水力计算实训报告

基本资料：

某水利工程在台地形河谷筑坝，主槽设溢流坝。溢流坝为WES型，上游面垂直，下游直线段坡度为1:0.7，上下游堰高相等，溢流坝共5孔，每孔净宽为8m，闸墩头部采用半圆形，墩厚为2m，边墩采用圆弧形，其宽度为1m，由平面闸门控制。坝址附近河段较为顺直，断面为有主槽和边滩的台地形，主槽断面近似为矩形，并且断面变化较小，平均槽深为9.62m，平均宽度为52m。拟采用底流式衔接与消能形式。

（1） 根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》

（SL252-2000）规定，本工程等级为五等，主要建筑物属于五级。

（2） 水库水位：

正常蓄水位：434.20m 设计洪水位：435.00m 防洪限制水位：432.00m

（3） 五十年一遇设计洪水位对应的下泄流量为

1250.00m3/s；

（4） 百年一遇校核洪水的下泄流量为1400.00m3/s。 （5） 坝址上下游河床高程均为405.0m。

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（6） 溢流坝轮廓尺寸如下图1所示

（7） 河道平均坡降i=0.001，糙率n=0.04。

一． 溢流坝下游河槽的水力计算

由“基本资料”可知，溢流坝坝址处附近河段较为顺直，河槽按矩形断面计算。河道的比降i为0.001，糙率n为0.04，河槽宽度b为52m，河槽深度为9.62m。河槽的设计流量按五十年一遇的设计洪水位435.00m对应的下泄流量设计，即Q设为1250.00m3/s;坝址处下游河底的高程均为405.0m。

1. 计算水库在设计洪水位（五十年一遇）即下泄流量为Q设=1250.00m3时河槽正常水深的计算

河槽正常水深应按明渠均匀流计算，对矩形断面，各水力要素为：

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过水断面面积: A=bh 过水断面湿周: x=b+2h

Ax1 谢才系数： C=R1/6

n 水力半径： R=

断面平均流速： v=ACRi

河槽流量： v=ACRi

河槽这一正常水深ht，要求采用试算法。 计算：

当Q流=1250.00m3/s时，依据上述公式，河槽正常水深ht计算结果如表1所示：

表1：水库设计洪水位时，河槽正常水深ht试算表。单位：m

序 号 水 深 h 面 积 A 湿 周 x 水力半径 R 谢才系数 C 流 速 v 流 量 Q 1 2 3 4 5 9.0 8.0 8.5 8.7 8.71 468 416 442 452.4 452.92 70 68 69 69.4 69.42 6.686 6.118 6.406 6.519 6.524 34.314 33.810 34.070 34.169 34.174 2.806 2.645 2.727 2.759 2.760 1313.108 1100.128 1205.279 1248.088 1250.185 由表1可知，河槽正常水深ht=8.71 则坝下游水位为：

V=河槽底高程+ht

=405.00+8.71 =413.71 m

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2． 计算水库在校核洪水位（百年一遇）即下泄流量为Q设=1400.00m3/s时河槽正常水深的计算

河槽这一正常水深ht，要求采用迭代法，即由上述各式解得正常水深ht的迭代式为：

25h（j+1）=(nQ)i35(b2hj)b

当Q=1400.00m3/s时，根据上述公式，河槽正常水深ht计算结果如表2所示：

表2：水库校核洪水位时，河槽正常水深ht计算表。单位：m

迭代次数 hj hj+1 1 0.00 8.30 2 8.30 9.28 3 9.28 9.38 4 9.38 9.39 5 9.39 9.39 由表2可知：校核洪水位时，河槽正常水深ht=9.39m则坝

下游水位为405.0+9.39=414.39m

3. 计算并绘制溢流坝下游河槽的“水位～流量”关系曲线。 表3： 溢流坝下游河槽的“水位～流量”关系曲线计算表.

注： 其中

序号5点为：防洪限制水位时的坝下游河槽水深和对应的下泄流量。 序号9点为：正常蓄水位时的坝下游河槽水深和对应的下泄流量。 序号11点为：设计洪水位时的坝下游河槽水深和对应的下泄流量。 序号13点为：百年一遇水位时的坝下游河槽水深和对应的下泄流量。

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序 号 水 深 h 面 积 A 湿 周 x 水力半径 R 谢才系数 C 流 速 v 流 量 Q 水 位 m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 4.4 5 6 7 7.5 8 52 104 156 208 238.8 260 312 364 390 416 453 468 54 56 58 60 60.8 62 64 66 67 68 69 70 0.963 0.025 2.690 3.467 3.76 4.194 4.875 5.515 5.82 6.118 6.52 6.686 6.899 7.222 24.843 13.519 29.483 30.756 31.77 31.748 32.554 33.230 33.53 33.810 34.71 34.314 34.494 34.758 0.771 0.068 1.529 1.811 1.91 2.056 2.273 2.468 2.56 2.645 2.759 2.806 2.865 2.954 40.089 7.030 238. 546 376.678 437 534.569 709.163 406 407 408 409 409.4 410 411 898.265 412 998 412.5 1100.128 413 1247.80 413.71 1313.108 414 1398.961 414.39 1535.985 415 11 8.71 12 9 13 9.39 488.28 70.78 14 10 520 72 根据上表建立坐标，按比例绘制曲线.

（二）确定溢流堰的堰顶高程；设计溢流坝剖面

根据“资料”，五十年一遇的设计洪水量为溢流坝的设计流量，即Q

设

为1250.00m3/s，其对应的设计洪水位为

435.00m，溢流坝按实用堰流计算，并采用WES型实用堰剖面。

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1. 确定溢流坝坝顶高程

已知溢流坝共设5孔，每孔净宽为8m，闸墩头部采用半圆形，墩厚为2m，边墩采用圆弧形，其宽度为1m，堰顶设置平板闸门控制流量。 ① 计算堰上设计水头Hd=6.12 m 堰上全水头

QH0=SmB2g23

采用WES型实用堰，并假定P/Hd＞1.33，则流量系数md=0.502，设堰为自由出流，即淹没系数s=1.0，

QH0=SmB2g23

23 =10.90.5024029.81250

=6.2496 m

查表7.2得闸墩形状系数00.45; 查图7.9得边墩形状系数k因

H06.24960.78＜1 b80.7。

按

H0b=0.78代入计算

10.2K(n1)0H0nb

110.20.7(51)0.450.78

50.922

H0=



10.9220.5024029.8125023=6.15 m

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因H0b6.150.769＜1 8 按H0=0.769代入计算

bH0nb 10.2K(n1)0

110.20.7(51)0.450.769

50.923

H0=



10.9230.5024029.81250H0bH0nb23=6.15 m

因

H06.140.768＜1 b8 按

=0.768代入计算

10.2K(n1)0

110.20.7(51)0.450.768

50.923

此时，所求得的不变，为0.923。说明H0=6.15 m

已知上游河槽宽为52m，设计洪水位为435.00m，河床高程为405.00m，河槽断面近似为矩形，故上游过水断面面积为：

A=52（435-405）=1560 m2

VQ12500.801

m/s A1560堰上设计水头

2V0.8010Hd=H06.156.12 2g29.82计算溢流坝坝顶高程

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坝顶高程=堰上设计洪水位-Hd =435-6.12 =428.88 m

2. 设计溢流坝剖面

按资料溢流坝采用WES剖面如图 溢流坝剖面由上游垂直段AB，上游曲线段AO，下游曲线段OC，下游直线段CD，下游反弧段DE组成。

①下游斜坡段CD坡度md=0.7 а=55°—59° ②堰的前沿即堰顶0点上游段BO采用三圆弧，其半径与水平尺寸确定如下：

堰顶O点上游三圆弧的半径及其水平坐标值为： R1=0.5Hd=0.56.116=3.058m

X1=—0.175 Hd =—0.1756.116=1.0703m R2=0.2 Hd =0.26.116=1.2232 X2=—0.276 Hd=1.688m R3=0.04 Hd=0.2446m X3=—0.282 Hd=1.7247m O点下游的曲线方程为： （

yHd）=0.5（

xHd）1.85

x1.85y=0.56.1160,85x1.85= 9.322 8

由已知得OC曲线段计算结果表4：

xm 0.5 0.0298 8 5.0258 15 16.079 1 0.1073 9 6.2494 16 18.1181 2 0.3867 10 7.5944 17 20.2685 3 4 5 2.1066 12 6 2.9517 13 7 3.9257 14 yxmm0.8188 1.3941 10.5 11 yxmm8.3117 9.0587 10.6408 12.3392 14.1523 ym根据表4中数值可绘得堰顶下游曲线OC

坡度md=0.7的下游直线段CD与曲线OC相切于C点，C点坐标XCYC可如下求得： 对堰面曲线求一阶导数

dydx =

1.85X0.85=0.198 X0.85 9.322直线CD坡度为：

dydx =

1mx=

1 0.7 故有 0.198Xc0.85= Xc=c

1 0.710.8510.70.198=10. 226

1.8510.226 Y==7.915

9.322 坝下游反弧半径r按下式计算 r=（0.25~0.5）（Hd+Zmax）

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式中上下游水位差Zmax=435—413.71=21.29故 r=（0.25~0.5）（6.116+21.29）=6.85~13.703 取r=8m

反弧曲线的上端与直线CD相切与D点下端与河床相切于E点，D点E点及反弧曲线圆心O点得坐标，可用作图法法或下面的分析法确定。 （1）反弧曲线圆心O’点

1800550X0’=Xc+mx(P2—y2)+rcot（

2）

Y0’= P2—r

P2为下游堰高 X0’=25.57m Y0’=15.884m （2） E点

XE’= X0’=25.57m YE’= P2=23.884m （3） D 点 XD=19.017m YD=20.47m

根据上述计算结果可绘得堰剖面曲线图。

（三）确定水库的校核洪水位；计算水库在正常蓄水位防洪限制水位时的过堰流量；绘制水库(堰上)的“水位～流量”关系曲线。（计算数据在表5中）

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1.确定水库的校核洪水位。

已知流量为1400 m3/s，计算堰上水头，先假定

p11.33，可不考H虑行进流速水头，；；流量系数取为0.510，假定侧收缩系数为0.9.先按自由出流，取淹没系数1.0

1400H00.90.514019.6236.670m

查表得，闸墩形状系数为1.45，边墩形状系数为0.7

10.2k(n1)0H00.5H00.917 1nb40把0.917代入公式重新计算H0

1400H00.9170.514019.6236.590m

H0m1.015 即 m=0.509 1.072查表可得mHdd和上面假定近似 所以假定成立。即堰上水头为6.590 m

2、求正常蓄水时的下泄流量

已知正常蓄水位是434.20 m,因为计算水头不等于设计水头，所以HHd即mmd

H0434.20-428.86=5.34 m

由上面可知堰为自由出流，侧收缩系数10.2k(n1)010.5H0H0.933 根据00.869查表可得m0.496 40Hd3H0 nbQsmb2gH02=1011m/s

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3、求防洪限制水位时的下泄流量

已知防洪限制水位是432.00 m,因为计算水头不等于设计水头，所以HHd即mmd

H0432.00-428.86=3.14 m

由上面可知堰为自由出流，侧收缩系数10.2k(n1)010.5H0H0.961 根据00.511查表可得m0.452 40Hd3H0 nbQsmb2gH02=428 m/s

3

4.绘制水库（堰上）“水位～流量”关系曲线如图。 （四）计算水库在正常蓄水位、防洪限制水位时溢流坝下游河槽的正常水深。

表5 水库（堰上）与坝（堰）下游河槽“水位～流量”关系曲线坐标表 单位：m

序 号 堰上水头H 堰上水位 河槽水深h1 河槽水位 流 量 Q 备 注 防洪限制水位 正常蓄水位 1 2 3.12 5.32 432.00 434.20 435.00 435.27 4.4 7.5 8.7 9.39 409.4 412.5 413.7 414.39 439 998 1250 1400 3 6.12 4 6.39 设计(50年)洪水水位 校核（100年）洪水水位 （五）计算水库在正常蓄水位闸门关闭的情况下，每米宽溢

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流坝段上所受的静水总压力。

净水总压力P=106798KN 作用点（压力中心）D=9.19m 绘制静水压强分布图于溢流坝剖面图。

（六）坝下消能设计。

1.水流衔接计算

坝址处hc计算公式为：hc(i1)公式中Eo=P1+Ho

其中P1=23.88m 堰上水头 Ho=H+Vo2∕2g 查表8.1φ=0.9 采用迭代法计算

水流衔接形式计算如下表6 单位：m

堰上水头H 流量Q 面积Ao 流速 Vo 行进流速Vo2q22g2(E0hc(i))

∕2g 堰上全坝前断面水头总能量Ho Eo 单宽流量q 收缩断面水深hc 共轭水深hc〞 水流衔下游接形式 水深hc〞ht -ht 3.12 5.32 439 998 1404 0.313 0.005 3.125 27.005 8.4 0.40 5.8 1518 0.657 0.022 5.342 29.222 19.2 0.90 8.7 4.4 7.5 8.7 1.4 1.2 1.1 6.12 1250 1560 0.801 0.033 6.153 30.033 24.0 1.10 9.8 6.39 1400 1574 0.889 0.040 6.430 30.310 26.9 1.25 10.3 9.39 0.91 根据表6计算结果证明，该坝水流衔接形式均发生远离式水跃，则需采取消能措施，采用挖深式消力池 2.消力池设计及其计算 （1）消力池设计流量的确定

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消力池设计流量由表6的计算结果确定消力池设计流量为1250m3/s。 （2） 估算池深djhcht'' j1.05

即 d=1.055.7-4.42=1.565m

（3）建池后：采用迭代法进行跃前水深试算

hci1q22gE

0.9

0hci 取2hc1q2gE=0.385 0hq2c22gEh=0.388

0c1hq2c32gE=0.388

0hc2所以取hc=0.388

h''hc2c218q1gh35.76 cd''jhcht=1.055.76-4.42=1.628m

q22g1z2'ht1''jhc12=0.123 校核：tz.6284.420.125jhTdhh''ch''15.761.07

cLi6.9h''chc6.910.31.2562.445m

Lk0.7562.44546.8m

绘制消力池于溢流坝剖面图上.

符合要求

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杨凌职业技术学院水利工程学院

工程水力计算综合实训报告书

姓 名 : 杨 艺 丰

学 号 : 10020430615 指 导 老 师: 鄂 军 良 完 成 时 间: 2011/12/11

共 页 数 : 14 页 附图: 3 幅

专业班级: 工程监理10006班

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