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=1.25m H=25.20-18.70=6.5mP/H=1.256.5=0.195m,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, 3223kKbAaQgB令 ，则 ，q 为单宽流量，a 为动能修正系数。所以：qb23khhk=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 1-1 h1=3.63 米A1=bh1=3.6320=72.6m2v1=Q/A1=633.8/72.68=8.73 (=1)Es1=h1+v12/2g=3.63+8.732/（29.8）=7.518m同理，可算出 h2=3.634m，A 2=72.68m2，v 2=8.72m2/s，Es 2=7.514 Es=-0.0046计算平均水力坡降计算 12/*()JJ2VCR 162227.68,.5,*.50.3RC同理：J 1=0.003489 =1/2(J1+J2)=0.0348 = =1.31 L 4.8SiJ ELm。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 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iRQ 值。根据水深和流量值绘出 h0Q 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) (m) R(m) C(m1/2/s) Q=Ri(m 3/s)2.49 54.78 26.98 2.030393 26.03068 642.53612392.485 54.67 26.97 2.027067 25.98804 639.67100042.475 54.45 26.95 2.020408 25.90267 633.96014092.465 54.23 26.93 2.013739 25.81717 628.27514392.45 53.9 26.9 2.003717 25.68869 619.7961729由表数据绘出 h0Q 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：h k=(q2/g)Qqb23khg1/3=4.39m。H-Q曲线图2.432.442.452.462.472.482.492.5642.5361239 639.6710004 633.9601409 628.2751439 619.7961729H-Q 曲线图（3） 判断水面曲线的型式hk hh0, 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 1-1 h1=3.646 米A1=bh1=3.6320=80.201m2 v1=Q/A1=633.8/80.201=7.9026(=1)Es1=h1+v12/2g=3.646+7.92/（29.8）=6.831m同理，可算出 h2=3.21m， A2=70.62m2，v 2=8.97m2/s，Es 2=7.319 Es=0.4877 计算平均水力坡降计算 12/*()JJ2VCR2228.4,.89,.5RC同理：J 1= 0.002755 =1/2(J1+J2)=0.0034 = = 5.04 L 0.476SiJ E20.1Lm。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、v 1=7.902m2/s、R 1=2.738m= =0.897642kgRha= =3.6460.89764=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(m2) x(m) R(m) C(m0.5/s)v（m/s） h 墙1-1 断面 3.6455 80.201 29.291 2.7380765 90.9838367.9026446 0.89576 6.541262-2 断面 3.21 70.62 28.42 2.4848698 89.5242298.97479470.8580876.0680873-3 断面 2.966 65.252 27.932 2.336102 88.607799 9.71311220.8291545.7951544-4 断面 2.775 61.05 27.55 2.215971 87.831573 10.3816540.8011865.5761865-5 断面 2.633 57.926 27.266 2.1244774 87.21650210.9415460.7766945.409694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 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iRQ 值。根据水深和流量值绘出 h0Q 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) (m) R(m) C(m1/2/s) Q=Ri(m 3/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 h0Q 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1.71.751.81.851.91.9522.05714.6174141 635.9355028 633.6492306 598.3954242 562.0564586H-Q 曲线图（5） 判断水面曲线的型式因为渠道为陡坡，且 hk hh0,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 1-1 h1=2.633 米A1=bh1=2.63322=57.926m2v1=Q/A1=633.8/57.926=10.94 (=1)Es1=h1+v12/2g=3.63+8.732/（29.8）=7.518m同理，可算出 h2=2.3m， A2=50.6m2，v 2=12.5m2/s，Es 2=10.3 Es=1.56计算平均水力坡降计算 12/*()JJ2VCR2226.,1.9,85.6RC同理：J 1=0.0074 =1/2(J1+J2)=0.093 = =4.85 。其他L .03SiJ E2.97Lm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、v 1=10.9m2/s、R 1=2.1m= =0.772kgRha= =3.6460.77=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(m2) x(m) R(m) C(m0.5/s)v（m/s） h 墙1-1 断面 2.633 57.926 27.266 2.1244774 87.21650210.9415460.7766945.4096942-2 断面 2.3 50.6 26.6 1.9022556 85.62517312.5256920.7038285.0038283-3 断面 2 44 26 1.6923077 83.97239414.4045450.6151754.6151754-4 断面 1.8 39.6 25.6 1.546875 82.724189 16.0050510.5420364.3420365-5 断面 1.62 35.64 25.24 1.4120444 81.47631417.7833890.4667054.086705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(m2) x(m) R(m) C(m0.5/s)v（m/s） h 渗气1-1 断面 3.6455 80.201 29.291 2.7380765 90.983836 9.3826760.8590764.5045762-2 断面 3.46 76.12 28.92 2.6320885 90.3871589.88570680.8407364.3007363-3 断面 3.26 71.72 28.52 2.5147265 89.70261610.4921920.8174284.0774284-4 断面 3.07 67.54 28.14 2.4001421 89.00808911.1415460.7912183.8612185-5 断面 2.892 63.624 27.784 2.2899511 88.31361911.8272980.7623893.654389二陡坡渗气水深断面 h（m） A(m2) x(m) R(m) C(m0.5/s)v（m/s） h 渗气1-1 断面 2.892 63.624 27.784 2.2899511 88.31361911.8272980.7623893.6543892-2 断面 2.56 56.32 27.12 2.0766962 86.88646813.3611510.6951253.2551253-3 断面 2.25 49.5 26.5 1.8679245 85.36566 15.202020.6130352.8630354-4 断面 2.02 44.44 26.04 1.7066052 84.09022116.9329430.5384492.5584495-5 断面 1.862 40.964 25.724 1.592442 83.12544 18.36978 0.48050 2.342509 8 2 2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=4.5m0.24 m0=0.414（P/H） -0.0652=0.414(0.298) -0.0652