溢流壩水力計算實例

1、溢流壩水力計算、基本資料:為了解決某區(qū)農(nóng)田灌溉問題。于某河建造攔河溢流壩一座，用以抬高河中水位，引水灌溉。進行水力計算的有關資料有：設計洪水流量為550m3/s；壩址處河底高程為 43.50m；由灌區(qū)高程及灌溉要求確定壩頂高程為48.00m；為減小建壩后的壅水對上游的影響，根據(jù)壩址處河面寬度采用壩的溢流寬度B=60m；溢流壩為無閘墩及閘門的單孔堰，采用上游面鉛直的三弧段WE例實用堰剖面，并設有圓弧形翼墻；壩前水位與河道過水斷面面積關系曲線，見圖15.2 ;壩下水位與河道流量關系曲線，見圖 15.3;壩基土壤為中礫石；河道平均底坡i =0.00127;河道實測平均糙率 n = 0.04。L&am

2、p;.IJ3Q5.QJCI5孫他心妹1flq%*5,44.LQQ :皿妝G弱U+ 何/度（黑如i48.01一一._,_._._.沙 湖 4CO 4SO$0典擅過水新囪加帆 出。ie)12Ili圖 15.3圖 15.2二、水力計算任務：1 .確定壩前設計洪水位；2 .確定壩身剖面尺寸；3 .繪制壩前水位與流量關系曲線;4 .壩下消能計算；5 .壩基滲流計算；6 .壩上游壅水曲線計算。三、水力計算1、確定壩前設計洪水位壩前設計洪水位決定于壩頂高程及設計水頭Hd ,已知壩頂高程為4800m,求出Hd后,即可確定壩前設計洪水位。溢流壩設計水頭Hd可用堰流基本方程（10.4） Q =0wmB父J2gHe

3、23計算.因式中H。、工及仃均與Hd有關，不能直接解出 Hd ,故用試算法求解。設 Hd=2.53m,則壩前水位= 48.00+2.53 = 50.53m.按壩前水位由圖15.2查得河道過水斷面面積 A)= 535n2 ,又知設計洪水流量Q =550m3/s,貝Uv。550 =1.03m/ s5252av01.0 1.032g2 9.8=0.056mH0=Hd 理 =2.53 0.056 = 2.586m 2g按設計洪水流量Q,由圖15.3查得相應壩下水位為 48.17m.下游水面超過壩頂?shù)母叨萮t =48.17-48.00 = 0.17mhsH°0.17=0.066 二 0.152

4、.586下游壩高a =48.00 43.00 = 4.50ma14.50-L = = 1.74 ： 2.0H02.586因不能完全滿足實用堰自由出流條件立W 0.15及亙22.0,故為實用堰淹沒出流。H0H0h a根據(jù),及值由圖10.17H0H0查得實用堰淹沒系數(shù) 仃=0.999。因溢流壩為單孔堰,溢流寬度B=b = 60m=按圓弧形翼墻由表10.4查得邊墩系數(shù)，k =0.7則側收縮系數(shù)；=1 -0.2(n -1) 0 kH0nb2.586 -1 -0.2 0.7 =0.9941 60對于WE例實用堰，當水頭為設計水頭時，流量系數(shù)m = md =0.502。于是可得溢流壩流量Q =gmB72g

5、H；2= 0.999 x 0.994 m 0.502 m 60V2 -9.8 x 2.586%3 .=550.6m /s計算結果與設計洪水流量基本相符，說明假設的Hd值是正確的，故取設計水頭Hd=2.53m。壩前設計洪水位=壩頂高程 + Hd= 48.00+2.53 50.53m2、確定壩身剖面尺寸壩項上游曲線的有關數(shù)據(jù)計算如下：R1 =0.5Hd =0.5 2.53 = 1.265mR2 =0.2Hd =0.2 2.53 = 0.506mR3 =0.04Hd =0.04 2.53 = 0.101mb1 =0.175Hd =0.175 2.53 = 0.443mb2 =0.276Hd =0.2

6、76 2.53 = 0.698mb3 u0.2818Hd =0.2818 2.53 0.713m壩頂下游曲線方程為1.851.851.85xxxy = 77T = 777 =2Hd0.852 2.5304.402按上式計算的壩頂下游曲線坐標x、y區(qū)列于表l 5.3 。因下游壩高a1 = 4.5m < 10m,故取壩末端圓弧半徑為R =0.52 =0.5 4.5 =2.25m按上述數(shù)據(jù)繪制的壩身剖面圖見圖15.43、繪制壩前水位與流量關系曲線2, 不同水頭H的溫流壩流量仍按 Q =<T8mBJ2gH 03計算.現(xiàn)以H= 2.0米為例說明求流量的方法。因Ao為未知，無法計算 Vo及H。

7、，故先取Ho定H = 2.0m.又因下游水位與 Q有關，尚無法判別堰的出流情況，可先按自由出流算出Q后，再行校核.對于自由出流，仃=1。根據(jù)H/ =-20 = 0.791,由圖10.5查得m= 0.485 .側 Hd 2.53收縮系數(shù)He；=1 -0.2(n -1) 0 k nb=1 - 0.2 0.72.01 60=0.995則流量的第一次近似值Q =mB 2gH 0 2=1 m 0.995 k 0.485 父 60J2 父9.8 父 2323 ,=362.6m /s按壩前水位=480+2.0 = 50.0m,由圖15. 2查彳A A)=459ni,則V0Q 362.6A0 - 459= 0

8、.79m/s上蹩建強a圖 15.4表 15.3x（米）y（米）x（米）y（米）x（米）y（米）0.000.0001.750.6403.502.3060.250.0042.000.8193.752.6200.500.0632.251.0184.002.9520.750.1332.501.2374.253.3031.000.2272.751.4764.503.6711.250.3433.001.7344.754.0571.500.4813.252.0115.004.4612g1.0 0.97 = 0.031m2 9.8H0 = H二 v0-0 = 2.0 0.031 = 2.031m2g2.031

9、；=1 -0.2 0.7 =0.9951 60則流量的第二次近似值Q =1 M 0.995 M 0.485 父 60J2m9.8 x 2.031323= 371m /s因流量的微小變化，對 v0及H0影響甚小，故以上所求 Q值可認為正確.3 ,校核出流情況。按 Q=371m /s由圖15.3查得相應的壩下水位為 47.20m。則hs =47.20 -48.00 = -0.80mhsH0-0.80=-0.394 :二 0.15H0II"22 2.02.031滿足實用堰自由出流條件.為自由出流，原假設的出流情況是正確的.再設幾個H,按上法計算相應的Q計算成果列于表15.4.按表15.4的

10、數(shù)據(jù)繪制壩前水位與流量關系曲線于圖15.5。H(m)壩前水位 (m)H)(m)m£(TQ (Q/s)備注2.5350.532.5860.5020.9940.999550.6淹沒出流2.050.002.0310.4850.9951.000371.0自由出流1.549.501.1560.4650.9971.000229.9自由出流1.049.001.0060.4420.9981.000118.1自由出流0.548.500.5010.4160.9991.00039.1自由出流表 15.4S0.5(*)韶靠s(#8。I:_ -,'.二工 D 100 2OT 300 4M 5W WJ*

11、圖 15.54、壩下消能計算（一）確定消能設計流量 一、一 _ 、 一 一 、， " " .、,、， 設一系列流量 Q ,求出一系列相應的臨界水躍躍后水深hc及hc -1 （t為下游水深）.繪''''出（hc -UQ 關系曲線.由該曲線找出相應于（hc -t）為最大值時的流量即為消能設計流量.3現(xiàn)以Q= 229.9m /s為例求（hc -t）值。單寬流量Q 229.93 ,q = - = = 3.83m / s mB 60臨界水深由表15.4二 q2，1.0 3.8323 1.144m查彳導H0 =1.516m,則T0 =H0 a1 =1.5

12、16 4.5 =6.016mTo6.016=5.26hk1.144''按五及邛=0.90由附錄圖1V查得 =2.2,則 hkhkhc =2.2hk =2.2 1.144 =2.517m按Q =229.9m3/s由圖15.3查得相應壩下水位為46.2m,則相應下游水深t =46.2 -43.5 = 2.7m于是hc -t =2.517 -2.7 - -0.183m c、一 一一，一 ,、.、 ,八一 一一.、 ， 、設一系列Q值，按上述萬法求彳#一系列相應的（hc -1）值，計算結果列于表15.5 ,由33表15.5可知，相應于（hc -t）最大值時的Q =80m3/s,故采用消

13、能設計流量為80m/s。當Q=80m3/s時，下游發(fā)生遠離水躍，需做消能工，現(xiàn)擬做消力池。表 15.5_ 3Q(m/s ),3 /q(m /s m)hk(m)T0(m)T°/hkhc / hk，.hc(m )t(m)J"I(hc -t Im)550.69.1772.0487.0863.4601.883.8504.67-0.820371.06.1831.5746.5314.1492.023.1793.70-0.521229.93.8321.1446.0165.2592.202.5172.70-0.183118.11.9680.7345.5067.5012.471.8131.6

14、40.17380.01.3330.5665.2889.3432.641.4941.250.24439.10.6520.3515.00114.252.991.0490.820.22920.00.3330.2254.83121.473.340.7520.570.182（二）求消力池深度d已知Q =80m3/s ,由表15.5查得3. _ .一q=1.333m s m hk = 0.566m, T0 = 5.288m, t = 1.25m.則T0 =5288 =9.342 hk 0.566t _ 1.25hk0.566= 2.208按五，二及邛=0.90由附錄圖IV查得素 = 0.55,則池深 hk

15、 hkhkd .d 二 hk -0.55 0.566 -0.311m hk采用d = 0.4 m消力池池底高程=河底高程- d = 43.5 - 0.4 = 43.1m（三）求消力池長度lTodhk5.288 0.4= 10.050.566hchc-hk =0.25 0.566 =0.142mhk'hchc-hk =2.70 0.566 1.528mhk則水躍長度li =6.9(hc -hc) =6.9(1.582 0.142) = 9.563m故池長l =l0 0.8lj =0 0.8 9.563 = 7.65m米用l = 8mo（四）求海漫長度lp = K , q . H式中q為相

16、應于設計洪水流量時的單寬流量，由表 15.5查得q = 9.177m3/s m;上下游水位差 H =50.53-48.12 = 2.41m;河床土壤為中礫石，取系數(shù)K =8。故得lp =8.0 9.177.2.41 = 30.20mp采用 l p = 30 m。p5、壩基滲流計算壩基滲流主要是計算滲徑長度和壩底滲流壓強.因本工程對控制滲流量要求不高，故不必計算滲流量.壩基滲流按上下游最大水位差的情況計算.最大水位差出現(xiàn)在壩前水位與壩頂齊平、壩下無水的情況，即最大水位差H =48.0 - 43.5 = 4.5m（一）計算滲徑長度為增加滲徑長度和減小壩底滲流壓力，于壩前增設一長5m厚0.5m的重拈

17、土防滲鋪蓋層.初步擬定的壩底輪廓線如圖l 5.4 所示.1折算滲彳長度L = L鉛直+L水平3其中L 鉛直l1 _2，l3 _4 *l5_6 +l7 _8 *l9/0 *l134= 1.0 1.0 .1.02 0.52. 0.520.520.2 1.7 = 5.73mL 水平=12+14 上 +16,+18/ +l101 +l112 +l123 =50 + 1.0 + 3.0 + 7.5 + 3.0222,0.52 0.42 0.5 = 20.64m則,1 ,L =5.37 - 20.64 = 12.61m3壩基土壤為中礫石（有反濾層），由表查得滲徑系數(shù) C0 = 2.5 ,則C0H =2.5

18、 4.5 =11.25m因L >C0H ,壩底輪廓線長度滿足防滲要求。（二）計算壩底滲流壓強按計算閘底滲流壓強的方法求得壩底各點的滲流壓強p,列于表15.6。表 15.6ag1234567p'（KN / m2 ） p（KN / m2 ）44.140.634.831.330.226.222.60.009.809.8019.619.69.809.80p（KN /m2 ）44.150.444.650.949.836.032.4ag1234567'-2 Lp （KN / m ）''2p （KN / m ）20.211.510.87.36.66.00.0014.714.712.7