水力学计算说明书.doc

'水力学实训设计计算书指导老师：柴华前言水力学是一门重要的技术基础课，它以水为主要对象研究流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，是高等学校许多理工科专业的必修课。在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以水力学和流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。水利工程、土建工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等专业都将水力学或流体力学作为必修课之一。水力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程教学的主要任务是使学生掌握水力学的基本概念、基本理论和解决水力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关水力学问题的能力。 水是与我们关系最密切的物质，人类的繁衍生息、社会的进化发展都是与水“唇齿相依、休戚相关”的。综观所有人类文明，几乎都是伴着河、海而生的通过学习和实训，应用水力学知识，为以后的生活做下完美的铺垫。 任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。任务三：绘制正常水位到汛前限制水位~相对开度~下泄流量的关系曲线；绘制汛前限制水位以上的水库水位~下泄流量的关系曲线。任务四：溢洪道消力池深、池长计算：或挑距长度、冲刷坑深度和后坡校核计算任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。1.根据100年一遇洪水设计，已知驼峰堰上游水位25.20，堰顶高程18.70，堰底高程为17.45，计算下游收缩断面水深hC，P=18.70-17.45=1.25mH=25.20-18.70=6.5mP/H=1.25÷6.5=0.19<0.8为自由出流m=0.32+0.171(P/H)^0.657=0.442设H0=H，由资料可知溢洪道共两孔，每孔净宽10米，闸墩头为圆形，敦厚2米，边墩围半圆形，混凝土糙率为0.014.故查表可得：ζ0=0.45ζk=0.7ε=1-0.2（ζk+（n-1）ζ0）×H0/nb=0.92H0=（q/（εm（2g）^0.5））^2/3=6.77mE0=P+H0=6.77+1.25=8.02m查表的：流速系数ψ=0.94 根据公式E0=hc+q2/2gφ2hc2，可求出hc=3.63mq=Q/B=633.8÷22=31.69m3/s则其共轭水深：hc”=hc((1+8q2/ghc3)1/2-1)=5.92m水跃发生位置Lj=6.9(hc”-hc)=6.9×(5.92-3.29)=18.15m>5m,故不发生水跃。2.临界水深hk计算：根据矩形断面渠道临界水深hk的计算，其水面宽度与底宽相等，即B=b，M=bh,令，则，q为单宽流量，a为动能修正系数。所以：hk=4.68m平坡段水面曲线计算（1）判断水面曲线的型式该段为平坡,收缩断面hc=3.63,hk=4.68，属于C区的水面曲线为C0型壅水曲线。（2）水面曲线计算以闸后断面为控制断面向下游推算。将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=3.63米，假定h2=3.634米、h3=3.648、h4=3.642、h5=3.6455米，根据已知渠道全长（即L=5m）。将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。具体计算结果如下：取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1h1=3.63米A1=bh1=3.63×20=72.6m2v1=Q/A1=633.8/72.68=8.73(α=1)Es1=h1+v12/2g=3.63+8.732/（2×9.8）=7.518m同理，可算出h2=3.634m，A2=72.68m2，v2=8.72m2/s，Es2=7.514ΔEs=-0.0046计算平均水力坡降计算同理：J1=0.003489=1/2(J1+J2)=0.0348==1.31。其他断面如表所示 以图可知5-5断面水深可得为3.646m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示 陡坡段水面曲线计算（1：10）1.（1）试算法和图表法求正常水深①试算法。假设一系列的正常水深h0值，代入天然河道公式Q=AC，计算出相应的流量Q值。根据水深和流量值绘出h0~Q关系曲线，然后根据已知流量Q，在曲线上查出需求解得天然河道水深h0.求h0，hk,判别水面线类型。设h0=2.49，2.485，2.475，2.465，2.45.，分别计算出相应的面积A，湿周X，水利半径R，谢才公式C及流量Q值，见表。水深试算1h0(m)A(m2)χ(m)R(m)C(m1/2/s)Q=√Ri(m3/s)2.4954.7826.982.03039326.03068642.53612392.48554.6726.972.02706725.98804639.67100042.47554.4526.952.02040825.90267633.96014092.46554.2326.932.01373925.81717628.27514392.4553.926.92.00371725.68869619.7961729由表数据绘出h0~Q曲线，如图所示。根据设计流量Q=633.8m3/s，在曲线上差的渠道正常水深h0=2.474m临界水深令，则，q为单宽流量，a为动能修正系数。所以：hk=(q2/g)1/3=4.39m。H-Q曲线图2.432.442.452.462.472.482.492.5642.5361239639.6710004633.9601409628.2751439619.7961729H-Q曲线图（1）判断水面曲线的型式hk>h>h0,渠道为陡坡,故水曲线为B2型降水曲线（2）水面曲线计算断面为控制断面向下游推算。将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=3.646米，假定h2=3.21米、h3=2.966、h4=2.775、h5=3.633米，根据已知渠道全长（即L=20.1）。将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。具体计算结果如下：取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1h1=3.646米A1=bh1=3.63×20=80.201m2v1=Q/A1=633.8/80.201=7.9026(α=1)Es1=h1+v12/2g=3.646+7.92/（2×9.8）=6.831m 同理，可算出h2=3.21m，A2=70.62m2，v2=8.97m2/s，Es2=7.319ΔEs=0.4877计算平均水力坡降计算同理：J1=0.002755=1/2(J1+J2)=0.0034==5.04。其他断面如表所示以图可知5-5断面水深可得为2.633m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示 边墙高计算：已知各断面水深h、流速v、水利半径R，查表可知掺气水深系数k=0.005可求出个断面边坡高墙1-1断面高强计算：已知h1=3.646m、v1=7.902m2/s、R1=2.738mβ==0.89764ha==3.646÷0.89764=4.54364陡坡段边墙高度要求比掺气水深超高2m故边坡墙高度为：6.5m同理，可求出2-2、3-3、4-4、5-5断面边坡墙高度，如表所示：断面h（m）A(m^2)x(m)R(m)C(m^0.5/s)v（m/s）βh墙1-1断面3.645580.20129.2912.738076590.9838367.90264460.895766.541262-2断面3.2170.6228.422.484869889.5242298.97479470.8580876.0680873-3断面2.96665.25227.9322.33610288.6077999.71311220.8291545.7951544-4断面2.77561.0527.552.21597187.83157310.3816540.8011865.5761865-5断面2.63357.92627.2662.124477487.21650210.9415460.7766945.409694陡坡段水面曲线计算（1：3.02）1.（1）试算法和图表法求正常水深①试算法。假设一系列的正常水深h0值，代入天然河道公式Q=AC，计算出相应的流量Q值。根据水深和流量值绘出h0~Q关系曲线，然后根据已知流量Q，在曲线上查出需求解得天然河道水深h0.求h0，hk,判别水面线类型。设h0=2，1.9，1.897，1.85，1.8，分别计算出相应的面积A，湿周X，水利半径R，谢才公式C及流量Q值，见表。水深试算2h0(m)A(m2)χ(m)R(m)C(m1/2/s)Q=√Ri(m3/s)244261.69230821.69625714.6174　1.941.825.81.62015520.77122635.9355　1.89741.73425.7941.61797320.74325633.6492　1.8540.725.71.58365820.3033598.3954　 1.839.625.61.54687519.83173562.0565　由表数据绘出h0~Q曲线，如图所示。根据设计流量Q=633.8m3/s，在曲线上差的渠道正常水深h0=1.896m临界水深hk=(q2/g)1/3=4.39m。H-Q曲线图1.71.751.81.851.91.9522.05714.6174141635.9355028633.6492306598.3954242562.0564586H-Q曲线图（1）判断水面曲线的型式因为渠道为陡坡，且hk>h>h0,故水曲线为c0型降水曲线（2）水面曲线计算断面为控制断面向下游推算。将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=2.633米，假定h2=2.3米、h3=2、h4=1.8、h5=1.62米，根据已知渠道全长（即L=28.97m）。将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。具体计算结果如下：取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1h1=2.633米A1=bh1=2.633×22=57.926m2v1=Q/A1=633.8/57.926=10.94(α=1)Es1=h1+v12/2g=3.63+8.732/（2×9.8）=7.518m同理，可算出h2=2.3m，A2=50.6m2，v2=12.5m2/s，Es2=10.3ΔEs=1.56计算平均水力坡降计算同理：J1=0.0074=1/2(J1+J2)=0.093==4.85。其他断面如表所示 以图可知5-5断面水深可得为1.62m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示边墙高计算：已知各断面水深h、流速v、水利半径R，查表可知掺气水深系数k=0.005可求出个断面边坡高墙1-1断面高强计算：已知h1=2.633m、v1=10.9m2/s、R1=2.1mβ==0.77ha==3.646÷0.77=3.4 陡坡段边墙高度要求比掺气水深超高2m故边坡墙高度为：5.4m同理，可求出2-2、3-3、4-4、5-5断面边坡墙高度，如表所示：断面h（m）A(m^2)x(m)R(m)C(m^0.5/s)v（m/s）βh墙1-1断面2.63357.92627.2662.124477487.21650210.9415460.7766945.4096942-2断面2.350.626.61.902255685.62517312.5256920.7038285.0038283-3断面244261.692307783.97239414.4045450.6151754.6151754-4断面1.839.625.61.54687582.72418916.0050510.5420364.3420365-5断面1.6235.6425.241.412044481.47631417.7833890.4667054.086705综上所述：两陡坡相接及平坡与陡坡相接各断面墙高分别为6.5m，5.4m及下游墙高4.1m,按千年一遇洪水流量校核，可得陡坡各断面曲线图如下：（方法与百年计算相同）一陡坡 二陡坡段一陡坡渗气水深断面h（m）A(m^2)x(m)R(m)C(m^0.5/s)v（m/s）βh渗气1-1断面3.645580.20129.2912.738076590.9838369.3826760.8590764.5045762-2断面3.4676.1228.922.632088590.3871589.88570680.8407364.3007363-3断面3.2671.7228.522.514726589.70261610.4921920.8174284.0774284-4断面3.0767.5428.142.400142189.00808911.1415460.7912183.8612185-5断面2.89263.62427.7842.289951188.31361911.8272980.7623893.654389二陡坡渗气水深断面h（m）A(m^2)x(m)R(m)C(m^0.5/s)v（m/s）βh渗气1-1断面2.89263.62427.7842.289951188.31361911.8272980.7623893.6543892-2断面2.5656.3227.122.076696286.88646813.3611510.6951253.2551253-3断面2.2549.526.51.867924585.3656615.202020.6130352.8630354-4断面2.0244.4426.041.706605284.09022116.9329430.5384492.5584495-5断面1.86240.96425.7241.592442983.1254418.3697880.4805022.342502 依表可知，千年一遇渗气水深均低于其相对应边墙高度如：一陡坡：h1渗=4.5m0.24m0=0.414（P/H）-0.0652=0.414×(0.298)-0.0652=0.45当P/H<0.24时，m0=0.385+0.171×（P/H）0.657ε=1－0.2[ξk+（n-1）ξ0]H/nb=1－0.2×[0.7+(2－1)×0.45]×4.2÷2÷10=0.952因为下游水位比堰顶低的多，应为自由出流，故δs=1.0Q=δsεm0BH3/2=1.0×0.952×0.45×20××4.23/2=326.5m3/s同理可求出当Z=23.5、24.5、25.5、26.3m时的下泄流量，如表：ZHP/Hm0εQ(m3/s)22.94.20.2976190.4480410.9517324.974823.95.20.2403850.4543240.9402448.485624.55.80.2155170.3912020.9333451.567425.36.60.1893940.3906970.9241542.042626.37.60.1644740.3901930.9126660.5998汛前限制水位以上水库水位~下泄流量的关系曲线图： 任务四：溢洪道消力池深、池长计算：或挑距长度、冲刷坑深度和后坡校核计算h=hc=1.62mq=Q/B=633.8÷22=28.89m3/shc″=1.62÷2×(-1)=9.48m>4.56为远离式消能，建挑流式消力池。基本数据：Q=633.8m3/sS1=25.39-6.6=18.79z=26.3-4.56=20.83ma=6.6m=0.375=0.927=0.695流能比：K=K=28.89÷÷18.791.5=0.124流速系数φ===0.945入水角β==0.875β=28.9°tanβ=0.552（1）空中挑距L0==28.49m（2）冲刷坑深度因基岩软弱破碎，裂隙发育，故取Ks=1.6T=Ksq0.5Z0.25-4.56=1.6×28.890.5×15.290.25-4.56=14.68m（3）水下挑距L1===34.86m（4）总挑距L=L0+L1=28.49+34.86=62.45m冲刷坑后坡i===0.235