水力学计算说明书.doc

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, 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1-1 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，A2=72.68m2，v2=8.72m2/s，Es2=7.514 Es=-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 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(m3/s)2.4954.7826.982.03039326.03068642.53612392.48554.6726.972.02706725.98804639.67100042.47554.4526.952.02040825.90267633.96014092.46554.2326.932.01373925.81717628.27514392.4553.926.92.00371725.68869619.7961729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：hk=(q2/g)1/3=4.39m。H-Q曲线图2.432.442.452.462.472.482.492.5642.5361239639.6710004633.9601409628.2751439619.7961729H-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，v2=8.97m2/s，Es2=7.319 Es=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 = =0.89764 ha= =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3.645580.20129.2912.738076590.9838367.90264460.895766.541262-2断面3.2170.6228.422.484869889.5242298.97479470.8580876.0680873-3断面2.96665.25227.9322.33610288.6077999.71311220.8291545.7951544-4断面2.77561.0527.552.21597187.83157310.3816540.8011865.5761865-5断面2.63357.92627.2662.124477487.21650210.9415460.7766945.409694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Q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(m3/s)244261.69230821.69625714.61741.941.825.81.62015520.77122635.93551.89741.73425.7941.61797320.74325633.64921.8540.725.71.58365820.3033598.39541.839.625.61.54687519.83173562.0565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1.71.751.81.851.91.9522.05714.6174141635.9355028633.6492306598.3954242562.0564586H-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，v2=12.5m2/s，Es2=10.3 Es=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 = =0.77 ha= =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2.63357.92627.2662.124477487.21650210.9415460.7766945.4096942-2断面2.350.626.61.902255685.62517312.5256920.7038285.0038283-3断面244261.692307783.97239414.4045450.6151754.6151754-4断面1.839.625.61.54687582.72418916.0050510.5420364.3420365-5断面1.6235.6425.241.412044481.47631417.7833890.4667054.086705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3.645580.20129.2912.738076590.9838369.3826760.8590764.5045762-2断面3.4676.1228.922.632088590.3871589.88570680.8407364.3007363-3断面3.2671.7228.522.514726589.70261610.4921920.8174284.0774284-4断面3.0767.5428.142.400142189.00808911.1415460.7912183.8612185-5断面2.89263.62427.7842.289951188.31361911.8272980.7623893.654389二陡坡渗气水深断面h（m）A(m2)x(m)R(m)C(m0.5/s)v（m/s）h渗气1-1断面2.89263.62427.7842.289951188.31361911.8272980.7623893.6543892-2断面2.5656.3227.122.076696286.88646813.3611510.6951253.2551253-3断面2.2549.526.51.867924585.3656615.202020.6130352.8630354-4断面2.0244.4426.041.706605284.09022116.9329430.5384492.5584495-5断面1.86240.96425.7241.592442983.1254418.3697880.4805022.342502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=4.5mh1墙=6.5，h5渗=3.65h5墙=5.4. 二陡坡：h1渗=3.65mh1墙=