水利工程论文-宽尾墩—消力池的简化计算方法.doc

水利工程论文-宽尾墩消力池的简化计算方法摘要：本文对含有分流的水跃方程的特性进行了讨论，提出了宽尾墩消力池等效分流比的概念，利用安康等几个工程的试验资料给出了等效分流比和E0/hk及B/B0的关系，讨论了宽尾墩消力池优于平尾墩消力池的条件，并用算例表明了用等效分流比估算宽尾墩消力池的跃后水深或选择宽尾墩的收缩比是非常方便的。关键词：宽尾墩消力池等效分流比宽尾墩是中国人的创造.虽然第一个宽尾墩用于潘家口水利枢纽的挑流消能1，但嗣后得到很快推广的却是宽尾墩消力池(或消力戽)型的消能，如安康、岩滩、五强溪、隔河岩等工程2-5。因此已进行过不少宽尾墩消力池的水工模型试验，积累了许多有用的试验资料。也有少数文献，对宽尾墩消力池的水力计算方法进行过讨论2、3、6，但这些文献的基本思路都是一样的，即在建立水跃方程的控制水体上，施加反弧等对水体的作用力。但是，影响这些作用力的因素很多，因此给出这些力的较好的经验表达式是很困难的.文献6对六个工程试验中127个反弧段上压力点的实测资料统计分析后，给出了反弧段上压强的经验表达式，但在有些条件下，计算的压强值对hk的变化非常敏感，hk变动3%，反弧末端压强的值可以有很大的差别。本文的立足点和以往的文献不同，提出了宽尾墩消力池等效分流比的概念，通过对安康等四个工程试验资料的分析，给出了等效分流比和E0/hk及B/B0的经验关系式。利用等效分流比计算宽尾墩消力池的跃后水深或选择宽尾墩的收缩比B/B0是非常方便的。1.有分流时的水跃方程及方程的特性如图1所示，底流单宽入池流量为q1、相应的流速和水深为V1及h1，斜射水流的单宽入池流速和流量为V2及q1、它与水平线的夹角为，跃后单宽流量为q3、相应的流速与水深为V3及h3。对-与-断面间的控制体写出流量平衡与水平向的动量平衡方程，则有q1+q2=q3(1)图1有分流时的水跃简图q1V1+q2V2cos+1/2gh12=q3V3+1/2gh32为水的密度，令：q1=q3,q2=(1-)q3(2)把式(2)代入式(1)的第二式并除h21，则得(3)如想象全部流量q3都以底流形式入池，即无分流，且近似认为流速仍为V1，则想象的水深h1p和h1之间的关系近似为：h1h1p(4)令Fr1为无分流时的跃前水流弗洛特数，其值是(5)把式(5)代入式(3)，且令q2=V2h2,=h3/h1(6)则式(3)可写成：(7)再令(8)把式(8)代入式(7)，整理后得(9)式(9)就是确定值的控制方程。值决定于分流比、参数Fr1和k值，而k值除和有关外，还和等有关。在转入研究宽尾墩消力池的等效分流比之前，先说明一下方程(9)的解的特性。(1)=1时k=1，表示无分流，方程(9)退化为通常的水跃方程，相应的跃后水深h3p为(10)(2)对不同的Fr1、和k值，比值h3/hh3p给于表1。Fr1是与分流情况无关的可以确定的量，假如分流状态比较清楚，那么根据与k值由表1立即可得h3/h3p值；另一种情况是根据工程情况，规定了对h3/h3p的要求，则由表1可以选择适宜的分流情况。表1h3/h3*(Fr1,k)kFr123456789100.91.10.8300.9010.9180.9250.9290.9320.9340.9350.9361.20.9440.9700.9770.9800.9810.9820.9830.9830.9841.31.0291.0311.0311.0301.0291.0291.0291.0291.0290.81.2/0.7850.8100.8300.8410.8470.8520.8550.8581.3/0.8340.8660.8800.8870.8920.8950.8980.8991.40.7980.8970.9170.9260.9310.9340.9360.9380.9391.50.9020.9530.9650.9700.9720.9740.9750.9760.9760.71.4/0.7180.7550.7730.7840.7910.7960.8001.5/0.6930.7730.7990.8130.8220.8280.8320.8351.6/0.7680.8200.8400.8510.8580.8620.8660.8681.7/0.8260.8630.8780.8870.8920.8950.8980.9000.61.6/0.6270.6650.6850.6980.7070.7141.7/0.5990.6740.7030.7200.7300.7380.7441.8/0.6620.7140.7380.7510.7600.7670.7721.9/0.7110.7500.7700.7810.7890.7940.7980.52.0/0.5620.6000.6210.6350.6452.1/0.5290.6000.6300.6480.6600.6692.2/0.5820.6330.6580.6730.6840.6912.3/0.5600.6220.6620.6830.6970.7060.713(3)当90时，k1/，这时有分流时的跃后水深h3一定小于无分流时的跃后水深h3p。但由表1可知，对一定的Fr1和值，存在一个最小k值kmin，当kkmin时不会形成水跃；当一定时，kmin值随Fr1的提高而减小；当Fr1一定时，kmin值随的降低而增大。当1而kmink=1时，h3=h3p。(4)当01/，但仍需满足kkmin的要求。当k=kc时，h3/h3p=1；kminkkc时h3/h3pkc时h3/h3p1。kc值由式(11)确定(11)2.宽尾墩-消力池的等效分流比e宽尾墩-消力池，对入池流量而言都有一个共同的特点：分流。即一部分形成底流，另一部分形成挑流或跌流。但它们的分流参量往往都不很明确，不能从它的设计和水流运动直接、明确地判定分流参数和k值。因此本文提出了等效分流的概念，相应的等效分流参数的e和ke。所谓等效分流，即假