水力学课程设计

'前言水力学是我们谁水利专业的一门重要的技术基础课。通过课程学习，我们掌握水力学的基本概念、基本理论和实际应用，并能够解决一些有关的工程问题，为以后相关课程的学习打基础。水力学是一门专业技术基础课，是高等职业技术教育水利类各专业的支柱性课程，为了使高职高专学生掌握水力学、学好水力学，本次设计第一步是认识和了解水力学的基本要点和给水排水专业需要的基本知识。本次进行的课程设计是在系统学习水力学理论的基础上，通过课程设计，基本掌握实际工程的水力计算过程和方法，把水力学课程有机结合在一起，对水力学有一个全面的认识。这次设计的目的是运用所学过的知识，进行一次系统的训练。这对深化和巩固所学过的知识，进一步加深对有关公式及图表的实用范围和使用方法的理解，培养灵活运用理论知识独立解决实际问题的能力，加强理论联系实际，初步了解工程设计中水力计算的基本内容，调动和提高学习专业课的积极性。通过水力学课程设计，使我们更加系统，全面地掌握水力学知识，为我们今后的工作和学习奠定了基础。由于水平有限，难免出现不当之处，恳请徐清秀老师谅解和指正。16 第一章中堡坪灌区提水工程、渠道工程1.1基本概况甘肃省靖远县中堡坪南临黄河，北靠山丘，总面积有一万多亩，地势从北向南稍有倾斜，由于黄河常年冲刷使河床下切，平面突出，坪面平均海拔高程为1461米，比黄河河底高程1420米高出近41米，靖远县气候干燥，降雨量少，是全国有名干旱县之一。中堡坪居住着2050口人；有可耕地4000多亩，山坡地2000多亩，土地肥沃，适宜农作物生长，共饲养着各种牲畜4000多头。但由于靠每天吃饭，过着半农半牧的生活，生活相当贫困，为了改变落后面貌，计划兴建一座电力提灌工程，解决灌区和人畜饮水问题。1.2灌区概况灌区内4000亩可耕地中，主要种植的作物有小麦、玉米、棉花和菜子，上述四种作物的比例是5:3:1:1，其中灌水定额为100、120、100、60米3/亩次，每年6月份为灌水高峰，平均轮灌周期为15天，灌区内地势较平坦，渠线所经地段为透水性较好的轻壤土。因此，渠道的渗量的大，加之渠线长，气候干旱，蒸发损失也不小，初估计渠系的水利用系数η=Q净/Q总=65%，除了满足可耕农田的用水外，考虑到2000读亩山坡的绿化水畜饮水量，设计是流量加大20%。1.3提水工程1.3.1提水工程概况计划在黄河岸边修建电力提灌站一座。其站址位于进水情况良好的凹岸，由于贫河中上游含少量大，虽然渠道中进水的是表层清水，但仍有部分泥沙进入了渠道，每年冬季、正植冬灌的时候，黄河处于枯水期，流量小，水位低，水面高程为1423米，每年夏季，洪水下泄、流量大，水位高程升直1425米，所以要求泵房修筑成基础较好防洪泵房以保证低水位是仍可抽上水，高水位是又不至于淹没泵房，其站址附近的地形情况如图所示。1.3.2提水工程设计流量确定设小麦的种植面积为A1=4000×0.5×100，玉米的种植面积为A2=4000×0.3×120，棉花的种植面积为A3=4000×0.1×100，菜子的种植面积为A4=4000×0.1×60。Q设==0.378m3/s∴Q总=m3/s16 1.3.3管道的尺寸、布置、管线长度1>管道尺寸（假设使用3台泵）设V允=1.5m/sd=m=385mm选用标准管径为400mm,管中实际流速V==1.85因为水流大于1.2m/s,水流在粗糙区,设计d吸=d压=400mm.2>吸水管和压水管的布置和管线长度如下图所示：1.3.4确定水泵的安装高度（最大）以高程1420米水面为基准面，在水泵的渐变流内去过水断面1-1，在水泵的进口（吸水管末端）取过水断面2-2，列能量方程：0+0+0=hs-+hw吸16 hw吸=(λ吸+ξ网+ξ弯)=（0.046×+3.1+1.1）×=0.85mhw压=（λ压+Σξ）=（0.046×+0.55+0.83+1）×=1.35m∴最大安装高度hs=4.975m,泵房的地面高程H=1425+1=1426m∴扬程H=Z+hw吸+hw压=42+0.85+1.35=44.2m通过查表选用泵形为FLG350-410A流量为278L/s,扬程45m,电机功率为180kw的泵3台。故总装机功率P=3×180=540kw1.4渠道工程1.41渠道工程概况渠区内有干渠一条，支渠四条，斗、农渠24条，共计29条，长46公里。其中干渠长3公里，全部采用填方以利灌溉。渠道的底坡i和边坡系数m植可按表1、表2选用，渠堤的超高可按表3确定：表1渠道类别设计流量范围（m3/s）10～751～5<1.0土渠1/5000～1/100001/3000～1/50001/1000～1/2000石渠1/500～1/1000表2填方渠道边坡系数m表渠道土质流量（m3/s）>10.02.0～10.00.5～2.0<0.5内坡外坡内坡外坡内坡外坡内坡外坡黏土、重壤土、中壤土1.251.001.001.001.001.001.001.00轻壤土1.251.251.001.001.001.001.001.00砂壤土1.751.501.501.251.501.251.251.25砂土2.252.002.001.751.751.501.501.5016 表3渠道超高a值表加大流量（m3/s）75030.0～50.010.0～30.0超高（m）1.0以上0.8～1.00.6～0.8加大流量（m3/s）1.0～10.00.3～1.0〈0.3超高（m）0.4～0.50.3～0.40.2～0.3表4实用经济断面水力计算表11.011.021.031.04h/hm10.8220.7620.7180.683mβ022.9923.533.9964.4620.251.5612.4592.9463.3683.790.51.2362.0972.5642.9683.3730.7511.8682.3392.7463.15410.8281.7342.2262.6523.0781.250.7041.6732.1992.6543.1091.50.6081.6532.2212.7123.2021.750.5281.6582.2712.8023.33220.4081.712.3772.9553.5332.250.421.7442.4633.0583.7072.50.381.8082.5833.2543.92530.321.9672.863.6334.4171.4.2确定水力最佳断面1〉干渠的断面尺寸（1）由提水工程得Q=0.698m3/s,查表1、表2、表3设计i=1/1900m=1.00n=0.022查表得βm=0.83,所以面积A=（βm+m）hm2=1.83hm2水力半径R=hm/2由曼宁公式、谢才系数Cm===40.5hm16 上述结果代入明渠均匀流公式Q=AC，可得0.698=1.83hm2×40.5hm×∴hm=0.816m所以底宽bm=βmhm=0.83×0.816=0.677m(2)校核渠道的流速查表6-2的轻土壤不冲允许流速为Vm′=(0.60～0.80)m/s,不淤允许流速V″=0.5m/s而Rm==0.408m,取则不冲允许流速为V′=(0.60～0.80)×0.408=0.48～0.64(m/s)渠道的断面平均流速为V=(m/s)∴V″＜V＜Vm′,所设计断面满足允许流速的要求2〉支渠的断面尺寸（1）Q=Q总/4=0.1745m3/s，查表设计，i=1/1000m=1.00n=0.022查表得βm=0.83,所以面积A=（βm+m）hm2=1.83hm2水力半径R=hm/2由曼宁公式、谢才系数Cm===40.5hm上述结果代入明渠均匀流公式Q=AC，可得0.1745=1.83hm2×40.5hm×∴hm=0.43m所以底宽bm=βmhm=0.83×0.43=0.3569m(2)校核渠道的流速查表6-2的轻土壤不冲允许流速为Vm′=(0.60～0.80)m/s,不淤允许流速V″=0.5m/s而Rm==0.215m,取，16 则不冲允许流速为V′=(0.60～0.80)×0.215=0.410～0.545(m/s)渠道的断面平均流速为V=(m/s)∴V″＜V＜Vm′,所设计断面满足允许流速的要求3〉用经济断面设计干支渠断面查表4取=1.02，则h/hm=0.762,m=1.00故β=2.226∴h=0.762×0.816=0.62m，b=βh=0.62×2.226=1.38m,Rm=h/2=0.31m取则V′=(0.60～0.80)×0.31=0.448～0.597m/s渠道的断面平均流速为V=(m/s)∴V″＜V＜Vm′,所设计断面满足允许流速的要求第二章复杂管道水力计算2.1概述有一给水系统，管网布置及供水末端高程如下图所示，水管的粗糙系数n=0.0125，要求供水终点应保留的压力水头为h端＝6m,试确定所需的水塔高度。16 2.1.1计算各管段的水头损失以1-5段为例hf1-2=2×500=11.86m计算结果如下表：管段管长l/m流量Q(m3/s)管径d/mm流速v/(m/s)流量模数k/(l·s)水头损失hf/m2-340081001.0253.729.111-2200241501.36158.44.59A-1250392001.24341.13.272-430091001.1553.728.481-5500151251.2297.411.862.1.2确定水塔水面高程HA123=Σhfi+he+Ze=9011+4.59+3.27+6+15=37.97(m)HA124=Σhfi+he+Ze=3.27+4.59+8.48+6+14=36.34(m)HA15=Σhfi+he+Ze=3.27+11.86+6+12=33.13(m)由以上计算可看出，最不利管段为A123分叉管路，根据以上计算值略加安全系数，选用水塔水面高程为38.5米，于是水塔水面距地面高差为△Z=38.5-20=18.5（m）2.2环状管网水力计算如图所示的管网，为铸铁管，糙率n=0.0125，由A、B、C、D四个结点组成，各管段长度和直径分别在下表中标出。已知QA=0.06m3/s，QB=0.02m3/s，QC=0.055m3/s，QD=0.015m3/s。试确定各管段的流量。（要求闭合差∑hfi小于0.1m）16 管号12345管长（m）450400500500550管径（m）0.250.20.250.150.2初拟流向，分配流量。初拟各管段的流向表2-1所示。根据结点流量平衡∑Qi=0检查两环水头损失的闭合差∑hfi是否满足要求。根据第一次分配的流量，Ι环闭合差∑hfi=-0.25m；Ⅱ环闭合差∑hfi=0.34m，闭合差均大于规定值。分别计算两环的校正流量ΔQ，将ΔQ与各段第一次分配的流量相加，得第二次分配流量。第二次分配流量均在闭合差以内。完全符合要求。表2-1环号管段管长管径一次分配流量Ki(m3/s)Vi(m/s)修正系数hfi(m)hfi/Qi△Q校正流量ⅠDB5500.2-0.0240.3411-0.76-1.06-2.870.12-0.25-0.59DC5000.150.0160.15840.911.025.200.33-0.25BC5000.25-0.0390.6185-0.79-1.05-2.080.05-0.25∑0.250.50ⅡAD4500.250.0250.61850.511.140.840.030.340.34DB5500.20.0250.34110.801.053.090.120.09AB4000.2-0.0350.3411-1.11-0.98-4.120.120.34∑-0.190.28环号管段管长管径一次分配流量Ki(m3/s)Vi(m/s)修正系数hfi(m)hfi/Qi△Q校正流量ⅠDB5500.2-0.020.3411-0.78-1.05-3.000.120.05-0.09DC5000.150.020.15840.891.025.060.320.05BC5000.25-0.040.6185-0.80-1.05-2.110.050.05∑0.00-0.050.50ⅡAD4500.250.030.61850.521.140.860.030.140.14DB5500.20.030.34110.801.053.110.120.18AB4000.2-0.030.3411-1.10-0.98-4.050.120.14∑-0.070.27第三章黄河水院新水利馆给排水水力计算3.1工程概况新水利馆流量Q=1~0.8m3/s,主管管径按400mmPE钢管设计,管内流速2.5~3m/s,水利馆主要用蓄水池(800m3)井水.16 3.1.1蓄水池设计⑴蓄水池体型考虑到蓄水池的蓄水量,以及工程施工方便、经济问题，蓄水池暂设计为梯形。⑵蓄水池尺寸为减轻施工工程量，蓄水池深度不宜过大，取h=3.5m，为使蓄水池长度与西邻水利馆达到整齐美观，设计为l=20m,宽b=11.43m,蓄水池容量为V=800m3⑶蓄水池高程H=-h=-3.5m此次设计的蓄水池为东西走向，东西南角为90°，北面为边坡系数是0.5斜坡。3.2泵房设计3.2.1确定设计流量Q和选择泵型设计使用3台水泵，每台0.32m3/s的流量，总流量为0.96m3/s，满足流量在0.8～1.0m3/s的要求。吸水管使用n=0.0125,d=400mm的PE钢管。∴V吸=m/s满足速度在2.5～3.0m/s的要求L吸=2.5+1+0.6+3.5=7.6mL压=13.0-0.6+5.4+1+2.5=21.3m16 hw吸=(λ吸+ξ网+ξ弯)=（0.026×+0.36+3.1）×=1.31mhw压=（λ压+Σξ）=（0.026×+0.36×4）×=0.94m∴扬程H=Z+hw吸+hw压=14.5+1.31+0.94=16.75m通过查表选用泵形为FLG350-315A流量为347L/s,扬程24m,电机功率为110kw的泵3台。故总装机功率P=3×110=330kw3.2.2泵房尺寸由于机组间距大于1.2米，机组与墙之间的间距应大于0.7米，泵房主要通道宽应大于1.2米。所以设机组间距为1.5米，机组与墙之间的间距为2米，泵房的主要通道为1.5米。设计布置如附图。3.3水利馆大厅干支沟设计3.3.1干支沟断面形状的确定根据经验及参考有关资料设计干支沟为矩形混凝土断面.查得资料得混凝土糙率n=0.018，Q=1m3/s,取底坡i=1/100.由于三个支渠不会同时使用故设干渠和支渠的流量为Q=1m3/s。考虑到支渠出现阻塞或其他破坏时便于维修,断面宽度取b=1.3m利用试算法确定干沟正常水深.h/mA/m2X/mR/mC/(m1/2/s)(m3/s)0.200.261.700.15340.660.410.250.3251.800.18141.820.580.300.391.900.2142.870.770.350.4552.00.227543.440.940.400.522.100.24844.071.140.450.5852.200.26644.591.35经过计算可得h0=0.398mV=，V=1.93m满足1～2m/s3.3.2绘制给排水系统泵房,供水管道平面图,剖面图及排水系统干支沟平面,横断面图.见附图.16 小结通过此次课程设计的学习，使我感受最深的是实践与理论的相结合，也是对我们以前学的知识的总结和概括，使得我们在设计的过程中体会到了水力学的重要性，体会到了我们所学的知识的用途和方向。水力学课程设计是我们进入黄河水院后的又一次独立运用理论知识、解决问题。因此，我们是在不断摸索中探讨学习，积累经验，也因此使我们获益匪浅。本次课程设计是经过一学期的水力学学习之后展开的，使我们巩固知识、运用知识的一次课堂，让我们深刻的体会水力学的价值。作好本次设计：中堡坪灌区提水工程、渠道工程设计以及复杂管道水力计算，最后就是黄河水院新水利馆给排水水力计算。这些都是我们给排水专业实际运用的，同时，我发现了过去在学习水力学中的漏洞和不足之处，这也告诉我需要在哪方面改进，也为我进行给排水专业的设计打下了基础。知识上的收获重要，精神上的丰收让我更加可。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。所以说，在以后的工作和生活中，我们一定要时时刻刻的保持一颗谨慎的心.这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！参考文献：《水力学》张耀先主编化学工业出版社16 目录前言································2第一章中堡坪灌区提水工程、渠道工程1.1基本概况································31.2灌区概况····································31.3提水工程··································31.3.1提水工程概况·····························31.3.2提水工程设计流量确定······················31.3.3管道的尺寸、布置、管线长度·····················416 1.3.4确定水泵的安装高度（最大）···························41.4渠道工程······························51.4.1渠道工程概况····························51.4.2确定水力最佳断面································6第二章复杂管道水力计算2.1水塔高度计算····························82.1.1计算各管段的水头损失·······················92.1.2确定水塔水面高程······························92.2环状管网水力计算································9第三章黄河水院新水利馆给排水水力计算16 3.1工程概况··································103.1.1蓄水池设计································113.2泵房设计································113.2.1确定设计流量Q和选择泵型·······················113.2.2泵房尺寸··································113.3水利馆大厅干支沟设计····························123.3.1干支沟断面形状的确定····························1216 小结································13附图································1416'