水力学综合练习计算书汇总

'水力学综合练习计算书任务1: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设计，校核洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面曲线。一、资料某水库是一宗以灌溉为主、结合防洪、发电的综合利用工程。设带平板闸门的宽顶堰开敞式河岸溢洪道。1.水库设计洪水标准工程等别为m等，永久性主要建筑物为3级，永久性挡水建筑物、泄水和输水建筑物的洪水标准按50年洪水重现期设计，1000年洪水重现期校核。相应设计洪水标准为：p=2%设计洪水位为54.97米，泄量Q=251.40m3/s；p=0.1%校核洪水位为57.31米，泄量Q=313.60m3/s0正常水位为52.52m,泄量125.61n?/s；汛前限制水位51.52米；2.溢洪道的有关资料宽顶堰堰顶高程49.00米，堰的相对高度为P/H=0米； 堰顶设两扇平板闸门，溢洪道共设2孔，每孔净宽6.6米，闸孔 闸墩头为圆形，墩厚L4米；边墩为半圆形，厚1.0叱混凝土糙率可取n=O.012〜0.015；堰后设陡坡段，泄洪闸陡坡宽14.60米，陡坡分二段，第一段长48.90米，i=0.258,第二段长25.60米，i=0.281；陡坡段边墙高度要求比掺气水深超高0.5米；溢洪道纵剖面简图及平面图、输水涵管简图（见附页）一、计算过程若水深均小于边墙高，则原设计合理。（一）方法：先根据水面曲线的性质判别各坡段水面曲线的型式,然后按50年一遇洪水流量。采用分段求和法计算各坡段水面曲线。在此基础上，考虑掺气水深（v>7m/s时）设计陡坡段边墙高（比掺气水深超高0.5米）。再按千年一遇洪水校核，即计算出校核洪水流量通过时陡坡段的水面曲线，将各断面水深与边墙高比较，若水深大于边墙高，则应加高边墙，（一）采用公式1.判别水面曲线型式：正常水深力。的试算：矩形断而临界水深： 二、具体计算:1.水面曲线分析1)水平段(i=0)①判别水而曲线型式先求闸下出流的收缩断面水深小由于/筹=。.645＜。.65,故为闸孔出流堰上水头H=54.97-49.00=5.97m由£=0.645查《水力学》书表8—1得£"=0.674Hhc=se=0.674x3.85=2.595m单宽流量q=2=巨吐=19.04〃?3/(w〃)=2.595m,对应第二共规水B2x6.6深"畀+等八2.595」8x19.04，八.Gil+r-l)=4.2m9.8x2.5953假设水平段发生水跃，则水跃长度Lj=6.9((/-()=6.9X(4.2-2.595)=ll.lm,在实际工程上一般认为儿发生在离闸门(2-3)©的断而处，则取2e=2X3.85=7.7m由于7.7+lLl=18,8mv水平段长度19.1m,故发生水跃。计算临界水深4=空竺=3.33”,9.8由于故曲线在C区，属Co型壅水曲线。由于跃后水深之后的距离很短并且又是平坡，可不计算水平段的水面曲线。2)第一陡坡段(i=0.258)①判别水面曲线型式先进行正常水深ho的试算 流量：。=40帚n设hi=0.5m,则A尸bh]=14.6X0.5=7.3m2Xi=b+2h2=l4.6+2X0.5=15.6mR=A=H=0.468/771XI15.6q=2rM=_LLx0.468"3xV5^i=171.918〃7；〃0.013/说明所设％太小，再假设，重新计算，列于表1正常水深试算表(i=0.258)表1hbAXRQmmm2mm吆0.514.67.315.60.468171.9180.614.68.7615.80.554230.9950.714.610.22160.639296.1680.814.611.6816.20.721366.940据以上结果，作h〜Q关系曲线如图1 由曲线查得。=251,对应的水深即为正常水深ho=O.633m单宽流量：夕=&=工3=17.22〃//£〃？b14.6临界水深：hk=3^1==3.12m>ho=o.633m因为叫<4，故渠道为陡坡，由于水平段末端水流以水跌的形式进入陡坡段，故水面曲线在b区，为电型降水曲线。②用分段求和法计算水而曲线泄槽上游接宽顶堰，起始断面水深认为等于临界水深为（即入0=%）。故以临界水深%=%=3.126向下游推算,设h2=3.0m以1-1和2—2断面为例Aj=bhi=14.6X3.12=45.6inEs、=h5+—=5.519+1.554=4.674m2g同理可得A2=43.8m2，V2=5.74m/s,Es2=4.68Im0△Esiz=Es2~Esi=4.681-4.674=0.007m1一1断面水力要素:xI=b+2hi=14.6+2X3.12=20.84mQ251.4ucc,匕=—==5.519m/s445.6\5.519--^==1.554m2g19.6 =2.186mnA45.6Ki=—=20.84C.=-R^=x2.186%=87.63/〃//sn0.013同理可得X2=20.6m,R=2.126m,C=87.23〃?％/$万R1+2.186+2.126个［勺么/.R=——==2.156m22_g+c,87.63+87.23%22_匕+%5.519+5.740匚/v=」——==5.63m/s4-2=5.632c2R87.432x2.156=0.0019255两断面间距离AZ.尸左二=——吧理=0.03m/-J,_20.258-0.0019255重复上述步骤求得AL=，4―，AL4_5直到汇AL=七斜=36.7m,推算到13-13断面计算得L斜=36.78m相应%=1.111小其余各段距离的计算(计算结果见(i=0.258)表2)3)第二陡坡段(i=0.281)①判别水面曲线型式先进行正常水深h°的试算流量：Q=-Rzt34in设hi=0.5m,则Ai=bhi=14.6X0.5=7.3m2xi=b+2h2=l4.6+2X0.5=15.6ma72/?!=—=—=0.468mxx15.6q=Ar飞=11_x0.468”3xJo.281=179.9〃?：〃0.013/说明所设瓦大小，再假设，重新计算，列于表3正常水深试算表(i=0.281)表3 hbAXRQmmm2mm吆0.514.67.315.60.468179.4180.614.68.7615.80.554241.0710.714.610.22160.639309.0870.814.611.6816.20.721382.946据以上结果，作h〜Q关系曲线如图2由曲线找得Qo=251.4m3/s，对应的水深即为正常水深ho=O.618m。因h0h13=l.lllm>h0=0.618m。故水面曲线在b区，为b”型降水曲线。②用分段求和法计算水面曲线以第一陡坡段最后一断面为控制断面h13=l.lllm向下游推算，同第一陡坡段计算方法类似，计算结果（列于表4）2.边墙高设计 当断面平均流速v>7m/s时，需考虑掺气水深，在此基础上来设计边墙。由表2、表4的计算结果发现，通过设计洪水流量时，两陡坡段的断面平均流速均大于7m/s,均需考虑掺气所增加的水深。以第一陡坡段6-6断面为例计算掺气水深，其余各断面计算结果列于表5。由表4可知：h6=2.4m,v6=7.175m/s,q=17.22m",i=0.258则q=0.701g+0-826=0.701g+0.826=0.24掺气水深：h=--—=———=3.158〃？-ca1-0.24陡槽的边墙高度：”=/?.+△/?=3.158+0.5=3.7m掺气水深和陡槽边墙高度计算表5陡坡段断面hVJ九A/?Hmm/smmmi=0.2586-62.47.1750.243.1578950.53.77-72.27.8270.242.8947370.53.48-828.610.242.6315790.53.19-91.89.5660.242.3684210.52.910-101.610.760.242.1052630.52.611-111.412.30.241.8421050.52.312-121.214.350.241.5789470.52.113-131.11115.50.241.4618420.52.0i=0.28114-141.115.6540.2671.5006820.52.015-15117.2190.2671.3642560.51.916-160.95318.0680.2671.3001360.51.8由表中结果可知，第一陡坡段边墙高"z=3.7m,第二陡坡段边 墙I曷"max=2.0m。3.按校核洪水量校核边墙高按千年一遇洪水泄流量Q=313.6米3/秒计算出各坡段水面曲线,计算方法同前。2）第一陡坡段（i=0.258）①判别水面曲线型式流量：Q=—R"yfi=313.6mVsn查图1查得相应的正常水深h°=0.725m。单宽流量q=—=上上=21.48w3/（5./n）b14.6临界水深hk=3^==3.6lm>ho=O.725m因为为<4故渠道为陡坡，由于水平段末端水流以水跌的形式进入陡坡段，故水面曲线在b区，为加型降水曲线。②以％=3.61m为控制断面向下游推算，计算结果（列于表6）3）第二陡坡段（i=0.281）流量：e=-/?23VI=313.60m3/s查图2查得相应的正常水深h0=0.718mo因h0hio=1.353m>h（）=0.718mo水面曲线在b区，故产生型降水曲线。以hu）=L353m为控制断面向下游推算，计算结果（列于表7）4）.掺气水深计算，结果列于表8 校核洪水掺气水深计算表8陡坡段断面hu%%mm/smi=0.25822.77.9550.243.5532.58.5920.243.2942.39.3390.243.0352.110.2280.242.766210.740.242.6371.910.3050.242.5081.712.6350.242.2491.514.320.241.97101.35315.8750.241.78i=0.281111.315.8750.2671.77121.216.5230.2671.64131.14518.7590.2671.56 由此可见p=0.1%时，第一陡坡段儿max=3.55m＜边墙高3.7m,第二陡坡段儿max=L77m＜边墙高2m,故当通过千年一遇洪水时，边墙高满足要求，设计合理。3.绘制陡坡段纵剖面水面曲线图（见图3） 任务2.绘制正常水位至汛前限制水位〜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。一、资料：千年一遇洪水时，Q=313.6米7秒，相应上游水位57.31米;正常高水位为52.52米，汛前限制水位51.52米;宽顶堰堰顶高程49.00米，堰的相对高度为P/H=O米。闸门运用情况：洪水来临，用闸门控制下泄流量等于进库流量,保持汛前限制水位不变；当闸门底提升到汛前限制水位51.52米时，闸门全开。二、计算过程（一）方法：先分析资料，正常高水位系指为满足设计的兴利要求，设计枯水年开始供水时应蓄到的水位；汛前限制水位指水库在汛前期允许兴利蓄水的上限水位。绘制正常水位至汛前限制水位前限制水位〜相对开度〜下泄流量的关系曲线时，下泄流量由闸门控制，其值等于进库流量，流量计算按闸孔出流考虑。而绘制汛前限制水位以上的水库水位〜下泄流量的关系曲线时，闸门底提升到汛前限制水位51.52米时，闸门全开，闸孔高度为e=3.85m。由于设有胸墙，若为堰流，胸墙对水流有局部约束，故要计算e/H判别是闸孔出流还是堰流，若e/HW0.65按闸孔出流计算，e/H>0.65按堰流计算。（一）所用公式1.绘制Z〜二〜Q关系曲线H闸孔出流流量公式Q二曲e廊｝其中〃=0.6-0.18—H式中Q一闸孔出流流量M/S）〃一流量系数 b-过水净宽（m）e-闸门开度（m）H一上游堰顶作用水头（m）1.绘制Z〜Q关系曲线堰流流量公式Q=b产〃B收H%其中“1-0.2[/+（〃-1）.但nb式中q——淹没系数£——侧收缩系数,已知％=0.7,4=0.45m流量系数,由于£=0,m=0.385HB——过水净宽H——同前（二）具体计算l.z〜二〜Q关系曲线H算例：当£=o.1,Z二例.52m时HH=52.52-49=3.52m故e=£XH=0.1X3.52=0.352mH〃=0.6-0.18—=0.6-0.18X0.1=0.582HQ-〃2gH=0.582X2X6.6X0.352XJ19.6x3.52=22.46m3/s当£=o.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.65时，计算结果列于表9。H表9Z~e/H~Q关系曲线计算表ZHe/He师Q-//be12gHmminmm3/s52.523.520.10.3520.5828.306142322.46 5230.10.30.5827.668115817.6751.522.520.10.2520.5827.027944213.6152.523.520.20.7040.5648.306142343.535230.20.60.5647.668115834.2551.522.520.20.5040.5647.027944226.3752.523.520.31.0560.5468.306142363.225230.30.90.5467.668115849.7451.522.520.30.7560.5467.027944238.2952.523.520.41.4080.5288.306142381.515230.41.20.5287.668115864.1351.522.520.41.0080.5287.027944249.3752.523.520.51.760.518.306142398.415230.51.50.517.668115877.4351.522.520.51.260.517.027944259.61 52.523.520.62.1120.4928.3061423113.935230.61.80.4927.668115889.6451.522.520.61.5120.4927.027944269.0152.523.520.652.2880.4838.3061423121.165230.651.950.4837.668115895.3351.522.520.651.6380.4837.027944273.392.绘制z〜三〜Q关系曲线（见图3）H3.绘制Z〜Q关系曲线（1）闸孔出流Z〜Q关系曲线计算由于e/HW0.65按闸孔出流计算，计算方法同上。（结果见表10） 表10闸孔出流Z〜Q关系曲线计算表ZHe/He12gHQ=〃mmmmm3/s5560.6423.850.484510.844353267.0155.56.50.5923.850.49338511.287161283.015670.5503.850.50111.71324298.2356.57.50.5133.850.507612.124356312.765780.4813.850.51337512.521981326.6957.318.310.4633.850.51660612.762288335.06（2）绘制闸孔出流Z〜Q关系曲线（见图4）（3）堰流Z〜Q关系曲线计算算例：z=51.52m时，H=51.52-49.00=2.52%"o（忽略）由于£=0流量系数m=0.385H侧收缩系数£=1-0-2除+（"+1）£0也nb =l-0.2[0.7+(2-l)X0.45]X2x6.6=0.9561下游水位不影响泄流1.0泄流量Q=5切?B忌H%=1X0.9561X0.385X2X6.6X71^x2.52%=86.05m3/s同理，可得其他水位对应的泄流量，列入表11。表11堰流Z〜Q关系曲线计算ZHe/Hm£而hQ=&nB血不mmmm3/s51.522.521.5280.3850.95614.4271894.00086.055231.2830.3850.94774.4271895.196110.8052.53.51.1000.3850.93904.4271896.548138.345340.9630.3850.93034.4271898.000167.4553.54.50.8560.3850.92164.4271899.546197.935450.7700.3850.91294.42718911.180229.6354.55.50.7000.3850.90424.42718912.899262.39据以上结果可作堰流z〜Q的关系曲线如图5 任务3.溢洪道下游挑流消能计算：水流衔接计算、挑距长度、冲刷坑深度、冲刷坑后坡计算。绘制冲刷坑纵图。一、资料溢洪道下游河床高程为25.00米；水库水位〜容积〜泄量关系（见表1）;溢洪道下泄流量〜下游水位关系（见表2）；起挑流量为Q=37.23m7s；河道糙率n=0.033；下游河道岩石软弱破碎，冲刷坑系数k=l.6;水库下游无防洪任务。连续式挑坎，挑坎高程为30.2米，挑角0二18。表1水库水位〜容积〜泄量关系水库(m)52535455565758库容（万立米）2093231025352765300432403471泄量（秒立米）98.08151.02211.00252.44280.83306.04330.16绘制水库水位〜泄量关系曲线如（图6） 表2下泄流量〜下游水位关系泄量(mVs)2.6939.60171.64401.90水位（m）25.0027.3728.7830.38绘制下泄流量〜下游水位关系曲线如（图7）二、计算过程方法：先进行设计流量3251.41117s时的水流衔接形式计算，若此时第二陡坡段末端水深（视为收缩断面水深）对应的第二共胡水深大于或等于下游水深时产生远离式水跃或临界水跃，要进行消能结构水力计算，若小于下游水深，产生淹没式水跃，不需消能。若要消能，采用挑流消能措施。（一）所用公式L水流衔接形式式计算：水跃方程，前已列； 2.挑流消能结构水力计算空中总巨L。=/Ssin2Nl+Jl+=W-]（m）8「Msin0式中%——流速系数劭=*一詈其中k——流能比k二；病”S1——上游水位至挑坎顶部的高差（m）0——鼻坎挑射角（°）a——下游挑坎高，即下游河床至挑坎顶部的高差（m）儿——冲刷坑后下游水深（m）冲刷坑深度T=AT#5Z025-^式中T——冲刷坑深度Ks——冲刷坑系数，由资料k=1.6q单宽流量（n？/s）力,同上。水下挑距3=3（m）区0式中B水舌入水角（"），COS尸=卜-、XCOS0其余符合同前总挑距L=L°+L(m)冲刷坑后坡i=y许可的最大临界后坡1=白〜(乙•JJ(二)具体计算1.下游水流衔接计算 由表12的计算结果,Q=25L4m7s时，末端段面水深h=h=O.867m,而q=&=^^=17.22m7(s.m)b14.6故鼠对应的第二共规水深h〃=&11+驾_1’2甑30.867/I8xlxl7.222,=x(J1+r-129.8x0.867s=7.93m>/：f=4.54m,产生远离式水跃要消能，2.挑流消能结构水力计算以Q=313.6m7s,Zi=57.31m,Z下=30m为例进行计算,由已知得S=57.31-30.2=27.11mZ=57.31-30=27.31ma=30.2-25-0=5.2mSinl8°=0.309017 Sin20=sin36°=0.587785Cosl8°=0.951057q=—=3136=21.48m3/(s.m)b14.6人=嵩=£臂.1产=0.04860.0551_0909O.48605乂cosQ=声cos。例S[+Z-S]0.909-x27.ll0.9092x27.11+27.31-27.31x0.9510=Q9426故P=19.5°tgP=0.35413空中挑距：Lo二疑|Sin28[l+]9"]Sirre=0.909-X27.11X0.5878[1+ai1+5.2-50.9092x27.11x0.0.3090177"I=26.922m冲刷坑深度：T=K/z。”—九=1.6x21.4805x27.31025-5=11.952m水下挑距什卷二色⑷.868m总挑距L=Lo+Lk26.922+47.868=74.79m冲刷坑后坡i=二=上辫=0.1598