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精品水力学计算说明书

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。

5m

P/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。

7

ε=1-0。

2（ζk+（n—1）ζ0）×H0/nb=0。

92

H0=（q/（εm（2g）^0。

5））^2/3=6。

77m

E0=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=72.6m2

v1=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1

h0（m）

A（m2）

χ（m）

R（m）

C（m1/2/s）

Q=√Ri（m3/s）

2.49

54。

78

26.98

2.030393

26.03068

642.5361239

2。

485

54.67

26.97

2.027067

25.98804

639.6710004

2.475

54.45

26。

95

2.020408

25.90267

633。

9601409

2.465

54.23

26.93

2.013739

25.81717

628。

2751439

2.45

53.9

26.9

2。

003717

25.68869

619。

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。

（3）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

（4）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=2.738m

β=

=0.89764

ha=

=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）

β

h墙

1—1断面

3.6455

80。

201

29.291

2.7380765

90.983836

7.9026446

0。

89576

6。

54126

2-2断面

3。

21

70.62

28。

42

2.4848698

89.524229

8。

9747947

0。

858087

6.068087

3—3断面

2.966

65.252

27。

932

2.336102

88.607799

9。

7131122

0.829154

5.795154

4—4断面

2。

775

61。

05

27.55

2。

215971

87.831573

10.381654

0。

801186

5.576186

5-5断面

2.633

57.926

27.266

2。

1244774

87。

216502

10.941546

0.776694

5.409694

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2

h0（m）

A（m2）

χ（m）

R（m）

C（m1/2/s）

Q=√Ri（m3/s）

2

44

26

1。

692308

21.69625

714。

6174

1.9

41.8

25.8

1.620155

20.77122

635.9355

1.897

41.734

25.794

1.617973

20。

74325

633.6492

1.85

40。

7

25.7

1。

583658

20.3033

598.3954

1。

8

39。

6

25。

6

1。

546875

19。

83173

562.0565

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.

（5）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

（6）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=57.926m2

v1=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。

1m

β=

=0。

77

ha=

=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）

β

h墙

1-1断面

2。

633

57.926

27。

266

2.1244774

87。

216502

10。

941546

0.776694

5.409694

2—2断面

2。

3

50.6

26。

6

1。

9022556

85。

625173

12。

525692

0。

703828

5。

003828

3-3断面

2

44

26

1。

6923077

83。

972394

14。

404545

0.615175

4.615175

4—4断面

1。

8

39。

6

25。

6

1.546875

82.724189

16.005051

0。

542036

4。

342036

5-5断面

1。

62

35。

64

25.24

1.4120444

81。

476314

17。

783389

0。

466705

4.086705

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）

β

h渗气

1-1断面

3.6455

80.201

29。

291

2.7380765

90.983836

9.382676

0.859076

4.504576

2—2断面

3。

46

76.12

28.92

2。

6320885

90.387158

9。

8857068

0.840736

4.300736

3—3断面

3.26

71。

72

28。

52

2.5147265

89.702616

10。

492192

0.817428

4。

077428

4—4断面

3。

07

67.54

28。

14

2.4001421

89.008089

11.141546

0。

791218

3.861218

5-5断面

2.892

63。

624

27。

784

2.2899511

88。

313619

11.827298

0.762389

3.654389

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）

β

h渗气

1-1断面

2。

892

63。

624

27。

784

2。

2899511

88.313619

11。

827298

0。

762389

3。

654389

2-2断面

2.56

56。

32

27。

12

2。

0766962

86。

886468

13。

361151

0.695125

3.255125

3-3断面

2.25

49。

5

26。

5

1.8679245

85.36566

15.20202

0.613035

2。

863035

4-4断面

2.02

44。

44

26.04

1。

7066052

84.090221

16。

932943

0.538449

2.558449

5-5断面

1.862

40.964

25.724

83.12544

1.5924429

18.369788

0.480502

2.342502

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。

5m〈h1墙=6.5，h5渗=3。

65

二陡坡：

h1渗=3.65m〈h1墙=5.4，h5渗=2.3

1.陡坡纵剖面上的水面曲线：

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。

1、闸孔出流计算已知断面正常水位为24m，汛前限制水位为22。

9m，现假设e/H=0。

1、0。

2、0。

3、0。

4、0.5、0.6，当e/H=0.1，Z=24时，H=24—18.7=5.3m故e=e/H*H=0。

53mμ0=0。

685—0。

19＊e/H=0.685—0。

19＊0.1=0。

666Q=μ0be

=0。

666×20×0。

53×

=71。

95253m3/s同理可算出水位23.8、23。

5、23。

2及22.9m时的下泄流量如表：

”

Z（m）

e/H

H（m）

e

u0

Q（m3/s）

24

0.1

5。

3

0.53

0。

666

71.95253

23。

8

0.1

5。

1

0。

51

0。

666

67。

91841

23.5

0。

1

4.8

0.48

0.666

62.01462

23。

2

0.1

4.5

0.45

0。

666

56。

29256

22.9

0.1

4.2

0.42

0.666

50。

7582

正常水位到汛前限制水位~相对开度～下泄流量的关系曲线如图所示。

e/HZQ

0.1

0。

2

0。

3

0。

4

0.5

0。

6

24

71.95

139。

8

203。

54

263.18

318。

71

417。

45

23.8

67。

92

131.96

192。

13

248.42

300.84

394.05

23.5

62。

01

120.49

175。

43

226。

83

274。

69

359。

8

23。

2

56.29

1O9。

37

159。

242

205.9

249。

34

326.6

22。

9

50。

76

98。

62

143。

58

185。

656

224。

83

294。

5

2、绘制汛前限制水位以上水库水位～下泄流量的关系曲线

已知汛前限制水位为22.9m，水库水位为26。

3m,

当Z=22。

9时，H0=22。

9-18.7=4。

2m≈HP=18.7－17。

45=1.25m

故P/H=1。

25/4。

2=0.298>0。

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）0.657

ε=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=1.0

Q=δsεm0B

H3/2=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:

Z

H

P/H

m0

ε

Q（m3/s）

22。

9

4.2

0.297619

0.448041

0.9517

324.9748

23。

9

5.2

0。

240385

0。

454324

0。

9402

448.4856

24.5

5。

8

0.215517

0。

391202

0。

9333

451.5674

25.3

6.6

0.189394

0.390697

0.9241

542。

0426

26.3

7。

6

0。

164474

0.390193

0.9126

660。

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/s

hc″=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/s

S1=25。

39—6.6=18.79

z=26.3—4.56=20.83m

a=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。

875

β=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=1.6

T=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

同理可得出下游按千年校核的冲刷坑后坡，如表所示:

Q

Z

q

S1

z

a

K

φ1

β

L0

T

L1

L

i

752.5

26。

3

34.2

19。

7

21。

51

6.6

0。

137

0。

948

28

28.48

16。

35

39.73

68.2

0.24

633。

8

25。

39

28.8

18.79

20。

83

6。

6

0。

124

0.945

28.9

27.6

14.68

34。

86

62。

46

0.235

千年校核均满足标准,该水坝符合标准。