水利基础分析计算 6

模块4

泄水建筑物水力计算学习情境描述

当上游水位超过建筑物顶部（如溢流坝或水闸顶部）时，水将由其上溢流而过，泄至下游。在水力学中，把顶部溢流的壅水建筑物称为堰。

为了泄放洪水、引水灌溉、发电、给水等目的，常在堰顶部安装闸门，这样既能抬高挡水的高度，又可以通过调节闸门的开度，控制和调节河渠中的水位和流量。学习情境描述

当水流经泄水建筑物泄到下游时，便具有较高的流速。下泄流量集中，单宽流量加大，下泄的水流具有更高的流速，大大地超过下游河道所能承受的不冲流速，引起下游河道的冲刷。故必须采取消能防冲的措施，使得高速集中的水流与下游河道的正常水流衔接起来。这些问题如不妥善处理，将会引起下述一些不良后果。1.引起河床严重冲刷2.发生折冲水流堰流的水力计算任务1任务2闸孔出流的水力计算任务3消能防冲的水力计算学习指导（1）了解堰流及闸孔出流的水力特性。（2）掌握堰流和闸孔出流的计算方法。（3）了解堰的流量系数、侧收缩系数、淹没系数及闸孔出流的流量系数、垂直收缩系数和淹没系数等的物理意义。（4）理解底流式和挑流式两种衔接消能的工作原理。（5）掌握各种消能池的水力计算。（6）理解挑流消能的挑距及冲深的主要影响因素，并能进行挑距和冲坑深度的计算。任务1

堰流的水力计算

4.1.1任务导入

丹江口水库是汉江流域控制性枢纽工程、南水北调中线工程水源地，位于湖北省十堰市丹江口市，始建于1958年，是中国自行设计、自行建造和自行管理的以防洪为主，兼有发电、灌溉、航运、养殖等综合利用的大型水利枢纽工程，为全国“五利俱全”的水利工程之一。

1974年，丹江口水利枢纽工程全面建成，这是新中国水利建设史上第一个大型综合利用水利工程。

自水库建成几十年来，共拦蓄、削滞汉江上游发生的上万立方米每秒的洪水59次。解除和缓解了湖北武汉、襄阳等23个县市1亿多人口及1860多万亩耕地的洪水威胁，其抵御洪水的能力达到了百年一遇的标准。4.1.1任务导入（1）初期工程（1958.9–1973年底）坝顶高程：162m正常蓄水位：157m总库容：208.5亿m³主要任务：汉江防洪、发电、航运、灌溉（2）大坝加高工程（二期，2005.9–2013年完工，2014年通水）坝顶高程：176.6m（加高14.6m）正常蓄水位：170m（提高13m）总库容：339.5亿m³（新增116亿m³，≈820个西湖）防洪标准：汉江中下游由20年一遇→百年一遇核心目标：服务南水北调中线、提升汉江防洪能力4.1.1任务导入4.1.1任务导入

习近平总书记曾指出：“南水北调工程事关战略全局、长远发展和人民福祉，保护好水源地生态环境，确保‘一泓清水永续北上’，需要人人尽责、久久为功。”丹江口水库水域面积将达1022.75km²，蓄水量达290.5亿m³，丹江口水库作为亚洲首屈一指的人工淡水湖，不仅是南水北调中线工程的生命之源，更是国家一级水源保护的璀璨明珠。其水质之清，连续多年稳居国家二类标准以上，被誉为“亚洲天池”，不仅滋养了广袤的土地，更见证了人类对于水资源保护与利用的智慧与决心，坚定不移走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，实现中华民族永续发展。4.1.1任务导入任务：丹江口大坝高为162米，混凝土大坝坝高97米，大坝总长2494米（其中混凝土坝长1141米），设计蓄水水位157米，相应库容为174亿立方米，平均泄洪能力为9200立方米/秒。泄水建筑物的泄洪能力如何计算？4.1.2堰流的特点分析一、堰流的类型及水流特点堰高P1堰高P2堰顶厚度δδ堰顶厚度δ堰顶厚度堰顶水头HHH按δ/H分类δ/H<0.67

薄壁堰流0.67<δ/H<2.5

实用堰流2.5<δ/H<10

宽顶堰流曲线形折线形有坎无坎4.1.2堰流的特点分析按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响自由出流淹没出流按有无侧向收缩无侧收缩堰流b=B有侧收缩堰流b≠B4.1.3堰流的计算方法一、堰流的通用公式Hv0过堰流量堰宽堰顶总水头流量系数侧收缩系数淹没系数4.1.3堰流的计算方法二、薄壁堰的水力计算

薄壁堰的堰口形状有矩形、三角形、梯形等，分别称为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰和梯形薄壁堰。常用的为矩形薄壁堰和三角形薄壁堰。（一）矩形薄壁堰2.流量系数：式中是包括行近流速影响在内的流量系数，也称为流量系数，可按经验公式计算。1.流量计算公式：

公式中使用的是堰上水头H

而不是堰上总水头。需要注意的是，淹没出流的测流精度较自由出流的低。作为测流设备，在设计时，应尽量避免在淹没条件下工作。

4.1.3堰流的计算方法三角形薄壁堰简称三角堰，其最大优点是过堰的水面宽度随水头而变。三角形薄壁堰适用于小流量的量测；直角三角形薄壁堰的计算公式可简化为：（二）三角形薄壁堰4.1.3堰流的计算方法三、实用堰的水力计算实用堰水力计算普遍公式Hhsht（一）曲线型实用堰的剖面组成

一般由上游直线段AB、堰顶曲线段BC、下游斜坡段CD和反弧段DE组成。上游直线段AB可做成铅直，也可以做成倾斜坡线；下游斜坡段CD的坡度主要依据堰的稳定和强度要求选定，一般采用1:0.6～1:0.7；反弧段DE的反弧半径可根据堰的设计水头及下游堰高确定。4.1.3堰流的计算方法（二）曲线型实用堰堰面分类克里格尔——奥菲采洛夫剖面WES剖面渥奇剖面Hd4.1.3堰流的计算方法（三）WES型实用堰水力计算1.WES型实用堰堰顶曲线确定

WES剖面堰顶由圆弧段构成，有两圆弧段和三圆弧段两大类。

三段圆弧比两圆弧段可以更为平顺地与上游面连接，从而改善堰面压力条件。4.1.3堰流的计算方法2.WES剖面实用堰流量系数m的确定(1)查表4-1确定。(2)由经验公式计算。4.1.3堰流的计算方法4.WES型堰侧收缩系数

侧收缩系数与边墩、闸墩头部的型式，闸孔的尺寸和数目以及堰前总水头有关。可按经验公式计算。4.1.3堰流的计算方法5.淹没条件及淹没系数以下两种情况可以导致淹没出流：①当下游水位超过堰顶，且＞0.15时；②当＜0.15同时＜2时（这种情况属于下游护坦较高，即下游堰高较小，使下游水位低于堰顶，受护坦影响，也产生淹没出流）。

淹没系数查图4-11可得。4.1.3堰流的计算方法（四）折线型实用堰4.1.3堰流的计算方法四、宽顶堰的水力计算有坎宽顶堰流的水力计算公式(一）流量系数1.直角进口4.1.3堰流的计算方法hs（三）淹没条件（二）侧收缩系数2.圆角进口公式4-12查表