水力学综合练习指导书

'综合练习指导书§1取水口水力计算一、基本数据1．Z正=710.00m,Z底板=685.00m;2．Z运行=690.00m，Q≥24m³/s;3．进口拟采用竖井式，井内装平板闸门控制流量，进口曲线拟采用喇叭形，闸门距喇叭口约40米，闸门有压段、闸后平台、扩散段、斜坡段、消力池均采用混凝土衬砌，其糙率n=0.014。二、水力计算（一）进口形式及尺寸拟定本工程采用深式进水口，其闸前段为有压段，闸后接隧洞。由于本工程进口段及其后隧洞基岩均为沙页岩，为减小内水压力，减少衬砌厚度，节省投资，闸后隧洞拟采用无压隧洞，这样可以减小洞身产生气蚀的可能性。1．闸孔尺寸确定①计算条件运行水位Z运行=690.00m；闸门全开e=a；取水流量Q=24m³/s；②水力计算按平板闸门闸孔自由出流流态计算有压进口尺寸。计算公式：式中：垂直收缩系数，查参考书（一）P.203；流速系数：式中：∑ζ进口段局部阻力系数之和闸孔宽b，闸孔高a（见附图二）是待定量，设计中常假设b、a来计算Q，直到Q等于设计流量为止。表一闸孔尺寸计算表10 计算结果：a*b=校核：Q选定结果：2．喇叭口曲线确定为了减小进口水损，压力进口段作成椭圆形曲线，曲线方程为：式中：a洞高（前面的计算结果）；b曲线短半轴b=a/3。表二进口曲线坐标值计算表进口两侧边墙作成圆弧形，其半径为r=a/2。喇叭口示意图见附图三。（二）取水口工作特性曲线的绘制为了在运行管理中控制流量，要求绘制在不同开度e下水库水位Z（或水头H）和流量Q的关系曲线（即取水口工作特性曲线）。闸孔泄流仍按自由出流计算：式中：λf相应于闸门下收缩断面的流速水头的沿程损失系数，Σζ=(ζ进+2ζ门槽)()2+ζ门ζ门闸门损失系数10 表三不同开度的值计算表以开度e为参数的H～Q关系曲线计算表见表四表四不同e不同H闸孔的过流能力Q值计算表（单位m³∕s）据表四绘出取水口工作特性曲线。§2闸后平台扩散段，闸后消能及无压隧洞水力计算一、已知数据1．隧洞用浆砌条石砌筑，采用标准门洞形断面，底坡i=1/1000，糙率n=0.02；2．浆砌条石抗冲允许流速V不冲=5m/s；3．按地形条件可知隧洞长度约为400米；4．按工程要求库水位Z=690.00m时，Q≥24m³/s，故设计流量按在水位Z=710.00m时，为Q=30m³/s计算。二、水力计算因无压隧洞流速较进口段流速小得多，其过水断面宽度将大于闸孔宽度，为保证水流平顺进入隧洞，二者间拟用渐变段连接（进口段至隧洞的平面布置见附图四）（一）无压隧洞1．无压隧洞断面尺寸拟定无压隧洞内水流为均匀流，断面按明渠均匀流设计。断面宜做成窄深式，取高宽比β=1~1.5,上半部圆形拱的半径r=b/2。2．流速校核通过设计流量时的流速V应小于V不冲。3．尺寸确定据暂行规范对低流速无压隧洞净空的要求，净空断面积应大于隧洞面积的15%，净空高度>40㎝。（二）闸后扩散段1．尺寸拟定因闸孔宽与隧洞宽度不同，需设置一渐变段与隧洞连接，渐变段底坡拟采用平底坡（i=0）。10 为避免高速急流脱离边界及冲击波影响水流的稳定，渐变段直线边墙的扩散角宜控制在4°~8°内，渐变段长度L1用下式计算。式中：b1闸孔宽；b2隧洞宽；θ扩散角。扩散段进口距闸后3e（e闸门开度）。2．2、扩散段末端水深计算扩散段进口水深为闸后收缩断面水深hc，但末端水深因其进口有一水面跌落而小于进口水深。因扩散段渠宽沿程变化，故扩散段末端水深h末按非棱柱体渠道分段求和法计算。计算流量Q从小到大直至设计流量（从工作特性曲线上可查出各级流量的相应闸孔开度），计算表见五。（三）（三）、闸后消能计算1．1、消力池的工作条件从闸孔泄水一般都是高速水流，闸后需设消力池。取水口在实际运行时，水头和流量都随时发生变化，为使消力池能适应任何条件下的消能要求，必需确定哪些条件对消力池不利，也就是什么条件下需要的消力池最大。从运行水位来看，很明显库水位愈高，闸下流速愈大，要求的池身也大。但消力池最大深度不一定发生在最大流量下，因而应对各种流量进行计算。综上所述，计算池深度考虑的工作条件是：①库水位为正常蓄水位710.00m(H=25m);②流量Q从小到大直至设计流量。2．2、池身计算用近似公式计算S=σhc″-ht式中：σ=1~1.05S各级流量下挖深式消力池深度；ht无压隧洞中水深，ht=hc˝;h″各级流量下的跃后水深，由下式计算：10 hˊ各级流量下的跃前水深，因各级流量下斜坡上的水流均为急流，其流速变化不大，故可取扩散段末端水深h末为斜坡段末端水深hˊ（即跃前水深hˊ=h末）。表五各级流量下扩散段末端水深h末计算表表六水位Z正=710.00m各级流量下跃后水深h″计算表表七隧洞中各种流量下正常水深h0（即ht）计算表表八Z正=710.00m,各级流量下跃后水深h″及池深S计算表据上述计算结果选定消力池尺寸。§3隧洞与明渠衔接渐变段及渠道断面尺寸一、已知数据1．本工程明渠线路经过密实粘土，结合地形条件，拟选择渠底坡i=1/5000，渠道不衬砌，粘土允许流速V不冲=0.75~0.95，边坡系数m=1.5（或1.25）,n=0.0225;2．设计流量Q=30m³/s；3．明渠全长L6=2000m；二、水力计算（一）（一）、渠道断面尺寸拟定按均匀流设计，选渠道宽高比β=7。10 （二）（二）、隧洞与渠道渐变段设计1．渐变段长度计算为保证水流平顺流入渠道，隧洞与渠道间宜设渐变段连接。其渐变段长度由下式计算式中：B1隧洞水面宽B2渠道水面宽式中：隧洞与渠道断面平均流速的平均值；隧洞与渠道正常水深的平均值。2．2、渐变段进出口底板高程的确定由于隧洞和渠道的断面形状、尺寸不一样，为保证通过设计流量时，隧洞和渠道中保持均匀流，而不致产生较大壅水或降水，渐变段底板高程沿流程变化（渐升或渐降）。其底板的升高或降低值可由下式计算：式中：h01隧洞正常水深；h02渠道正常水深；ζ渐变段的局部阻力系数。据参考书（三）可取为ζ=0.5，隧洞与渠道连接渐变段附图五。§4渡槽的水力计算一、一、已知数据渠道在桩号2+000至2+200间遇一溪谷，拟用渡槽连接。10 1．1、渡槽长L=200m，底坡i═1500；2．2、渡槽采用矩形断面，用浆砌条石砌筑，n=0.02；3．3、槽身边墙不宜太高，拟限定槽内水深h=2.5m，允许流速V不冲=2~6m/s；二、水力计算（一）（一）、槽身断面尺寸拟定按均匀流设计（二）、（二）进出口渐变段的水力计算1．1、进口渐变段计算进口渐变段长度L，由下式计算L=2(Bmax-Bmin)式中：Bmax渐变段中水面宽度最大值；Bmin渐变段中水面宽度最小值坡度高程变化值▽▽=(h01-h02)-(1+ζ1)式中：h01、h02分别为上、下游渠槽中正常水位；ζ1据参考书（三）取ζ1=0.2。2．1、出口渐变段计算长度L由下式计算L=2.8（Bmax-Bmin）式中各项意义同上。底板高程变化值▽▽=（h02-h01）-(1-ζ2)式中：ζ据参考书（三）取ζ2=0.5；其余各项意义同前。§5陡槽的水力计算一、一、已知数据1．渠道经4+220桩号处有一陡坡地段，据地形条件，确定陡槽底坡为i=1/10，陡槽斜坡段长度L=100m；2．陡槽中流量Qmax=30m³/s，Qmin=24m³/s；10 3．陡槽断面为矩形，由混凝土砌筑，n=0.017；二、水力计算水流自然跌落时，上游渠道将发生水面降落，渠内流速增大，可能造成冲刷，为保证上游渠道为均匀流，陡槽进口在平面上采用八字形翼墙收缩。收缩段底板为平底（i=0），收缩段长度δ=10m，如2.5H<δ<10H，则可按宽顶堰计算收缩段末的宽度b（即陡槽宽度）。槽身及消力池平剖面见附图六。（一）（二）、槽身水力计算1．1、陡槽进口水深为临界水深hk；2．2、陡槽内正常水深计算；3．3、陡槽水面曲线（b2型降水曲线）计算（列表进行）；4．4、陡槽末端水深计算；5．5、陡槽末端掺汽水深计算；掺汽水深由下式计算式中：h末陡槽末端水深；β由霍尔公式得：式中：取K=0.005；V陡槽末端断面平均流速；R陡槽末端断面水力半径。（二）（三）、陡槽出口消能计算1．1、水流衔接计算如为远驱水跃则需建消力池；2．2、池深计算；3．3、池长计算。10 §6溢洪道水力计算一、一、已知数据1．1、溢洪道设计洪水流量Qp=800m³/s，此时下游水位Z下=680m；2．2、溢洪道下游最低尾水位Z下min=677m，下游河床高程Z河底=675m；3．3、溢洪道单宽流量q=20m³/s.m；4．4、下游河床岩石坚硬，但完整性较差。二、二、水力计算（一）（一）、确定溢洪道上游设计洪水位Z设洪；1．1、溢洪前缘长度b；2．2、堰顶水头H，堰剖面采用WES剖面；3．3、上游设计洪水位Z设洪，Z设洪=Z堰顶+H式中：Z堰顶堰顶高程，取Z堰顶=Z正（正常高水位）（二）（二）、挑流消能计算1．1、基本数据计算挑射角采用30º，上游库水位为设计洪水位；2．2、冲刷坑深度T计算T=；3．3、空中挑距L0，水下挑距L1及总挑距L计算据已知及计算所得数据，用下列公式写出不同鼻坎高度a与总挑距L的关系式，并列表进行计算。S1=Z设洪-Z鼻坎；L=L0+L14．4、鼻坎高程Z鼻坎确定（据上述计算结果确定）；5．5、冲刷坑后坡校核i=T/L；6．6、反弧半径r的确定：初设可由下式确定r=（4~10）hc式中：hc坎上收缩水深，由下式试算而得：10 7．7、绘出溢流坝剖面图。10'