段村水利樞紐課程設計說明書[1]

1、水力學課程設計 黃河水利職業(yè)技術學院段村水利樞紐課程設計說明書 班級：水工0701班指導老師：王勤香 學號：姓名：孟素玉日期：2008.3.30前言水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規(guī)律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。 水靜力學研究液體靜止或相對靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，探討液體內部壓強分布，液體對固體接觸面的壓力，液體對浮體和潛體的浮力及浮體的穩(wěn)定性，以解決蓄水容器，輸水管渠，擋水構筑物，沉浮于水中的構筑物，如水池、水箱、水管、閘門。堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。水動力學研究液體運動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，主要探討管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介

2、質滲流的流動規(guī)律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結構的計算，以解決給水排水。道路橋涵、農田排灌、水力發(fā)電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學問題。隨著經濟建設的發(fā)展，水力學學科衍生了一些新的分支，以處理特定條件下的水力學問題，如以解決河流泥沙運動所導致的河床演變問題的動床水力學，以解決風浪對防護構筑物的動力作用和對近岸底砂的沖淤作用等問題的波浪理論等。本書適用于高等職業(yè)學校和高等?？茖W校的水利水電建筑工程、水利工程等專業(yè)的水力學教學，也可作為水文水資源、水土保持等專業(yè)的教學用書。由于編者水平有限，書中的缺點和錯誤在所難免，誠懇讀者予以批評指正。目錄第一部分 基本資料.2第二部分 計

3、算設計部分.51. 確定引渠斷面.52. 確定控制段垂直水流方向的寬度.53. 驗算漸變段長度是否滿足要求（擴散角應小于15°）.64. 計算溢洪道水面曲線（按設計洪水位計算）.65. 擬定挑坎形狀和尺寸（溢洪道出口河底高程347米，巖石堅硬，完整性較差）. . 116. 驗算溢洪道是否滿足泄洪要求（設計校核兩種情況）.137. 根據泄洪洞下游水流銜接形式，設計消力池尺寸.14第一部分 基本資料段村水利樞紐設計任務書 段村水利樞紐工程位于潁河上游登封縣境內?？刂屏饔蛎娣e94.1平方公里。根據水能計算，該樞紐死水位348米；最高興利水位360.52米，相應庫容1423.07萬立方米。設

4、計洪水位按50年一遇，為363.62米，相應庫容1998.36萬立方米，溢洪道泄洪量540立方米每秒；泄洪洞泄流量540立方米每秒；校核洪水位按500年一遇，為364.81米，相應庫容2299.68萬立方米，泄洪洞流量800立方米每秒，泄洪洞泄流量110立方米每秒。根據地形、地質條件河水里條件初步擬定。一. 溢洪道溢洪道有6段組成，如圖（1）所示。1. 引渠段 長120米，底坡i=0；邊坡1：1.5，混泥土襯砌。2. 控制段 采用平底坎寬頂堰，順水流長度20米。3. 漸變段 斷面為矩形，長60米，底坡1：50。4. 第I陡槽段 斷面為矩形，底寬40米，坡降為1/200。長596米。5. 第II

5、陡槽段 斷面開頭及尺寸同第一陡槽段，坡降為1/8，長40米。6. 挑流消能段 下泄設計洪水時，挑坎下游尾水渠水位350.64米，下游河底高程347.2米。二泄洪洞泄洪洞由11段組成，如圖（2）所示。1. 進口段 采用喇叭形塔架式進水口，進口設攔污柵，進水口底部高程342米，長10米。進口局部水頭損失系數。2. 閘室段 形狀為4米*4米矩形斷口，長6米：門槽=0.1.3. 漸變段 斷面由4米*4米變?yōu)橹睆絛=3.5米的圓形，長10米：漸變段=0.05.4. 洞身段 洞段d=3.5米，長170米。5. 第二漸變段 斷面由圓形變?yōu)?.2米*3.2米的矩形斷面，長10米。6. 洞后閘室段 底部高程為3

6、41米，長12米。7. 平坡段 底寬3.2米，長7米。8. 擴散斜坡段 擴散角15°，比降1：5.9. 消能段10. 扭曲面：11. 尾水渠 底部高程337米，比降0.001，底寬14米，邊坡1：1.5.水力計算8. 確定引渠斷面。9. 確定控制段垂直水流方向的寬度。10. 驗算漸變段長度是否滿足要求（擴散角應小于15°）.11. 計算溢洪道水面曲線（按設計洪水位計算）。12. 擬定挑坎形狀和尺寸（溢洪道出口河底高程347米，巖石堅硬，完整性較差）。13. 驗算溢洪道是否滿足泄洪要求（設計校核兩種情況）。14. 根據泄洪洞下游水流銜接形式，設計消力池尺寸。計算成果1. 交計

7、算成果，并繪制簡圖。2. 繪制溢洪道水面曲線。3. 寫出學習水力學的體會和意見。第一部分：溢洪道的水力計算一、確定引渠斷面。1.資料：梯形斷面，坡底i=0,邊坡1：1.5，混凝土襯砌。2.已知：m=1.5 i=0 n=0.014 Q設=540m3/s h=363.62-360.52=3.1 V允=2.53.0m/s 所用公式：A=(b+mh)h Q=VA解：取V=2.8 m3/s A=192.86m2 b=-mh=57.56mb=57.56m即為梯形斷面的寬度。二、確定控制斷面垂直水流方向的寬度1.采用平底砍寬頂堰，順水流長度20米2.已知：Q設=540m3/s =0.951 =2.8 m/s

8、 b0=57.56m 所用公式：Q=(1) H0=H+ (2) (3)解：假定引水渠段為自由出流，淹沒系數=1.0，流量系數m=0.385, =0.98由公式（2）H0=H+=3.1+ B0=b+mh=57.56+1.53.5=62.21m 由公式（1）：Q=得： 將b代入公式（3）： 墩頭為圓弧形，a0=0.10 運用迭代法，將再次代入公式（1），如下表： 0.9800.9670.968b(m)49.3750.0449.98最后計算得b=50m三、驗算漸變段長度是否滿足要求（擴散角應小于15°）解：Tana= 計算得a=4.7°15° 驗算漸變段長度滿足擴散應小

9、于15°的要求四、計算溢洪道水面線曲線(按設計洪水位計算)由水流變化規(guī)律知其水深為臨界水深hk。控制段水流單寬流量，且斷面為矩形，則臨界水深1.計算漸變段水面線 分析：該段屬非棱柱體明渠，先將渠道按流程分段，計算出斷面尺寸。由于該收縮斷面較短，可分為兩段，s1=s2=30m。漸變段水面線計算簡圖據幾何關系可得：2-2斷面底寬為45m，利用公式進行計算，便可求出中間斷面2-2水深h2和出口斷面水深h3。為方便計算，將上式改寫為進口端面1-1的水里要素： 因溢洪道為急流，水面線總趨勢2-2斷面水深小于1-1斷面水深，設2-2斷面水深h2=1.888m,同樣可以計算出2-2斷面各水力要素，

10、然后計算出如附表一：漸變段3-3斷面水深h3=1.931m又是第陡槽段的控制水深。2.計算第陡槽段水面線。第陡槽段屬于棱柱體渠道，可按棱柱體渠道水面線計算進行。（1）.判斷水面線類型。根據公式利用試算法計算正常水深h0。其中：Q=540 i=0.005 n=0.014 ，槽底寬b=40m 、先取h0=1.0m，則A=b*h0=40.000*1=40.000m X=b+2*h0=40.000+2=42.000mR=A/X=40.000/42.000=0.952m 、取h0=1.2m、1.5m、1.869m，其計算結果見附表2。附表2試算得正常水深h0=1.869mq=540/40=13.5m則臨

11、界水深 由此知：第陡槽段正常水深h0=1.869m臨界水深hk=2.649m， 該段為陡坡，且該段首段水深h=1.931m，故為b2型水面曲線。3.計算第II陡槽段水面線。第II陡槽段屬于棱柱體渠道，可按棱柱體渠道水面線計算進行。（1）.判斷水面線類型。根據公式利用試算法計算正常水深h0。其中：Q=540 i=0.125 n=0.014 ，槽底寬b=40m 、先取h0=1.0m，則A=b*h0=40.000*1=40.000m X=b+2*h0=40.000+2=42.000mR=A/X=40.000/42.000=0.952m 、取h0=0.8m、0.6m、0.696m，將試算結果列于附表

12、表4。試算得正常水深h0=0.696m因為q=540/40=13.5m則臨界水深 。由此知：第II陡槽段正常水深h0 =0.696m臨界水深hk=2.649m，該段為陡坡，且該段首段水深h=1.873m，故為b2型水面曲線。（五）擬定挑坎形狀和尺寸（溢洪道出口河底高程347米，巖石堅硬，完整性較差）計算挑距，驗算是否滿足穩(wěn)定要求。分析：下瀉設計洪水時，挑坎下游水位350.64m，下游河底高程347.2m。因為鼻坎的適宜挑角為15°35°，根據經驗一般取R=(410)h解：1.根據索格條件算出下列數據。 取挑角為23°,反弧半徑：R=8h=8×1.093=

13、8.744m 下游水深： =350.64-347.2=3.44m 挑角高程: =360.52-60×0.02-0.005×596-0.125×40+(R-Rcos23) =360.52-1.2-2.98-5+(8.744-8.744×0.921) =352.03m上游水位與挑坎頂高差：S1=363.62-352.03=11.59m坎高：a=352.03-347.2=4.84m sin23°=0.391 cos23°=0.9212.計算空中挑坎 單寬流量：流能比： 流速系數： 空中挑距：3.估算沖刷坑深度ts. 因巖堅硬，完整性較差，選

14、k=1.35 Z=363.62-350.64=12.98m 4.計算水下挑距 單挑距校核沖刷坑對坎深的影響：故可以認為沖刷坑不會危及砍身安全。六、驗算泄洪洞是否滿足泄洪要求已知n=0.014(1) 判斷水流 H=363.62-342=21.62m a=3.5m 因為H/a=21.62/3.5=6.18 >1.5 所以泄洪洞為有壓流。 以進口段始端為11斷面，第漸變段末端列能量方程 H0=Z+V2/2g+hf+hj H0=363.62-341=22.62m Z=3.2m所以： 得： =13.34m/sV2七、驗算泄洪洞是否滿足要求。（一）、 判別泄洪洞的下游水流銜接形式設出口段和消力池段都

15、為等寬的矩形斷面并設下游底坡為i=0.001 取1-1斷面和22斷面以下游底部高程底面為基準面.列能量方程得:（1）由坡降1:5,擴散角為,平坡寬為3.2m得:B=13.92，代入(1)式得: 整理得: 用迭代法計算當=0時 = 0.4865 依次代入得=0.4978.由水躍公式的共軛水深=在斷面上求臨界水深得: 用試算法計算下游水深設=1.8m 底寬為13.92m 則 此時流量遠小于設計流量再次試算取= 1.81，1.82，1.83當=1.83時 90所以取=1.83因為 ， 所以該段產生遠驅式水躍，為了控制水躍的位置，減少擴散段的長度應在下游建立挖深式消力池。（二）、 挖深式消力池的水力計算1.計算消力池的深度d下游河槽中的流速 >3.