堰坝水文计算

一、复核坝前设计洪水位
坝前设计洪水位决定于坝顶高程及设计水头H d ,已知坝顶高程为5.5米。

求出H d 后，既可确定坝前设计洪水位。

溢洪坝设计水头H d 可用堰流基本方程2/302H g mB Q ε∂=计算。

因式H 0，ε及δ均与H d 有关，不能直接解出H d ,故用试算法求解。

设H d =5.66米，则坝前水位=5.5+5.66=11.16米，按前水位和计算出河道过水断面面积A 0=679.2m 2,又已知设计洪水流量Q=417米
3
/秒，则
V 0=Q/A 0=679.2/417=1.63米/秒 （aV 02）/2g=0.135米
H 0=H d +（aV 02）/2g=5.66+0.135=5.795米
按设计洪水流量Q ，估算出相应坝下水位为5.7米。

下游水位
超过坝顶的高程
h s =5.7-5.5=0.2米
h s /H 0=0.2/5.795=0.035＜0.15
下游坝高
P 1=3.94-2.50=1.44米
P 1/H 0=3/5.795=0.518米＜2.0
因不能完全满足实用堰自由出流条件：h s /H 0≤0.15及P 1/H 0≥2.0，故为实用堰淹没出流
根据hs/H0及P1/H0值由《水利计算手册》宽顶堰的淹没系数图查得∂=0.4，流量系数
m=0.32+0.01(（3-P/h ）/(0.46+0.75P/h)=0.387, 侧收缩系数取值为ε=1，
对于宽顶堰，当水头为设计水头时，流量系数M=0.387.于是可得溢流坝流量2/302H g mB Q ε∂=
=147.72米3/秒
计算结果与设计洪水流量基本相符。

说明H d =5.66是正确的，故取设计水头H d =5.66米
坝前设计洪水位=坝顶高程+H d =5.5+5.66=11.16米。

二、坝前水位与流量关系
不同水头H 的溢流坝流量任按2
/30
2H g mB Q ε∂=计算。

现以H=5.0
米为例说明求流量的方法。

因A 0为未知，无法计算V 0及H 0 ，故先取H 0≈H=5.0米。

又因下游水位Q 有关，尚无法判断堰的出流情况，可先按自由出流算出Q 后，再行校核。

对于自由出流，h s /H 0＜0.8 为自由出流 对于淹没出流，h s /H 0≥0.8 为淹没出流 其中h s 为堰顶起算的下游水深。

根据H d /H d =5.0/5.66=0.883，由《水利计算手册》查得淹没系数δ=0.9
① 根据《水利计算手册》求得流量系数m=0.385
则收缩系数ε=1
则流量的第一次近似值
2
/30
2H g mB Q ε∂==0.9×1×0.385×1203/229.85⨯⨯=414.95米3/秒
按坝前水位=5.5+5=10.50米，可估算的A 0=570米2 V 0=Q/A 0=417/570=0.825米/秒 （aV 02）/2g=0.0346米
H 0=H+（aV 02）/2g=5.0+0.0346=5.035米 ε=1-0.2[（n-1）ζ0+ζk ]（H 0/nb ）=0.9981
则第二次近似值
Q=0.1×0.998×0.7×1203/229.8 5.035⨯⨯=419.3米3/秒
因流量微小变化，对V 0及H 0影响甚小，故以上所求Q 值可认为正确。

校核出情况Q=419.3米3/秒计算得出坝下水位为8.6米。

h s =8.60-5.5=3.1米 h s /H 0=3.1/5.035=0.62＜0.8 P 1/H 0=3/5.035=0.56＜0.8
满足实用堰自由出流条件，为自由出流。

再设几个H ，按上法计算相应的Q ，计算成果如下表。

按表2的数据绘制坝前水位与流量关系
三、坝下效能计算
（一）确定效能设计流量
堰坝单宽流量为q=Q/B=417/120=3.475米3/秒*米
临界水深
h =1.07米
k
有上表查得H0=1.68米，则
T0=H0+P1=1.68+3.0=4.65米
T0/h k=4.65/1.07=4.35
按T0/h k及∂=0.90由矩形断面底流式效能水利计算求解图查得h c’’/h k=2.2,则
h c’’=2.2 h k=2.2×1.07=2.354米
按Q=156.49米3/秒可算得相应的坝下水位为4.2米。

则相应下游水深为t=4.2-2.5=1.7米
于是h c’’- t =2.354-1.7=0.654米
设一系列Q值，按上述方法求额的一系列相应的（h c’’- t）值，计算结果如下表。

由上表可知，当（h c’’- t）值最大时的Q=80.82米3/秒，故采用效能设计流量为80.82米3/秒。

当Q=80.82米3/秒时，下游发生远离水跃，需做效能工，现拟做消力池。

（二）求消力池深度d
已知Q=80.82米3/秒，由上表得q=0.75米3/秒/米，h k=0.36米，T0=3.36米，t=0.5米。

则
T0/h k=3.36/0.5=6.72
t/h k=0.36/0.5=1.4
按T0/h k，t/h k及∂=0.90由矩形断面底流式效能水利计算求解图查得d/h k=1.27,则池深
d=（d/h k）h k=1.27×0.5=0.6米
采用d=0.6米。

消力池底高程=河床高程-d=2.5-0.3=2.2米。

（三）求消力池深度L
（T0+d）/h k=（3.36+0.3）/0.36=10.20米
按（T0+d）/h k及∂=0.90由矩形断面底流式效能水利计算求解图查得h c/h k=0.5, h c’’/h k=3.4 则
h c=( h c/h k) h k=0.5×0.36=0.18
h c’’=( h c’’/h k) h k=3.2×0.36=1.22
则水跃长度L1=6.9(h c’’- h c)=6.9(1.22-0.18)=7.18米
故池长L=0.8 L1=0.8×7.18=5.7米。