水力學(xué)綜合練習(xí)指導(dǎo)書

1、綜合練習(xí)指導(dǎo)書1 取水口水力計(jì)算一、基本數(shù)據(jù)1.Z 正=710.00m, Z 底板=685.00m;2.Z 運(yùn)行=690.00m , Q 24m/s;3.進(jìn)口擬采用豎井式,井內(nèi)裝平板閘門控制流量,進(jìn)口曲線擬采用喇叭形,閘門距喇叭口約40米,閘門有壓段、閘后平臺(tái)、擴(kuò)散段、斜坡段、消力池均采用混凝土襯砌,其糙率 n=0.014。二、水力計(jì)算(一進(jìn)口形式及尺寸擬定本工程采用深式進(jìn)水口,其閘前段為有壓段,閘后接隧洞。由于本工程進(jìn)口段及其后隧洞基巖均為沙頁巖,為減小內(nèi)水壓力,減少襯砌厚度,節(jié)省投資,閘后隧洞擬采用無壓隧洞,這樣可以減小洞身產(chǎn)生氣蝕的可能性。1.閘孔尺寸確定 計(jì)算條件運(yùn)行水位Z 運(yùn)行=69

2、0.00m ;閘門全開e=a ;取水流量Q=24m/s ; 水力計(jì)算按平板閘門閘孔自由出流流態(tài)計(jì)算有壓進(jìn)口尺寸。 計(jì)算公式:(2e H g be Q -=式中:-垂直收縮系數(shù),查參考書(一P.203;-流速系數(shù): RL 41/1+= 式中:-進(jìn)口段局部阻力系數(shù)之和閘孔寬b ,閘孔高a (見附圖二是待定量,設(shè)計(jì)中常假設(shè)b 、a 來計(jì)算Q ,直到Q 等于設(shè)計(jì)流量為止。表一 閘孔尺寸計(jì)算表 計(jì)算結(jié)果:a*b=校核:Q選定結(jié)果:2.喇叭口曲線確定為了減小進(jìn)口水損,壓力進(jìn)口段作成橢圓形曲線,曲線方程為:12222=+b y a x式中:a-洞高(前面的計(jì)算結(jié)果;b-曲線短半軸b=a/3。表二 進(jìn)口曲線坐

3、標(biāo)值計(jì)算表 進(jìn)口兩側(cè)邊墻作成圓弧形,其半徑為r=a /2。喇叭口示意圖見附圖三。(二取水口工作特性曲線的繪制為了在運(yùn)行管理中控制流量,要求繪制在不同開度e 下水庫水位Z (或水頭H 和流量Q 的關(guān)系曲線(即取水口工作特性曲線。閘孔泄流仍按自由出流計(jì)算:(2e H g be Q -=f +=1/1式中:f -相應(yīng)于閘門下收縮斷面的流速水頭的沿程損失系數(shù),22(4(4ae R L A A R L a a a cf = 28aa C g = =(進(jìn)+2門槽(a e 2+門 門-閘門損失系數(shù)表三不同開度的 值計(jì)算表 表四不同e不同H閘孔的過流能力Q值計(jì)算表(單位ms 2 閘后平臺(tái)擴(kuò)散段,閘后消能及無壓

4、隧洞水力計(jì)算一、已知數(shù)據(jù)1.隧洞用漿砌條石砌筑,采用標(biāo)準(zhǔn)門洞形斷面,底坡i=1/1000,糙率n=0.02;2.漿砌條石抗沖允許流速V不沖=5m/s;3.按地形條件可知隧洞長度約為400米;4.按工程要求庫水位Z=690.00m時(shí),Q24m/s,故設(shè)計(jì)流量按在水位Z=710.00m時(shí),為Q=30m/s計(jì)算。二、水力計(jì)算因無壓隧洞流速較進(jìn)口段流速小得多,其過水?dāng)嗝鎸挾葘⒋笥陂l孔寬度,為保證水流平順進(jìn)入隧洞,二者間擬用漸變段連接(進(jìn)口段至隧洞的平面布置見附圖四(一無壓隧洞1.無壓隧洞斷面尺寸擬定無壓隧洞內(nèi)水流為均勻流,斷面按明渠均勻流設(shè)計(jì)。斷面宜做成窄深式,取高寬比=11.5,上半部圓形拱的半徑r

5、=b/2。2.流速校核通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的流速V應(yīng)小于V不沖。3.尺寸確定據(jù)暫行規(guī)范對低流速無壓隧洞凈空的要求,凈空斷面積應(yīng)大于隧洞面積的15%,凈空高度40。(二閘后擴(kuò)散段1.尺寸擬定因閘孔寬與隧洞寬度不同,需設(shè)置一漸變段與隧洞連接,漸變段底坡擬采用平底坡(i=0。為避免高速急流脫離邊界及沖擊波影響水流的穩(wěn)定,漸變段 直線邊墻的擴(kuò)散角宜控制在48內(nèi),漸變段長度L 1用下式計(jì)算。tg b b L (21121-=式中:b 1-閘孔寬;b 2-隧洞寬;-擴(kuò)散角。擴(kuò)散段進(jìn)口距閘后3e (e-閘門開度。2.擴(kuò)散段末端水深計(jì)算擴(kuò)散段進(jìn)口水深為閘后收縮斷面水深h c ,但末端水深因其進(jìn) 口有一水面跌落而小于

6、進(jìn)口水深。因擴(kuò)散段渠寬沿程變化,故擴(kuò)散段末端水深h 末按非棱柱體渠 道分段求和法計(jì)算。計(jì)算流量Q 從小到大直至設(shè)計(jì)流量(從工作特性曲線上可查出各級流量的相應(yīng)閘孔開度,計(jì)算表見五。(三閘后消能計(jì)算1.消力池的工作條件從閘孔泄水一般都是高速水流,閘后需設(shè)消力池。取水口在實(shí)際運(yùn)行時(shí),水頭和流量都隨時(shí)發(fā)生變化,為使消力池能適應(yīng)任何條件下的消能要求,必需確定哪些條件對消力池不利,也就是什么條件下需要的消力池最大。從運(yùn)行水位來看,很明顯庫水位愈高,閘下流速愈大,要求的池身也大。但消力池最大深度不一定發(fā)生在最大流量下,因而應(yīng)對各種流量進(jìn)行計(jì)算。綜上所述,計(jì)算池深度考慮的工作條件是: 庫水位為正常蓄水位710

7、.00m(H=25m; 流量Q 從小到大直至設(shè)計(jì)流量。2.池身計(jì)算用近似公式計(jì)算 S=h c -h t式中:=11.05S-各級流量下挖深式消力池深度;h t -無壓隧洞中水深,h t =h c ;h -各級流量下的躍后水深,由下式計(jì)算:181(221-+=r F h h h -各級流量下的躍前水深,因各級流量下斜坡上的水流均為急流,其流速變化不大,故可取擴(kuò)散段末端水深h 末為斜坡段末端水深h (即躍前水深h =h 末。表五 各級流量下擴(kuò)散段末端水深h 末計(jì)算表 表六 水位Z 正=710.00m 各級流量下躍后水深h 計(jì)算表 表七 隧洞中各種流量下正常水深h(即h 計(jì)算表 據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選定消

8、力池尺寸。3 隧洞與明渠銜接漸變段及渠道斷面尺寸一、已知數(shù)據(jù)1.本工程明渠線路經(jīng)過密實(shí)粘土,結(jié)合地形條件,擬選擇渠底坡i=1/5000,渠道不襯砌,粘土允許流速V 不沖=0.750.95,邊坡系數(shù)m=1.5(或1.25, n=0.0225;2.設(shè)計(jì)流量Q=30m /s ;3.明渠全長L 6=2000m ;二、水力計(jì)算(一渠道斷面尺寸擬定按均勻流設(shè)計(jì),選渠道寬高比=7。(二隧洞與渠道漸變段設(shè)計(jì)1.漸變段長度計(jì)算為保證水流平順流入渠道,隧洞與渠道間宜設(shè)漸變段連接。 其漸變段長度由下式計(jì)算tg B B L (21125-=式中：B1-隧洞水面寬 B2-渠道水面寬 tgq = 1 3Fr Fr = V

9、 gh 式中： V -隧洞與渠道斷面平均流速的平均值； h -隧洞與渠道正常水深的平均值。 2漸變段進(jìn)出口底板高程的確定 由于隧洞和渠道的斷面形狀、尺寸不一樣，為保證通過設(shè)計(jì) 流量時(shí)， 隧洞和渠道中保持均勻流， 而不致產(chǎn)生較大壅水或降水， 漸變段底板高程沿流程變化 （漸升或漸降） 其底板的升高或降低 。 值可由下式計(jì)算： V - V2 = (h01 - h02 + (1 - z ( 1 2g 2 2 式中：h01-隧洞正常水深； h02-渠道正常水深； -漸變段的局部阻力系數(shù)。據(jù)參考書（三）可取 為 =0.5，隧洞與渠道連接漸變段附圖五。 4 渡槽的水力計(jì)算 一、已知數(shù)據(jù) 渠道在樁號 2+00

10、0 至 2+200 間遇一溪谷， 擬用渡槽連接。 1渡槽長 L=200m，底坡 i1 500； 2 渡槽采用矩形斷面，用漿砌條石砌筑，n=0.02； 3 槽身邊墻不宜太高，擬限定槽內(nèi)水深 h=2.5m，允許流速 V 不沖=26m/s； 二、水力計(jì)算 （一）槽身斷面尺寸擬定 按均勻流設(shè)計(jì) （二）進(jìn)出口漸變段的水力計(jì)算 1進(jìn)口漸變段計(jì)算 進(jìn)口漸變段長度 L，由下式計(jì)算 L=2(Bmax - Bmin 式中：Bmax-漸變段中水面寬度最大值； 6 Bmin-漸變段中水面寬度最小值 坡度高程變化值 =(h01-h02-(1+ 1 ( 2 v2 - v12 2g 式中：h01、h02-分別為上、下游渠槽

11、中正常水位； 1 -據(jù)參考書（三）取 1=0.2。 2出口漸變段計(jì)算 長度 L 由下式計(jì)算 L=2.8（Bmax - Bmin） 式中各項(xiàng)意義同上。 底板高程變化值 =（h02-h01）-(1- 2 ( 2 v12 - v2 2g 式中： -據(jù)參考書（三）取 2=0.5；其余各項(xiàng)意 義同前。 5 陡槽的水力計(jì)算 一、已知數(shù)據(jù) 1渠道經(jīng) 4+220 樁號處有一陡坡地段，據(jù)地形條件，確定 陡槽底坡為 i=1/10，陡槽斜坡段長度 L=100m； 2陡槽中流量 Qmax=30m /s， Qmin=24m /s； 3陡槽斷面為矩形，由混凝土砌筑，n=0.017； 二、水力計(jì)算 水流自然跌落時(shí)， 上游渠

12、道將發(fā)生水面降落， 渠內(nèi)流速增大， 可能造成沖刷，為保證上游渠道為均勻流，陡槽進(jìn)口在平面上采 用八字形翼墻收縮。 收縮段底板為平底 （i=0） 收縮段長度 =10m， ， 如 2.5H 10H，則可按寬頂堰計(jì)算收縮段末的寬度 b（即陡槽 寬度） 。槽身及消力池平剖面見附圖六。 （一）槽身水力計(jì)算 1陡槽進(jìn)口水深為臨界水深 hk； 2陡槽內(nèi)正常水深計(jì)算； 3陡槽水面曲線（b2 型降水曲線）計(jì)算（列表進(jìn)行） ； 4陡槽末端水深計(jì)算； 5陡槽末端摻汽水深計(jì)算；摻汽水深由下式計(jì)算 7 ha = h末 b 式中：h 末-陡槽末端水深； -由霍爾公式得： b= 1 1+ K V2 gR 式中：取 K=0.

13、005； V-陡槽末端斷面平均流速； R-陡槽末端斷面水力半徑。 （二）陡槽出口消能計(jì)算 1水流銜接計(jì)算 如為遠(yuǎn)驅(qū)水躍則需建消力池； 2池深計(jì)算； 3池長計(jì)算。 6 溢洪道水力計(jì)算 一、已知數(shù)據(jù) 1溢洪道設(shè)計(jì)洪水流量 Qp=800m /s，此時(shí)下游水位 Z 下 =680m； 2溢洪道下游最低尾水位 Z 下 min=677m，下游河床高程 Z 河底=675m； 3溢洪道單寬流量 q=20m /s.m； 4下游河床巖石堅(jiān)硬，但完整性較差。 二、水力計(jì)算 （一）確定溢洪道上游設(shè)計(jì)洪水位 Z 設(shè)洪； 1溢洪前緣長度 b； 2堰頂水頭 H，堰剖面采用 W E S 剖面； 3上游設(shè)計(jì)洪水位 Z 設(shè)洪，Z 設(shè)洪=Z 堰頂+H 式中：Z 堰頂-堰頂高程， 取 Z 堰頂=Z 正（正常高水位） （二）挑流消能計(jì)算 1基本數(shù)據(jù)計(jì)算 挑射角采用 30 ，上游庫水位為設(shè)計(jì) 洪水位； 2沖刷坑深度 T 計(jì)算 T= Kq 2 Z 4 - ht ； 1 1 8 3空中挑距 L0，水下挑距 L1 及總挑距 L