工程水力学实训指导书.doc

'工程水力学实训指导书水力学教研室2008-3-21 目录一、灌溉引水系统（包括取水口及输水系统）的水力计算………………2二、引水式电站的引水系统的水力计算………………………………………4三、水闸水力计算………………………………………………………………6四、拦河溢流坝水力计算…………………………………………………………7五、河岸溢洪道水力计算…………………………………………………………9六、段村水利枢纽水利计算………………………………………………………12七、颖河拦河闸水力计算…………………………………………………………15八、开敞式溢洪道水力计算………………………………………………………16 工程水力学实训教学环节的目的是巩固学生对工程水力学的基本概念、基本原理和基本方法的掌握，加深对有关公式及图表的使用范围和使用方法的理解，加强理论联系实际及培养独立分析和解决实际问题的能力，使学生初步了解各种水工建筑物的水力计算过程，调动和提高学生学习专业课的积极性。由于实际工程的多样性，条件千变万化，在每个具体的工程实例中，只能选取常见而又有代表性的条件。一、灌溉引水系统（包括取水口及输水系统）的水力计算（一）基本资料为了从水库引水灌溉，在某水库的岸边修建一取水口，取水口后经过无压隧洞流入渠道。为控制引水流量，取水口设有控制闸门，控制闸门通过竖井来操作，取水口前缘为喇叭口形，其后为断面尺寸不变的（矩形）压力引水段直至门孔，闸门后有一（在平面上）扩散段进入消力池，扩散段长度为12米。从进口至闸门之间水流为有压流，门后转为无压流。闸后有消力池，消力池后隧洞中水流保持缓流状态，水流出隧洞以后进入干渠。引水系统的首部纵剖面构造情况见图1-1。水库正常蓄水位为460.0米，取水口进口高程为442.0米。根据规划，取水口过流能力的要求是：当水位在445.0米以上时，取水口取水流量不低于干渠的设计流量，Q=12m3/s。取水口宽度为2米，取水口局部水头损失系数ζ=0.1，工作闸门及检修闸门共计局部水头损失系数ζ=0.3，沿程水头损失系数λ=0.016。根据地形、地质条件，选定无压隧洞的底坡i=1/2000，隧洞以浆砌条石衬砌，糙率n=0.02，无压隧洞的横断面形状及尺寸见图1-2，结合施工条件确定隧洞净宽b=3.0米，隧洞直墙高度3.5米。自消力池末算起的隧洞长度为200.0米。 二计算任务图1-2无压隧洞横断面1、按规划的过流能力要求，闸孔全开的工作条件校核过流能力是否满足要求。2、绘制在不同闸门开度下，水库水位和泄放流量的关系曲线。不同闸门开度下的流速系数见表1-1。3、计算通过设计流量时无压隧洞洞内水深，校核洞内流速是否满足抗冲要求。4、计算消力池的池深及池长。提示：计算消力池深度时所考虑的工作条件是：库水位为最高水位，流量从小到大直至设计流量为止。表1-1平板闸门不同开度下的流速系数开度e（m）0．150．30．60．91．21．5φ0．960．950．930．890．850．73图1-1灌溉引水系统首部纵剖面构造图 二、引水式电站的引水系统的水力计算（一）基本资料在山区河流，由于天然落差较大，常采用引水式电站来开发水力资源。引水式电站的引水系统，一般由开敞式取水口、输水明渠、前池和由前池至厂房水轮机之间的压力管道四部分组成。引水式电站引水系统纵剖面见图2-1。根据工程实际情况，进水闸设在拦河闸上游的右岸（见图2-2）。输水明渠横断面为梯形，渠长5000米，底坡i=1/2500，渠底宽b=4米，渠道是在半风化的岩石中开挖，n=0.02，边坡系数m=0.5。进水闸轴线与河道水流之间的夹角（引水角）为45°，进水闸闸前正常引水位为761.0米，最高洪水位为763.5米，正常引水位时，进水闸的设计引用流量为16m3/s,在闸前最低引水位为760.2米时，引用流量要求保证不低于10m3/s。在正常引水位时，河中流速v0=1.0m/s。在最低引水位时，河中流速v0=0.8m/s。进水闸处河床高程为757.5米，闸底板高程为759.0米，为了使闸前的河水位和闸后水位保持一定落差，将护坦高程降至闸底板高程以下0.8米，即护坦高程为758.2米。引水闸闸孔数n=3，闸墩为圆形，墩厚d=1.0米，边墩为矩形，边墩的计算厚度Δ=0.8米。（二）计算任务1、绘制输水明渠中水深与流量关系曲线。2、确定在正常引水位和最低引水位都满足流量要求的闸孔宽度，（假设护坦末端的水深与输水明渠中水深相同）。3、校核引水闸后是否需要修建消能设施，如需要则进行消能设计。 图2-1图2-1 三水闸水力计算（一）基本资料某平底水闸担负汛期某河部分排洪的任务，汛期当临闸泄洪流量达5000m3/s时，本闸开始泄洪。水闸设计洪水流量为1680m3/s，相应的上游水位为7.18米，下游水位为6.98米。校核洪水流量为1828m3/s，相应的上游水位为7.58米，下游水位为7.28米。汛期临闸泄洪流量为5000m3/s时，本闸开始泄洪，此时上下游水位差最大，其相应的上游水位为5.50米，下游水位为2.50米。闸底板高程为-1.00米，闸门为平面闸门，闸墩墩头为尖圆形，墩厚d=1.00米。翼墙为圆弧行，圆弧半径r=12米。闸址处河道断面近似为矩形，河宽B0=160米。（二）计算任务1．确定水闸溢流宽度及闸孔数；2．闸下消能计算。 四拦河溢流坝水力计算一、基本资料为了解决某区农田灌溉问题，在某河建造拦河溢流坝一座，用以抬高河中水位，在拦河坝上游300米处设一引水闸，用以引水灌溉。基本资料包括：1．设计洪水流量540m3/s；2．坝址处河底高程为43.5米；3．由灌区高程和灌溉要求确定坝顶高程为48.0米；4．为减少建坝后的雍水对上游的影响，根据坝址处河面宽度采用坝的溢流宽度B＝60米；5．溢流坝为无闸墩和闸门的单孔堰，采用WES型实用堰剖面，没有圆弧行翼墙；6．坝前水位与河道过水断面面积的关系见表4-1；7．坝下游水位与河道流量关系见表4-2；8．坝基土壤为中砾石；9）河道平均底坡i=0.00127；10．河道实测平均糙率n=0.04；11．引水闸闸底板高程44.0米；12．引水闸正常引水流量232m3/s；13．闸下游为底坡为0.01的矩形断面渠道，糙率n=0.014，渠道长为100米。下游为底宽与闸宽相同的浆砌块石矩形支渠，底坡i=0.001。表4-1坝前水位与河道过水断面面积关系表坝前水位（m）48.446.648.949.249.449.649.850.150.350.550.6河道过水断面面积（m2）300325350375400425450475500525550 表4-2坝下游水位与河道流量关系表坝下水位（m）4444.2544.544.754545.2545.545.754646.2546.54747548河道流量（m3/s）15306075100130160200220265300375475575二、计算任务1．确定坝前洪水位；2．确定坝前断面尺寸；3．绘制坝前水位与流量关系曲线；4．绘制坝上游雍水曲线；5．坝下消能计算；6．闸宽计算；7．绘制闸下游水位与流量关系曲线；8．闸下游消能计算；9．闸后水面线计算与绘制。 五河岸溢洪道水力计算一基本资料某水库带胸墙的宽顶堰式河岸溢洪道（见图5-1），用弧形闸门控制下泄流量，溢洪道共三孔，每孔净宽10米，闸墩墩头为尖圆形，墩厚2米，翼墙为八字形，闸底板高程为33.0米，前沿为圆弧形。胸墙底部为圆弧形，圆弧半径r=0.53米，胸墙底部高程为38.0米，闸门圆弧半径为7.5米。弧形闸门门轴高程为38.0米，闸后接第一斜坡段，底坡i1=0.01，水平长度为100米，底宽为34米，第一斜坡段后接第二斜坡段，i2=0.05，水平长度为40米，底宽由34米变为30米，为渐变段，第二斜坡段后接第三斜坡段，底坡i3=1/6，水平长度为40米，底宽为30米。上述三个斜坡段的横断面均为矩形断面。溢洪道用混凝土浇筑，糙率n=0.014。水库设计洪水位为42.07米，校核洪水位为42.40米。溢洪道下游水位与流量的关系曲线见图5-2。二计算任务当闸门全开时：1．绘制库水位与溢洪道的流量关系曲线；2．绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线；3．若下游河床较低，则在第三段的末端设连续式挑流坎，挑射角θ=25°,试计算溢洪道下游最大冲坑深度和相应的挑距。（溢洪道下游水深查图5-2，其他数据见图5-1）4．若下游河床高程等于第三斜坡段末端的高程，试作底流式消能的水力计算。提示1．胸墙底缘为圆弧行，闸孔出流时流量按以下公式计算： 式中：（）r－胸墙底部圆弧半径（m）。2．挑坎末端的流速v按下式计算：式中：φ—流速系数，取0.93；S1—挑坎至闸上水位高差（m）。图5-1图5-2 六段村水利枢纽水利计算一、基本资料段村水利枢纽工程位于颖河上游登封县境内。控制流域面积94.1平方公里。根据水能计算，该枢纽死水位348米，最高兴利水位360.52米，相应库容1423.07万立方米。设计洪水位按50年一遇为363.62米，相应库容1998.36万立方米，溢洪道泄洪量540m3/s，泄洪洞泄洪量90m3/s，校核洪水位按500一遇，为364.81米，相应库容2299.68万立方米，溢洪道泄洪量800m3/s，泄洪洞泄洪量110m3/s。根据地形、地质条件和水力条件初步拟定。（一）溢洪道溢洪道由六段组成，如图7-1所示。1．引渠段长120米，底坡i=0，边坡1：1.5，混凝土衬砌。2控制段采用平底坎宽顶堰，顺水流长度20米。。3．渐变段断面为矩形，长60米，底坡1：50。4．第Ⅰ陡槽段断面为矩形，底宽40米，长596米，底坡1：200。5．第Ⅱ陡槽段断面形状及尺寸同第Ⅰ陡槽段，长40米，底坡1：8。6．挑流消能段下泄设计洪水时，挑坎下游尾水渠水位350.64米，下游河底高程347.2米。（二）泄洪洞泄洪洞由11段组成，如图7-2所示。1．进口段采用底部高程342米，长10米。进口喇叭形塔架式进水口，进口设拦污栅δ＝0.15，进口局部水头损失系数ζ＝0.1。2．闸室段横断面为4米×4米的矩形断面，长6米，门槽δ＝0.1。3．渐变段横断面由4米×4米的矩形断面渐变为直径为3.5米的圆形断面，长10米，渐变段δ＝0.05。 4．洞身段横断面是直径为3.5米的圆形断面，长170米。5．第二渐变段横断面由直径3.5米的圆形断面渐变为3.2米×3.2米的矩形断面，长10米。6．洞后闸室段底部高程为341米，长12米。7．平坡段底宽3.2米，长7米。8．扩散斜坡段扩散角15°，底坡1：5。9．消能段，10．扭曲面11．尾水渠底部高程337米，底坡1：0.001，底宽14米，边坡1：1.5。二、计算任务1．确定引水渠断面。2．确定控制段垂直水流方向宽度。3．验算渐变段长度是否满足要求（扩散角应小于15°）。4．按设计洪水流量计算并绘制溢洪道水面曲线，计算各断面掺气水深。5．拟定挑坎形状及尺寸（溢洪道出口河底高程347米，岩石坚硬，完整性较差）。计算挑距，验算是否满足稳定要求。6．验算泄洪洞是否满足泄洪要求（设计洪水位、校核洪水位两种情况）。7．分析泄洪洞下游水流衔接形式，设计消力池。 图7-1图7-2 七颖河拦河闸水力计算（一）基本资料颖河拦河闸位于郾城县境内，闸址位于颖河京广铁路桥上游和吴公渠入颖河口下游之间。流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1/6200。上下游河道断面尺寸见图8-1。在灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.72，下游无水。设计洪水为50年一遇，相应的洪峰流量1144.45m/s，闸上游的洪水位59.5m，相应的下游水位59.35。校核洪水位为200年一遇，相应的洪峰流量1642.89m/s，闸上游的洪水位61.0m，相应的下游水位60.82。拦河闸闸底板高程51.92米。上游闸墩墩头为半圆形，墩厚为1米，下游墩头为流线形。采用圆弧形翼墙，Δ=1。（二）计算任务1．确定水闸溢流宽度及闸孔数；2．根据水闸所在河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线；3．闸下消能计算。 八开敞式溢洪道水力计算（一）基本资料为了宣泄规划库容所不能容纳的洪水，某水库采用开敞式正槽溢洪道泄洪。设计洪水位为449.21m，相应的溢洪道泄量1275m3/s，校核洪水位为451.22m，相应的溢洪道泄量为1900m3/s。正槽溢洪道通常由进水渠，控制段，泄槽，消能防冲措施和出水渠等五部分组成。引水渠长L＝40m，横断面为梯形，底坡为平坡，边坡采用1：0.8，渠底高程为443.00m，渠内流速3