溢流坝水力计算实例

1、溢流坝水力计算、基本资料:为了解决某区农田灌溉问题。于某河建造拦河溢流坝一座，用以抬高河中水位，引水灌溉。进行水力计算的有关资料有：设计洪水流量为550m3/s；坝址处河底高程为 43.50m；由灌区高程及灌溉要求确定坝顶高程为48.00m；为减小建坝后的壅水对上游的影响，根据坝址处河面宽度采用坝的溢流宽度B=60m；溢流坝为无闸墩及闸门的单孔堰，采用上游面铅直的三弧段WE例实用堰剖面，并设有圆弧形翼墙；坝前水位与河道过水断面面积关系曲线，见图15.2 ;坝下水位与河道流量关系曲线，见图 15.3;坝基土壤为中砾石；河道平均底坡i =0.00127;河道实测平均糙率 n = 0.04。L&am

2、p;.IJ3Q5.QJCI5孙他心妹1flq%*5,44.LQQ :皿妆G弱U+ 何/度（黑如i48.01一一._,_._._.沙 湖 4CO 4SO$0典擅过水新囱加帆 出。ie)12Ili图 15.3图 15.2二、水力计算任务：1 .确定坝前设计洪水位；2 .确定坝身剖面尺寸；3 .绘制坝前水位与流量关系曲线;4 .坝下消能计算；5 .坝基渗流计算；6 .坝上游壅水曲线计算。三、水力计算1、确定坝前设计洪水位坝前设计洪水位决定于坝顶高程及设计水头Hd ,已知坝顶高程为4800m,求出Hd后,即可确定坝前设计洪水位。溢流坝设计水头Hd可用堰流基本方程（10.4） Q =0wmB父J2gHe

3、23计算.因式中H。、工及仃均与Hd有关，不能直接解出 Hd ,故用试算法求解。设 Hd=2.53m,则坝前水位= 48.00+2.53 = 50.53m.按坝前水位由图15.2查得河道过水断面面积 A)= 535n2 ,又知设计洪水流量Q =550m3/s,贝Uv。550 =1.03m/ s5252av01.0 1.032g2 9.8=0.056mH0=Hd 理 =2.53 0.056 = 2.586m 2g按设计洪水流量Q,由图15.3查得相应坝下水位为 48.17m.下游水面超过坝顶的高度ht =48.17-48.00 = 0.17mhsH°0.17=0.066 二 0.152

4、.586下游坝高a =48.00 43.00 = 4.50ma14.50-L = = 1.74 ： 2.0H02.586因不能完全满足实用堰自由出流条件立W 0.15及亘22.0,故为实用堰淹没出流。H0H0h a根据,及值由图10.17H0H0查得实用堰淹没系数 仃=0.999。因溢流坝为单孔堰,溢流宽度B=b = 60m=按圆弧形翼墙由表10.4查得边墩系数，k =0.7则侧收缩系数；=1 -0.2(n -1) 0 kH0nb2.586 -1 -0.2 0.7 =0.9941 60对于WE例实用堰，当水头为设计水头时，流量系数m = md =0.502。于是可得溢流坝流量Q =gmB72g

5、H；2= 0.999 x 0.994 m 0.502 m 60V2 -9.8 x 2.586%3 .=550.6m /s计算结果与设计洪水流量基本相符，说明假设的Hd值是正确的，故取设计水头Hd=2.53m。坝前设计洪水位=坝顶高程 + Hd= 48.00+2.53 50.53m2、确定坝身剖面尺寸坝项上游曲线的有关数据计算如下：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坝顶下游曲线方程为1.851.851.85xxxy = 77T = 777 =2Hd0.852 2.5304.402按上式计算的坝顶下游曲线坐标x、y区列于表l 5.3 。因下游坝高a1 = 4.5m < 10m,故取坝末端圆弧半径为R =0.52 =0.5 4.5 =2.25m按上述数据绘制的坝身剖面图见图15.43、绘制坝前水位与流量关系曲线2, 不同水头H的温流坝流量仍按 Q =<T8mBJ2gH 03计算.现以H= 2.0米为例说明求流量的方法。因Ao为未知，无法计算 Vo及H。

7、，故先取Ho定H = 2.0m.又因下游水位与 Q有关，尚无法判别堰的出流情况，可先按自由出流算出Q后，再行校核.对于自由出流，仃=1。根据H/ =-20 = 0.791,由图10.5查得m= 0.485 .侧 Hd 2.53收缩系数He；=1 -0.2(n -1) 0 k nb=1 - 0.2 0.72.01 60=0.995则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按坝前水位=480+2.0 = 50.0m,由图15. 2查彳A A)=459ni,则V0Q 362.6A0 - 459= 0

8、.79m/s上蹩建强a图 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则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因流量的微小变化，对 v0及H0影响甚小，故以上所求 Q值可认为正确.3 ,校核出流情况。按 Q=371m /s由图15.3查得相应的坝下水位为 47.20m。则hs =47.20 -48.00 = -0.80mhsH0-0.80=-0.394 :二 0.15H0II"22 2.02.031满足实用堰自由出流条件.为自由出流，原假设的出流情况是正确的.再设几个H,按上法计算相应的Q计算成果列于表15.4.按表15.4的

10、数据绘制坝前水位与流量关系曲线于图15.5。H(m)坝前水位 (m)H)(m)m£(TQ (Q/s)备注2.5350.532.5860.5020.9940.999550.6淹没出流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、图 15.54、坝下消能计算（一）确定消能设计流量 一、一 _ 、 一 一 、， " " .、,、， 设一系列流量 Q ,求出一系列相应的临界水跃跃后水深hc及hc -1 （t为下游水深）.绘''''出（hc -UQ 关系曲线.由该曲线找出相应于（hc -t）为最大值时的流量即为消能设计流量.3现以Q= 229.9m /s为例求（hc -t）值。单宽流量Q 229.93 ,q = - = = 3.83m / s mB 60临界水深由表15.4二 q2，1.0 3.8323 1.144m查彳导H0 =1.516m,则T0 =H0 a1 =1.5

12、16 4.5 =6.016mTo6.016=5.26hk1.144''按五及邛=0.90由附录图1V查得 =2.2,则 hkhkhc =2.2hk =2.2 1.144 =2.517m按Q =229.9m3/s由图15.3查得相应坝下水位为46.2m,则相应下游水深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.、 ， 、设一系列Q值，按上述万法求彳#一系列相应的（hc -1）值，计算结果列于表15.5 ,由33表15.5可知，相应于（hc -t）最大值时的Q =80m3/s,故采用消

13、能设计流量为80m/s。当Q=80m3/s时，下游发生远离水跃，需做消能工，现拟做消力池。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.则T0 =5288 =9.342 hk 0.566t _ 1.25hk0.566= 2.208按五，二及邛=0.90由附录图IV查得素 = 0.55,则池深 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）求消力池长度lTodhk5.288 0.4= 10.050.566hchc-hk =0.25 0.566 =0.142mhk'hchc-hk =2.70 0.566 1.528mhk则水跃长度li =6.9(hc -hc) =6.9(1.582 0.142) = 9.563m故池长l =l0 0.8lj =0 0.8 9.563 = 7.65m米用l = 8mo（四）求海漫长度lp = K , q . H式中q为相

16、应于设计洪水流量时的单宽流量，由表 15.5查得q = 9.177m3/s m;上下游水位差 H =50.53-48.12 = 2.41m;河床土壤为中砾石，取系数K =8。故得lp =8.0 9.177.2.41 = 30.20mp采用 l p = 30 m。p5、坝基渗流计算坝基渗流主要是计算渗径长度和坝底渗流压强.因本工程对控制渗流量要求不高，故不必计算渗流量.坝基渗流按上下游最大水位差的情况计算.最大水位差出现在坝前水位与坝顶齐平、坝下无水的情况，即最大水位差H =48.0 - 43.5 = 4.5m（一）计算渗径长度为增加渗径长度和减小坝底渗流压力，于坝前增设一长5m厚0.5m的重拈

17、土防渗铺盖层.初步拟定的坝底轮廓线如图l 5.4 所示.1折算渗彳长度L = L铅直+L水平3其中L 铅直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则,1 ,L =5.37 - 20.64 = 12.61m3坝基土壤为中砾石（有反滤层），由表查得渗径系数 C0 = 2.5 ,则C0H =2.5

18、 4.5 =11.25m因L >C0H ,坝底轮廓线长度满足防渗要求。（二）计算坝底渗流压强按计算闸底渗流压强的方法求得坝底各点的渗流压强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