消力坎（墙）实验.doc

四）消力坎（墙）实验一、实验目的要求1通过独立构思实验方案与模型实验，掌握断面模型实验的设计方法与实验技能。2检验已知条件下设置消能工的必要性。3检验现有消力坎高度设计方法的可靠性。4观察过坎水流现象。二、实验设备消力坎实验设备局部如图4.1所示，图中宽顶堰更换成WES型曲线堰，并加设消力坎。图4.1 消力坎实验设备局部图1.WES堰； 2.可更换的不同尺寸的消力坎（）本模型提供几种不同尺寸可更换的消力坎，可按设计结果选用相近高的坎。拆除消力坎后，可进行临界水跃共轭水深的测量。模型堰上游高为15cm。消力池长为45cm。三、实验原理按实验要求，本实验需独立构思模型实验方案，包括下列两个相关环节：一是据原型设计资料进行原型消力坎水力设计；二是按重力相似准则完成模型设计。有关公式如下： 1.消力坎高的设计 2.池长的设计 其中为相应池长设计流量的临界水跃跃后水深。3模型比尺关系 因堰坝溢流重力起主要作用，故模型按重力坝相似准则设计。即 由此可得出各水力要素比尺与长度比尺有如下关系： （） 四、实验方法与步骤 1根据原型资料，分析确定消力坎高设计流量和池长设计流量，并设计坎高C和池长（参见表4.2）。2把原型参数（参见表4.3）按100：1的比尺换算成模型参数。3测记模型中的有关常数于表4.4中。4装坎前先调控流量和尾门，使流量分别为，使槽中形成临界水跃，然后分别测定其和（若中有与同值则可删去），记入实验表4.5中，并与曲线给定的相应值比较，以检验设置消力坎的必要性。5装上与模型设计高度相同的消力坎，调控流量，然后调节尾门，使下游水位处于相应于值。测记堰上游水位和池末水位（图4.1）。由此可算得，绘出流态图。并依据下式确定实测得淹没系数，并完成实验表4.1。 6.调控流量和尾门，分别使实验流量为相应尾水位以检验在给定的流量范围内，本消能工的设计是否安全。完成表4.5。 五、实验成果及要求 1按实验步骤进行消力坎设计和模型设计，并作模型试验。要求检验各水力工况坎后衔接型式。（参见表4.5） 2在模型试验中，将设计得坎高、池长、淹没系数与实测得相应值比较，以检验消力坎水力设计方法得可靠性。（参见表4.4） 3整理记录、计算表 消力坎有关设计资料： 某WES溢流坝，坝下拟设计消力坎消能，其过流范围，下游水位由曲线给定，已查得相应水位值如图4.1标注得有关高程值如表4.1所示。要求模型比尺1：100。取WES堰得流量系数m0.50。表4.1原型设计资料3020259.226.178.02133.5118.5119.5据已知资料进行原型消力的水力设计 由于坎高设计流量未知，需对各大小流量计算比较后才能确定。现取 、 、三组流量分别计算结果列于表4.2。最大坝高流量 即为坎高的设计流量。据表中结果，取 =20 而池长设计流量应为即 =30池长=44.3m取=45m。表4.2 消力坎水力计算表qC原型30.00.9519.951.669.689.220.800.863.56/1.0525.00.9519.281.408.208.020.720.913.56/1.0520.00.9518.581.337.916.170.50.993.7020.01.05把以上设计结果换算成模型值填入表4.3。表4.3 模型设计换算表=100C原型设计2018.581.137.916.173.71.05133.5118.5119.5模型设计（）20018.581.137.916.173.71.0515 01.0模型池长的设计流量 =300，相应的下游水深=9.22cm，模型池长=45cm其中，原型和模型的高程基准面可任意选定，比尺换算时，只须满足=、=即可。表4.4 模型的测计表（表中单位制，各水位均与相应）实验台号No 实验糟宽b= 消力坎顶三角堰流量公式Q= A=cm B=cm三角堰顶 =cm 三角堰水位=cm项目坎高C设计流量池长设计流量堰顶高程上游水位上游堰底下游堰底下游水深设计值200200030030001501.06.17实验值2002000300300031.9236.2816.617.676.17项目下游水位坎高C池长流速系数池水位坎前水深淹没度设计值7.173.7450.9518.587.918.311.05实验值23.843.724518.667.6525.848.171.068从表4.4知，设计值与实验结果基本一致，值误差仅为1.7%，表明消力坎水力设计方法具有足够的可靠性。 表4.5分别列出坎前坎后水流衔接型式。前者用于检验设置消力坎的必要性，后者用于检验设坎后，各流量工况下游防冲的安全性。由表可知，设坎前，在各流量工况下均有，坝下发生远驱水跃，因而必须做消能工。设坎后，在各流量工况下，坎前均为淹没的水跃，坎后亦为非自由出流，属安全，不需要做第二道消能工。这表明本消力坎的水力设计合理、可靠。表4.5 (单位c制)流量组 设坎前设坎后衔接型式坎前衔接型式坎后衔接型式130009.689.22远驱水跃淹没水跃淹没出流225008.848.02远驱水跃淹没水跃淹没水跃320007.916.17远驱水跃淹没水跃淹没水跃六.实验结果分析与讨论1.本实验的模型设计为何选用重力相似准则而不选择阻力相似准则？重力是自由液流，如堰坝溢流、闸孔出流及明槽流动等，起主导作用的一个力。佛汝德数就是判别重力相似的一个准数，佛汝德数相等就是重力相似。阻力相似主要用于有压流动中，例管道、隧洞中的有压流动等，主要作用力是水流阻力。阻力主要与粘滞力及紊动作用有关，所以这类流动的相似就要阻力相似。本实验的溢流坝下水衔接及其消能工流动为自由液流，故断面模型设计应选用重力相似准则而不选用阻力相似准则。2若消力坎下游为自由出流时，消能工应如何设计？消力坎下游为自由出流，且坎下游发生远驱水跃，这种情况往往需要再造第二级消力池，或改用消力池和消力坎相结合的方式，即综合式消力池。3如何用实验方法检验设计时选用的系数是否合理？先由设计选用的值，计算可得坝下收缩断面水深，再按设计条件进行模型试验，实测可得取值合理，若，表明取值偏大，反之取值偏小。4.为什么在计算时，堰流量系数m可近似取作常数？由式 而 因WES堰在实验范围内m=0.490.15，变化不大，例取m=0.5时，对的影响仅约1%，而对相对影响更小。5实验中，应以哪些参数检验消能工的水力设计是否安全、合理？坎高、池长、淹没系数是实验中检验消能坎水力设计是否安全合理的主要参数。当坎高、池长的模型值和设计植一定时，则淹没系数便是唯一的检验参数。实验结