后一斷面為控制斷面h13 =1.111m向下游推算，同第一陡坡段計算方法類似，計算結(jié)果（列于表4）2. 邊墻高設(shè)計當斷面平均流速v>7m/s

9、時，需考慮摻氣水深，在此基礎(chǔ)上來設(shè)計邊墻。由表2、表4的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)計洪水流量時，兩陡坡段的斷面平均流速均大于7m/s，均需考慮摻氣所增加的水深。以第一陡坡段6-6斷面為例計算摻氣水深，其余各斷面計算結(jié)果列于表5。由表4可知：h6=2.4m，v6=7.175m/s，i=0.258 則摻氣水深 ： 陡槽的邊墻高度：摻氣水深和陡槽邊墻高度計算 表5陡坡段斷面mm/smmmi=0.2586-62.47.1750.243.1578950.53.7 7-72.27.8270.242.8947370.53.4 8-828.610.242.6315790.53.1 9-91.89.5660.242.

10、3684210.52.9 10-101.610.760.242.1052630.52.6 11-111.412.30.241.8421050.52.3 12-121.214.350.241.5789470.52.1 13-131.11115.50.241.4618420.52.0 i=0.28114-141.115.6540.2671.5006820.52.0 15-15117.2190.2671.3642560.51.9 16-160.95318.0680.2671.3001360.51.8 由表中結(jié)果可知，第一陡坡段邊墻高=3.7m，第二陡坡段邊墻高=2.0m。3.按校核洪水量校核邊墻高按

11、千年一遇洪水泄流量Q=313.6米3/秒計算出各坡段水面曲線，計算方法同前。2）第一陡坡段（i=0.258） 判別水面曲線型式流量： =313.6m3/s查圖1查得相應(yīng)的正常水深h0=0.725m。單寬流量 臨界水深 =3.61m> h0=0.725m因為故渠道為陡坡，由于水平段末端水流以水跌的形式進入陡坡段，故水面曲線在b區(qū)，為型降水曲線。 以h1=3.61m為控制斷面向下游推算，計算結(jié)果（列于表6）3）第二陡坡段（i=0.281）流量：=313.60m3/s查圖2查得相應(yīng)的正常水深h0=0.718m。因 h0< hk=3.61m。故渠道為陡陂 又 hk >h10 =1.3

12、53m>h0=0.718m。 水面曲線在b區(qū)，故產(chǎn)生b型降水曲線。以h10=1.353m為控制斷面向下游推算，計算結(jié)果（列于表7）4).摻氣水深計算，結(jié)果列于表8校核洪水摻氣水深計算 表8陡坡段斷面 mm/smi=0.25822.77.9550.243.55 32.58.5920.243.29 42.39.3390.243.03 52.110.2280.242.76 6210.740.242.63 71.910.3050.242.50 81.712.6350.242.24 91.514.320.241.97101.35315.8750.241.78 i=0.281111.315.8750

13、.2671.77 121.216.5230.2671.64 131.14518.7590.2671.56 由此可見p=0.1%時，第一陡坡段=3.55m<邊墻高3.7m，第二陡坡段=1.77m<邊墻高2m，故當通過千年一遇洪水時，邊墻高滿足要求，設(shè)計合理。3. 繪制陡坡段縱剖面水面曲線圖（見圖3）任務(wù)2. 繪制正常水位至汛前限制水位相對開度下泄流量的關(guān)系曲線；繪制汛前限制水位以上的水庫水位下泄流量的關(guān)系曲線。一、資料 ：千年一遇洪水時，Q=313.6米3/秒，相應(yīng)上游水位57.31米；正常高水位為52.52米，汛前限制水位51.52米；寬頂堰堰頂高程49.00米，堰的相對高度為P/

14、H=0米。閘門運用情況：洪水來臨，用閘門控制下泄流量等于進庫流量，保持汛前限制水位不變；當閘門底提升到汛前限制水位51.52米時，閘門全開。二、計算過程（一）方法：先分析資料，正常高水位系指為滿足設(shè)計的興利要求，設(shè)計枯水年開始供水時應(yīng)蓄到的水位；汛前限制水位指水庫在汛前期允許興利蓄水的上限水位。繪制正常水位至汛前限制水位前限制水位相對開度下泄流量的關(guān)系曲線時，下泄流量由閘門控制，其值等于進庫流量，流量計算按閘孔出流考慮。而繪制汛前限制水位以上的水庫水位下泄流量的關(guān)系曲線時，閘門底提升到汛前限制水位51.52米時，閘門全開, 閘孔高度為e=3.85m。由于設(shè)有胸墻，若為堰流，胸墻對水流有局部約束

15、，故要計算e/H判別是閘孔出流還是堰流，若e/H0.65按閘孔出流計算，e/H0.65按堰流計算。（一） 所用公式1. 繪制 zQ關(guān)系曲線閘孔出流流量公式Q=其中 式中 Q閘孔出流流量(m3/s) 流量系數(shù) b 過水凈寬 (m) e 閘門開度 (m) H上游堰頂作用水頭（m）2. 繪制ZQ關(guān)系曲線堰流流量公式 其中 式中 淹沒系數(shù) 側(cè)收縮系數(shù)，已知=0.7，=0.45 m流量系數(shù)，由于 ，m=0.385 B過水凈寬 H同前（二） 具體計算1. zQ關(guān)系曲線算例：當=0.1，Z=52.52m時 H=52.52-49=3.52m故 e=×H=0.1×3.52=0.352m=0.

16、6-0.18×0.1=0.582Q=0.582×2×6.6×0.352× =22.46m3/s當=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.65時，計算結(jié)果列于表9。表9 Ze/HQ關(guān)系曲線計算表ZHe/HQ=mmmmm3/s52.523.520.10.3520.5828.306142322.465230.10.30.5827.668115817.6751.522.520.10.2520.5827.027944213.6152.523.520.20.7040.5648.306142343.535230.20.60.5647.668115834

17、.2551.522.520.20.5040.5647.027944226.3752.523.520.31.0560.5468.306142363.225230.30.90.5467.668115849.7451.522.520.30.7560.5467.027944238.2952.523.520.41.4080.5288.306142381.515230.41.20.5287.668115864.1351.522.520.41.0080.5287.027944249.3752.523.520.51.760.518.306142398.415230.51.50.517.668115877.43

18、51.522.520.51.260.517.027944259.6152.523.520.62.1120.4928.3061423113.935230.61.80.4927.668115889.6451.522.520.61.5120.4927.027944269.0152.523.520.652.2880.4838.3061423121.165230.651.950.4837.668115895.3351.522.520.651.6380.4837.027944273.392. 繪制zQ關(guān)系曲線(見圖3)3.繪制ZQ關(guān)系曲線（1）閘孔出流ZQ關(guān)系曲線計算由于e/H0.65按閘孔出流計算，計算

19、方法同上。（結(jié)果見表10）表10 閘孔出流ZQ關(guān)系曲線計算表ZHe/HQ=mmmmm3/s5560.642 3.850.484510.844353267.01 55.56.50.592 3.850.49338511.287161283.01 5670.550 3.850.50111.71324298.23 56.57.50.513 3.850.507612.124356312.76 5780.481 3.850.51337512.521981326.69 57.318.310.463 3.850.51660612.762288335.06 （2）繪制閘孔出流ZQ關(guān)系曲線（見圖4） （3）堰流

20、ZQ關(guān)系曲線計算算例： z=51.52m時，H=51.52-49.00=2.52(忽略) 由于 流量系數(shù) m=0.385 側(cè)收縮系數(shù) =1-0.20.7+(2-1)×0.45× =0.9561下游水位不影響泄流= 1.0泄流量 =1×0.9561×0.385×2×6.6× =86.05m3/s同理，可得其他水位對應(yīng)的泄流量，列入表11。表11 堰流 ZQ關(guān)系曲線計算ZHe/Hmmmm3/s51.522.521.5280.3850.95614.4271894.00086.055231.2830.3850.94774.42718

21、95.196110.8052.53.51.1000.3850.93904.4271896.548138.345340.9630.3850.93034.4271898.000167.4553.54.50.8560.3850.92164.4271899.546197.935450.7700.3850.91294.42718911.180229.6354.55.50.7000.3850.90424.42718912.899262.39據(jù)以上結(jié)果可作堰流zQ的關(guān)系曲線如圖5 任務(wù)3. 溢洪道下游挑流消能計算：水流銜接計算、挑距長度、沖刷坑深度、沖刷坑后坡計算。繪制沖刷坑縱圖。一、 資料 溢洪道下游河床

22、高程為25.00米；水庫水位容積泄量關(guān)系（見表1）；溢洪道下泄流量下游水位關(guān)系（見表2）；起挑流量為Q=37.23m3/s；河道糙率n=0.033；下游河道巖石軟弱破碎，沖刷坑系數(shù)k=1.6;水庫下游無防洪任務(wù)。連續(xù)式挑坎，挑坎高程為30.2米，挑角=18°表1 水庫水位容積泄量關(guān)系水 庫 (m)52535455565758庫容(萬立米)2093231025352765300432403471泄量(秒立米)98.08151.02211.00252.44280.83306.04330.16繪制水庫水位泄量關(guān)系曲線如（圖6）表2 下泄流量下游水位關(guān)系泄量（m3/s） 2.6939.601

23、71.64401.90水位（m）25.0027.3728.7830.38繪制下泄流量下游水位關(guān)系曲線如（圖7）二、 計算過程方法：先進行設(shè)計流量Q=251.4m3/s時的水流銜接形式計算，若此時第二陡坡段末端水深（視為收縮斷面水深）對應(yīng)的第二共軛水深大于或等于下游水深時產(chǎn)生遠離式水躍或臨界水躍，要進行消能結(jié)構(gòu)水力計算，若小于下游水深，產(chǎn)生淹沒式水躍，不需消能。若要消能，采用挑流消能措施。（一） 所用公式1. 水流銜接形式式計算：水躍方程，前已列；2. 挑流消能結(jié)構(gòu)水力計算空中挑距L0= (m)式中 流速系數(shù) 其中 k流能比 k= S1上游水位至挑坎頂部的高差（m） 鼻坎挑射角 （°）

24、 a 下游挑坎高， 即下游河床至挑坎頂部的高差（m） 沖刷坑后下游水深 （m）沖刷坑深度 T=式中 T沖刷坑深度 沖刷坑系數(shù)，由資料k=1.6 q單寬流量 （m3/s） 同上。水下挑距 L1= （m）式中 水舌入水角（°）， 其余符合同前 總挑距 L=L0+L1 (m) 沖刷坑后坡 許可的最大臨界后坡 （二） 具體計算1. 下游水流銜接計算由表12的計算結(jié)果，Q=251.4m3/s時，末端段面水深h=hc=0.867m，而=17.22m3/(s.m)故hc對應(yīng)的第二共軛水深 = =7.93m>=4.54m，產(chǎn)生遠離式水躍要消能，2. 挑流消能結(jié)構(gòu)水力計算以Q=313.6m3/s

25、，Z上=57.31m，Z下=30m為例進行計算，由已知得 S=57.31-30.2=27.11m Z=57.31-30=27.31m a=30.2-25-0=5.2m Sin18°=0.309017 Sin2=sin36°=0.587785 Cos18°=0.951057 m3/(s.m) =0.0486 =0.909又 = =0.9426故 =19.5° ， tg=0.35413空中挑距：L0= =0.9092×27.11×0.58781+=26.922m沖刷坑深度：T= = =11.952m水下挑距 =47.868m總挑距 L=L0+L1=26.922+47.868=74.79m沖刷坑后坡=0.1598< 故沖刷坑不會危及壩身安全。其他流量對應(yīng)的計算方法類似，列于（表13）。計算中，需知起挑流量為37.23m3/s313.6各流量對應(yīng)的上游水位，及下游水位，可在水庫水位泄量關(guān)系曲線與下泄流量下游水位關(guān)系曲線查找到相應(yīng)的上游水位及下游