跌水水力计算(水工结构版)
跌水计算书
跌水计算书项目名称_____________日期_____________设计者_____________校对者_____________一、计算简图：二、基本设计资料1．依据规范及参考书目：《水闸设计规范》（SL265-2001）《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL482-2011）武汉大学水利水电学院《水力计算手册》（第二版）《给水排水设计手册(第7册)城镇防洪》建筑工业出版社，以下简称《手册》《跌水与陡坎》（刘韩生等著，中国水利水电出版社）2．计算参数：跌水设计流量Q ＝5.400 m3/s；跌水级数n ＝3级上游渠底高程▽上游渠底＝100.000 m下游渠道水深h t＝1.300 m上游渠道行近流速v o＝0.000 m/s；动能修正（不均匀）系数α＝1.050消力池末端水跃安全系数σ＝1.050消力坎上第二流量系数M ＝1.860末级消力池型式：挖深式消力池进水口淹没系数σs＝1.000进水口型式：矩形缺口进水口侧向收缩系数ε＝0.900矩形缺口宽度b c＝3.000 m3．跌水消力池参数：矩形缺口计入行近流速的进水口水深Ho ＝[Q/（ε×σs×M×b c）]2/3式中ε——侧收缩系数，一般采用0.85～0.95；M ——宽顶堰的第二流量系数，取为1.62；b c——矩形缺口宽度，m；σs——进水口淹没系数，一般取1.0。
Ho ＝[5.400/（0.900×1.000×1.620×3.000）]2/3＝1.151 m进水口水深H ＝Ho－α×v o2/2/gH ＝1.151－1.050×0.0002/2/9.81 ＝1.151 m四、第一级跌水计算1．消力池共轭水深计算：该级跌水跌深P＝2.500m，采用降低渠底形成消力池，假定坎高C＝0.800To ＝Ho ＋P ＋C ＝1.151＋2.500＋0.800＝4.451 m跃前水深h1可由下式确定：To ＝h1＋Q2 / （2 g φ2 ω12）式中φ——跃前断面流速系数，与跌水壁高度有关，可由《手册》表8.6查得；ω1——跃前断面水流面积，m2；经试算得到跃前水深h1＝0.219 m跃后水深h2可由平底沟渠上水跃基本方程试算得到：αo×Q2/g/ω1＋y1×ω1＝αo×Q2/g/ω2＋y2×ω2式中αo ——动能修正（不均匀）系数，取值在1.0～1.1之间；ω1——跃前断面水流面积，m2；y1——跃前水流断面重心离水面的深度，m；ω2——跃后断面水流面积，m2；y2——跃后水流断面重心离水面的深度，m。
急流槽和倒虹吸管的水力计算
急流槽和倒虹吸管的水力计算洪海【摘要】简述急流槽和倒虹吸管的水力计算方法。
【期刊名称】《黑龙江交通科技》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】1页(P80-80)【关键词】急流槽;倒虹吸管;水力计算【作者】洪海【作者单位】黑龙江省公路局【正文语种】中文【中图分类】U416沟底纵坡较陡，纵坡超过水流的临界坡度，称为急流槽。
急流槽的水力计算，与跌水有共同之处，设想把跌水的跌水墙作为倾斜状，使水流沿斜坡流动，再进入消力池，就形成为急流槽，因此急流槽的水力计算，除跌水的进出口和消力池外，还需解决陡坡段(槽身)的构造及水力计算。
急流槽的断面形状固定，可按水力学中非均匀流理论进行计算。
为使水流平顺连接，进口部分末端做成弧形或缓坡，因此槽身的前端是变坡道。
急流槽的水力计算，首先依地形先定槽身尺寸及纵坡i。
临界纵坡ik是指槽中水流的正常水深h0等于临界水深hk时的底坡。
正常水深应满足公式的关系，而当h0=hk时，得因为临界状态时应满足又因为Rk=ωk/xk，代入前式可得式中：Ck为临界水深时的流速系数(谢才系数);xk为临界水深时的湿周，m;bk为急流槽底宽，m;g为取9.81 m/52。
式中：P为槽身的总落差，m;i为槽底纵坡。
水面曲线的一般计算方法，是根据某一水流断面的已知水深，求另一水流断面的未知水深。
因此，必须建立两断面水深之间的关系式，按照两断面能量相等原理可导得水面曲线长度表达式。
对于急流槽而言，如图1所示，取起始断面(剖面I-I)为h1及v1，末端断面 (剖面II-II)相应参数h2为及v2，则式中：α1、α2为相应断面的水头损失系数;I0为两断面之间平均水力坡度，按公式关系，已知相应的平均值C0、R0、v0，则如前所述，已知水跃后的共轭水深h2，下游沟渠内正常水深 h3，则当h2＞h3时，产生远驱水跃。
h2=h3时，产生临界水跃。
h2＜h3时，产生淹没水跃。
为避免下游引起冲刷，除淹没水跃外，当h2＞h3时，均应设置消力池，消力池的计算与跌水相同。
跌水水景流量设计
跌水水景在小区水景中为常见的一种表现形式,水量控制是其中的一个关健点.跌水水景水量过大则能耗大，长期运转费用高；跌水水景水量过小则达不到预期的设计效果。
关健字:水景??跌水跌水水景在水景设计中，跌水水景是构成溪流、叠流、瀑布等水景的基本单元，具有动态和声响的效果，因而应用较广。
与静态水景不同，动态水景的水是流动的，其流动性一般用循环水泵来维持，水量过大则能耗大，长期运转费用高；水量过小则达不到预期的设计效果。
因此，根据水景的规模确定适当的水流量十分重要。
1跌水水景的水力学特征及计算跌水水景实际上是水力学中的堰流和跌水在实际生活中的应用，跌水水景设计中常用的堰流形式为溢流堰.根据δ和H的相对尺寸，堰流流态一般分为薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流等三种形式：当δ/H<0.67，为薄壁堰流；0.67<δ/H<2.5，为实用堰流；2.5<δ/H<10，为宽顶堰流；δ/H>10,为明渠水流，不是堰流。
跌水水景设计中，常用堰流形态为宽顶堰流。
当跌水水景的土建尺寸确定以后，首先要确定跌水水景流量Q，当水流从堰顶以一定的初速度v0落下时，它会产生一个长度为ld的水舌。
若ld大于跌水台阶宽度lt，则水景水流会跃过跌水台阶；若ld太小，则有可能出现水景水舌贴着水景跌水墙而形成壁流。
这两种情况的出现主要与跌水水景流量Q的大小有关，设计时应尽量选择一个恰当的跌水水景流量以避免上述现象的发生。
水景中的跌水水景设计(二)跌水水景在小区水景中为常见的一种表现形式,水量控制是其中的一个关健点.跌水水景水量过大则能耗大，长期运转费用高；跌水水景水量过小则达不到预期的设计效果。
关健字:水景??跌水跌水水景1.1跌水水景流量计算根据水力学计算公式，一般宽顶堰自由出流的流量计算式为：Q=σc·m·b·(2g)0.5·H1.5=σc·M·b·H1.5式中b——堰口净宽H——包括行进流速水头的堰前水头，H=H0+υ02/2g式中υ0——行进流速m——自由溢流的流量系数，与堰型、堰高等边界条件有关σc——侧收缩系数M=m·(2g)0.5当堰口为矩形时，侧收缩系数σc为1，上述计算式即简化为《给水排水设计手册》中的流量计算式：Q=m·b·(2g)0.5·H1.5=M·b·H1.5上式中，M(或m)为流量系数，与堰的进口边缘形式有关；b为堰口净宽，为已知，因此要求出水景流量Q，关键要确定出堰前水景水头H，堰前水景水头一般先凭经验选定、试算。
水工结构计算力学
1重力坝渐进破坏过程模拟方法⑴超载法超载法主要考虑作用荷载的不确定性，以此研究结构承受超载作用的能力该方法较直观，便于在结构物理模型试验中采用，从而使数值模拟与物理模拟结果相互印证，且积累了较多的工程经验。
但要使结构达到最终整体失稳的极限状态，其相应的超载系数是很大的，而实际上结构的这种荷载状态几乎是不可能出现的，故这种方法求得的超载系数只是结构安全度的一个表征指标超载法认为，作用在坝上的外荷载由于某些特殊原因有可能超过设计荷载，超过的总荷载与设计总荷载之比称为超载系数用逐渐增加超载系数研究坝从局部到整体破坏的渐进破坏过程的方法，称为超载法。
超载法分为超水容重Kγ(三角形超载)和超水位KH(矩形超载)两种方法⑵强度储备系数法主要考虑材料强度的不确定性和可能的弱化效应，以此研究结构在设计上的强度储备程度。
天然岩体由于成因和结构构造运动其不均匀性非常明显，节理、裂隙和断层发育且分布规律复杂，很难准确地把握其工程尺度范围内的物理力学性能，各局部材料参数相差数倍是完全可能的，因此强度储备系数法从这种意义上能较真实地反映结构破坏的实质和可能的失稳模式。
但这种方法目前工程应用经验积累还显不足强度储备系数法用降低强度参数的方法，研究大坝失稳的渐进破坏过程，如令K表示强度储备系数，K为大于1.0的值，f、c为实际的抗剪强度参数，降强度就是用f／K、c／K代替f、c值进行计算，随着K值的逐渐增大，可以求出大坝从局部破坏到全部破坏的破坏全过程，所算得的整体破坏时的K值的大小也能反映大坝安全的程度。
强度储备系数法包括对f、c 值采用等比例降强度和不等比例降强度（等保证率）两种方法2重力坝整体稳定安全度判据1 从有限元平衡方程来看，即在某一定的荷载条件下，结构的变位趋于无穷，所以可以通过有限元计算中迭代出现不收敛或者坝体坝基系统的某些特征点位移发生突变来判别系统是否达到其极限承载力，而此时的强度储备系数或超载系数就可以表征系统的最终整体安全度2 从结构整体安全角度来看，如果坝体坝基系统在一定的荷载条件下其破坏区域渐进发展以致使其形成某种滑动模式，即此时系统已达到其极限承载力因此在非线性有限元计算中，可通过考察坝体坝基系统的塑性屈服区（破坏区域）是否贯通来判别系统是否达到其极限承载力，此时的强度储备系数或超载系数也可以用来表征系统的最终安全度3结构能量法认为，在非线性有限元超载法和强度储备系数法具体计算过程中，如果本次计算能够迭代收敛，说明这一系统能够达到平衡，结构能够产生一内力系与外力保持平衡，系统总势能的一阶变分为零，总势能保持最小。
水工结构的计算分析与优化研究
水工结构的计算分析与优化研究近年来，随着城市化进程的加快和大规模的水利工程建设，水工结构的计算分析与优化研究已受到越来越多的关注。
水工结构是指建造在水上或水下的各种人工建筑物，它们对于水文、水资源和水环境的管理起到了至关重要的作用。
而水工结构计算分析的主要目的，就是为了保证水工结构的安全性能，从而保障水力工程的正常运行和使用效果。
下面，本文将重点探讨水工结构的计算分析及其优化研究。
一、水工结构的计算分析1. 强度分析前置知识：强度学、受力、材料力学等水工结构在其生命周期内，受到了各种不同的内外力作用，为了确保水工结构的安全性能，需要对其受力情况进行详细的分析。
基于力学原理和材料力学理论，可以对水工结构进行强度分析，了解其在受力条件下的受力情况和强度状况。
例如，在水利工程中广泛使用的混凝土结构，会在其施工期、使用期、旧化期和维护期等不同时间段内受到不同程度的荷载作用。
强度分析可以分析混凝土结构在不同荷载的作用下的强度表现，判断结构的承载能力等性能指标。
2. 稳定性分析前置知识：结构力学、稳定学等水工结构的稳定性分析是为了评价结构在不同条件下的抵抗能力，包括整体、局部稳定等方面的考虑。
例如，对于堤防、大坝等结构，必须对其整体稳定性进行水平和垂直方向的分析，以确保在洪水、地震等自然灾害时保持结构的完整性和稳定性。
3. 考虑材料损伤的分析前置知识：损伤力学、材料力学等水工结构在使用和维护过程中，难免会受到不同程度的损伤和破坏，而材料的损伤对于它的力学特性和性能表现有很大影响。
因此，必须进行材料损伤分析，了解结构材料的损伤程度、破坏机理等因素。
常用的材料损伤分析方法包括弹塑性损伤模型、连续损伤模型、耗散滞后模型等。
二、水工结构的优化研究1. 结构设计优化基于前述的水工结构计算分析，可以通过优化结构设计来提升结构的稳定性和耐久性。
结构设计优化需要充分考虑结构、材料、施工、使用等多方面的影响因素，以最大化地优化结构效能指标。
独基加防水板计算
已知：独基ax= 3.3m 独基ay= 3.3m 柱距Lx=9m 柱距Ly=9m 柱上部荷载N=1100KN（标准）柱上部荷载M=0KN.m（标准）底板建筑做法高度=750mm底板厚度H3=300mm 水浮力qw=23KN/m^2a= 3.3m 柱宽d=0.6m 独基变截面b=0.7m 独基变截面h=0.7m 独基第一阶厚度H1=600mm fy=360Mpa底板保护层厚度取40mm独基第二阶厚度H2=600mm（1）防水板荷载的计算:防水板重qs=9.5KN/m^2底板建筑做法重qs=15KN/m^2在地下水浮力控制的内力组合时，防水板的荷载设计值为：Qwj=7.7KN/m^2（2）防水板传给独立基础的等效荷载计算:防水板的平均固端弯矩系数 表一a/L 0.20.250.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.8K 0.110.0750.0590.0480.0390.0310.0250.0190.0150.0110.0080.0050.003① 沿独立基础周边均匀分布的线荷载：qe≈Qwj(Lx*Ly-ax*ay)/2(ax+ay)=40.8975KN/m^2② 沿独立基础边缘均匀分布的线弯矩：a/L=0.37查表一K=0.0476Me≈K*Qwj*Lx*Ly=29.68812KN.m（3）独立基础的其他荷载① 作用在基础底面的平均净反力值(设计值)Pj=1.25*（Nk+Gk)/(ax*ay)=162.51KN/m^2② 水浮力较小（qw≦qs+qa或无水压力作用）时，Pj1=Pj=162.51KN/m^2③ 水浮力较大(qw>qs+qa)时，用于基础设计的独立基础底面的平均压力设计值：Pj2=121.62KN/m^2（4）独立基础沿柱边缘截面的基础底面弯矩设计值计算：水浮力较大(qw>qs+qa)时，独立基础的基础底面弯矩分为两部分，一是由防水板抵抗水浮力引起的弯矩M11，二是由Pj引起的弯矩M12,即M1=M11+M12① M11按矢量叠加原理计算，M11=(qe*(ax-d)/2+me)*ay=280.1691585KN.m ②按地基规范公式（8.2.7-4）计算，M12=(ax-d)^2*(2*ay+d/2)*Pj2/4/6=254.89KN.m M1=M11+M12=535.06KN.m （5）独立基础变阶处截面的基础底面弯矩设计值计算① M21按矢量叠加原理计算，M21=(qe*(ax-b)/2+me)*ay=273.421071KN.m ②按地基规范公式（8.2.7-4）计算，M22=(ax-b)^2*((2*ay+b/2)*Pj2/4/6=238.07KN.m M2=M21+M22=511.49KN.m （6）水浮力较小（qw≦qs+qa或无水压力作用）时，独立基础柱根截面的基础底面弯矩设计值计 算:此时，用于基础设计的独立基础底面的平均压力设计值Pj1按地基规范公式（8.2.7-4）计算，M1=(ax-d)^2*((2*ay+d/2)*Pj1/4/6=340.61KN.m <535.06取M1=535.06KN.m （7）无地下水浮力作用时，独立基础变阶处截面的基础底面弯矩设计值按地基规范公式（8.2.7-4）计算：M2=(ax-b)^2*((2*ay+b/2)*Pj1/4/6=318.13KN.m <511.49取M2=511.49KN.m （8）独立基础的配筋设计:计算柱边缘截面基础底面的配筋（此处采用近似计算公式）：① 柱边缘截面：As≈M1/(0.9*ho*fy)=3002.58mm^2② 基础变阶处截面：As≈M2/(0.9*ho*fy)=2870.33mm^2独基的最小配筋率为 0.15%，即Asmin=900mm^2在基础全宽度 ax 范围内，配钢筋取14@150配筋面积=3384.92>3002.58满足取As=3384.92mm^2ay ax *（9）防水板按无梁楼盖设计:柱下板带和跨中板带弯矩分配值（表中系数乘 M）表二截面位置柱下板带跨中板带边支座截面负弯矩0.330.04端跨跨中正弯矩0.260.22第一内支座截面负弯矩0.50.17内跨支座截面负弯矩0.50.17跨中正弯矩0.180.15定柱下板带和跨中板带的弯矩设计值。
跌水和急流槽的适用条件
跌水和急流槽的适用条件跌水与急流槽是路基地面排水沟渠的特殊形式，用于陡坡地段，沟底纵坡可达45°。
跌水的构造，有单级和多级之分，沟底有等宽和变宽之别。
单级跌水适用于排水沟渠连接处，由于水位落差较大，需要消能或改变水流方向。
较长陡坡地段的沟渠，为减缓水流速度，并予以消能，可采用多级跌水。
多级跌水底宽和每级长度，可以采用各自相等的对称形，亦可根据实地需要，做成变宽或不等长度与高度。
按照水力计算特点，跌水的基本构造可分为进水口、消力池和出水口三个组成部分。
各组成部分的尺寸，由水力计算而定。
一般情况下，如果地质条件良好，地下水位较低，设计流量小于1.0～2.0立方米/秒，跌水台阶(护墙)高度P，最大不超过2米。
常用的简易多级跌水,台高约0.4～0.5米，护墙用石砌或混凝土结构，墙基埋置深度为水深 a的1.0～1.2倍,并不小于1.0米,且应埋入冰冻线以下,石砌墙厚约0.25～0.3米。
消力池起消能作用,要求坚固稳定，底部具有1%～2%的纵坡，底厚约0.30～0.35米,壁高应比计算水深至少大0.2米，壁厚与护墙厚度相仿。
消力池末端设有消力槛，槛高 c依计算而定,要求低于池内水深,约为护墙高度的1/5～1/4，一般取c=15～20厘米。
消力槛顶部厚约为0.3～0.4米，底部预留孔径为5～10厘米的泄水孔,以利水流中断时排泄池内的积水。
急流槽的纵坡，比跌水的平均纵坡更陡，结构的坚固稳定性要求更高，是山区公路回头曲线沟通上下线路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施(如图5-14、5-15)。
在高路基边坡上亦常应用，由拦水带泄水口通过路堤边坡上的急流槽或急流管引排到坡脚的水流，应汇集到设在路堤坡脚外1～2米处的排水沟内，并排放到桥涵或自然水道中。
急流槽的构造按水力计算特点，亦由进口、槽身和出口三部分组成。
急流槽可采用由浆砌片石铺砌的矩形横断面或者由水泥混凝土预制件铺筑的矩形横断面。
浆砌片石急流槽的槽底厚度可为0.2～0.4米，槽壁厚度为0.3～0.4米。
水工常用公式
1水工常用公式1、明渠均匀流计算公式:Q=A v =AC Ri2、 渡槽进口尺寸（明渠均匀流）Q = ； bhj2gZ 。
z£ b h© 3、 倒虹吸计算公式：Q=mA 2gz（m 3/ 秒）4、跌水计算公式:跌水水力计算公式：Q = mB 2gH 3/2, 式中：—侧收缩系数，矩形进口尸0.85〜0.95;,B —进口宽度（米）；m —流量系数5、流量计算公式：Q=Aw式中Q 通过某一断面的流量，m / s ；v ---- 通过该断面的流速，n / hA ――过水断面的面积，m 。
6溢洪道计算1）进口不设闸门的正流式开敞溢洪道3（1）淹没出流：Q= £（7 MB H3二侧向收缩系数X 淹没系数X 流量系数X 溢洪道堰顶泄流长度X 溢洪水深2C=1R y （一般计算公式）nC= -R® （称曼宁公式）n:渡槽进口的水位降（进出口水位差）:渡槽进口侧向收缩系数，一般£ = 0.8〜0.9:渡槽的宽度 （米） :渡槽的过水深度（米）:流速系数 ©二0.8〜0.9542(2)实用堰出流：Q=£ MB HT3=侧向收缩系数X 流量系数X 溢洪道堰顶泄流长度X 溢洪水深 2) 进口装有闸门控制的溢洪道 (1) 开敞式溢洪道。
3Q = &(T MB H3二侧向收缩系数X 淹没系数X 流量系数X 溢洪道堰顶泄流长度X 溢洪水深 2(2) 孔口自由出流计算公式为Q=Mb . H二堰顶闸门自由式孔流的流量系数X 闸孔过水断面面积X 、H 其中：3 =be7、 放水涵管(洞)出流计算 1) 、无压管流Q=u A 2gH o=流量系数X 放水孔口断面面积X . 2gH 02) 、有压管流Q=卩 A 2gHo=流量系数X 放水孔口断面面积X , 2gH 08、 测流堰的流量计算一一薄壁堰测流的计算 1)三角形薄壁测流堰，其中90°,即5自由出流： 2 47Q= 1.4H 2或 Q = 1.343H .(2-15) 淹没出流：5Q=( 1.4H 2 ) (T(2-16) 淹没系数：° =* 0.756-(虹-0.13)2+0.145 (2-17)2)梯形薄壁测流堰，其中B 应满足tan 9 =丄，以及b > 3H,即3 33自由出流： Q = 0.42b 2g H 2 = 1.86bH^(2-18) 淹没出流：3Q=( 1.86bH 2) (T (2-19) 淹没系数:。
格栅式跌水设计的关键点探讨
水流在经过格栅时，垂直跌落，被删条分割成条片状，使流速的水平分量趋近于零，水流由集中变为分散，减弱了水流的冲击力。
另外，在下落的过程中大量掺气，相互交错、碰撞，水质点间的相互碰撞、掺混产生强烈的紊动，消能率可达95%以上。
之后在下游形成缓流衔接，消除了因低佛汝德数水流产生的水面波动，使出池后的水面平稳，下游渠道冲刷轻微。
格栅式跌水根据栅条的布置方向，可以分为横向格栅和纵向格栅。
横向格栅的删条垂直水流方向布置，纵向格栅的删条平行水流方向布置。
纵向式格栅的水流可将柴草、浮冰等漂浮物沿栅条推向下游，不易堵塞，且过流能力大，但是消能效果较横向筛网差。
1工程概况库玛拉克河东岸总干渠工程（以下简称库河东岸总干渠）位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县境内，起于协和拉引水枢纽，止于吐木秀克分水闸，担负为温宿县东岸的托乎拉克灌区、协合拉灌区、赛里木灌区、革命大渠灌区，台兰河灌区的一部分及西岸的恰合拉克灌区供水的任务，同时兼顾向塔尕克一、二级电站输水，全长32.943km 。
工程规模为Ⅱ等大（2）型，设计流量Q 设=75m 3/s ，加大流量Q 加=87m 3/s 。
渠道的衬砌型式有三种：底板浆砌卵石，边坡现浇砼板；全断面砼板衬砌；干砌卵石衬砌。
地势北高南低，地面平均纵坡1/130～1/3000左右，地层岩性主要为沙卵石层。
渠道沿地形设计，渠道纵坡1/310～1/2100，设计流速1.74m/s ～2.99m/s 。
由于地形纵坡较陡，共修建了调坡建筑物24座，其中格栅式跌水4座。
本文仅以桩号24+688处跌水为例介绍。
2格栅式跌水的设计本跌水位于桩号24+688处，跌差4.5m 。
上、下段渠道设计参数详见表1。
格栅式跌水的水力计算分为三个部分：进口衔接段、筛网计算、消力池设计。
2.1设计流量的确定Q d 的计算方法如下：选取多个流量分别求出其相应的跃后水深h 2，并用它和下游水深h 下比较，则（h 2-h 下）的最大值对应的流量即为设计流量。
以某工程改进型跌水消能池为例计算分析排水管道的跌水消能构筑物设计
以某工程改进型跌水消能池为例计算分析排水管道的跌水消能构筑物设计摘要：以某工程改进型跌水消能池（跌水10米）为例，计算分析水力消能池的设计计算方法及参数确定。
本次设计消能不同于传统的跌水超过5米的多级消能方式，而是采用消能格栅、消力坎等辅助设施，通过进口渠、消能格栅、水舌、水跃、消力坎等计算设计，将排水渠道排出的高位水、急流水转变为低位水、缓流水，以消除势能、动能的消能方式，以节约占地，降低成本。
本次计算参照《水力计算手册（第二版）》中第五篇渠系建筑物的水力计算的第二章落差建筑物第二节跌水。
关键词：消能格栅；消能池；水舌；水跃；消力坎。
Key words: stilling grid；plunge?pool；water jet；water jump; energy dissipation sill。
引言在落差大的排水或者泄洪等水流管线中，要考虑在自身结构中消除水流挟带的能量。
消能机理主要表现在掺气水流从高处进口渠跌入消能池中上、下翻滚,相互冲撞消能。
跌水就是用于落差集中处，根据落差大小，跌水可做成单级或多级。
在落差较小的情况下，一般3~5m的落差时，采用单级跌水。
单级跌水由4部分组成：①进口；②跌水墙；③消力池④出口。
落差在5 米以上时，一般采用多级跌水，多级跌水的结构与单级跌水相似。
多级跌水的进口和最末一级消能出口的水力计算与单级跌水相同，其中间各级的上级跌水消力池的末端，即下一级跌水的进口。
市政排水项目中，受地下空间限制和费用成本控制的影响，在较大跌水时无法采用多级跌水的形式，因此针对该情况提出了大跌水中的改进型跌水消能池。
作用1、消能池能将大部分能量在跌水过程中于管线或构筑物内消除，下游的出口处不会对河床造成危害，保护河岸，减少河岸加固的费用。
2、排水管线内的消能池可以避免在泄水构筑内发生空蚀破坏，减少水压对管道壁的冲击，增长管道使用寿命。
3、在较小空间和较短距离内，安全地泄散管道内势能与动能，使上游水流与下游水流获得妥善衔接。
竖井式跌水水力计算的探讨
竖井式跌水水力计算的探讨
谭志伟
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2008()2
【摘要】竖井式跌水是消能与抗冻相结合的新型结构形式,针对该结构形式在运用中出现的问题,分析了原因,并提出了解决问题的措施。
同时,介绍了竖井式跌水水力设计方法、原则和步骤。
【总页数】4页(P92-94)
【关键词】竖井式跌水;泄流能力;水力计算
【作者】谭志伟
【作者单位】黑龙江大学水利电力学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV672.4
【相关文献】
1.一种方型竖井式跌水的应用探讨 [J], 张爱民;耿金荣;刘雅香;徐云伟
2.溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨 [J], 黄智敏;付波;陈卓英;钟勇明
3.竖井式跌水的水力计算 [J], 梁桢堂;韩梅
4.竖井式跌水消能工水力计算研究综述 [J], 韩梅;韩松;王志明;
5.旋转式竖井溢洪道水力计算的解析法 [J], 沃.,Бв;杨清
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跌水水力计算(水工结构版)
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矩形断面多级跌水水力计算
h01/q2/3=
0.278
h02/q2/3= h02=
0.728 3.320 m
h01= 1.268 m h02>ht,采用降低渠底形成消力池 初步确定消力池深d3: d 3= σh02-Ht= 0.286 采用消力池深度d3＝ 0.500 m 验算第三级消力池的深度： T'03=P3+H02+d3= 5.516 m q2/3/T'03＝
消力池中收缩断面的流速v1: 消力槛顶的流速V2: (M2q)1/3= 壅高水跃的第二共轭水深h'02: V 2= h'02=
((h'01)2+0.205q(V 1-V2))1/2= q/h'02=
2 02/2g
v'02=
2.631 = 2.645 1.242
H'1= H01-αv'
C'1= σh'02- H'1= C1≈C'1,采用C1＝ 1.20 m 第一级消力池长度计算： Lc1=L1+0.8L 2 L1=1.64(H 0(P+d+0.24H 0))1/2＝ F r=
m
0.827 并根据φ＝ 0.90 查附录20得： 0.255 h'01/q2/3= h'02/q2/3= h'01= V 1= 1.163 q/h'01= 8.374 3.230 3.410 0.380 m h'02= m/s m/s m m
0.775 3.535
消力池中收缩断面的流速v1: 消力槛顶的流速v2： (M2q)1/3= 壅高水跃的第二共轭水深h'02: V 2= h'02=((h' 01)2+0.205q(V 1-V2))1/2= d3= σh'02- Ht= 采用消力池深度d3＝ 0.500 第三级消力池长度计算： Lc3=L1+0.8L 2 L1=1.64(H 02(P+d+0.24H 02))1/2＝ Fr=v1/(gh' 01) = 根据1.7<Fr≤9时， L2=9.5h'01(Fr-1)= LC3=L1+0.8L 2= 采用LC3＝ 18.000 m
终端自由跌水的长天沟水力计算
终端自由跌水的长天沟水力计算
长天沟是国家重点综合治理地区之一，位于黑龙江省齐齐哈尔市境内。
长天沟位于海拔较高，缺水情况严重，沟内水温太低，水的流动特性和水力学特性复杂，因此，计算其终端自由跌水的水力是非常必要的。
本文针对长天沟的治理，采用传统的水力方法和统计学方法，进行终端自由跌水水力计算，为沟内水资源开发提供参考。
首先，综合调查收集长天沟河床及水体特征数据。
根据河床高低起伏，河段总长度分为短段、中段和长段，并完成其水体特征的检测和测量。
其次，采用水力模型，建立终端自由跌水的水力模型。
根据河床的高低变化和水体的水力特性，将其划分为不同的流速区域，并采用适当的水力公式进行计算。
最终，通过传统的水文测量和统计学方法，对河道水力进行计算，得出终端自由跌水的水力值。
经过多次计算，最终计算出长天沟水深最大比值为2.12，采用独特的形态变化，河道的水力学特性好，河道的最小流阻抗比大。
这表明，长天沟河流拥有较高的水力发电性能，有利于利用水力发电资源，为治理长天沟提供参考。
总之，本文采用了水力学模型和统计学方法，对长天沟终端自由跌水水力做出了详细的计算，可为此区域水资源和水力发电服务。
同时，本文也可以为类似河流的研究提供参考价值。
- 1 -。
《小型水工建筑物设计》课程标准
《小型水工建筑物设计》课程标准一、前言（一）课程基本信息1.课程名称：小型水工建筑物设计2.课程类别：专业核心课3.课程编码：0210044.学时：605.适用专业：水利工程专业（二）课程性质1.地位：水工建筑物课程是水利工程专业的核心专业课，是大部分学生将来工作必须掌握的专业技能。
2.作用：《水工建筑物》课程是以水利工程各类水工建筑物为对象，依其各自施工技术、施工组织特征，使学生掌握常见水工建筑物的工作特点、型式、构造及设计基本理论和方法，解决一般水利工程施工过程中的相关设计、计算问题，为学生毕业后顶岗参与水利工程及单体水工建筑物的初步设计、施工现场的技术、组织管理、监理、工程运行管理等工作奠定基础。
3.功能：该课程以“工程土力与地质”、“工程水文及水力计算”和“建筑材料”的学习为基础，同时与“水利水电工程施工”、“水利工程管理”以及“灌溉排水工程技术”等课程相衔接，打造学生的专业核心技能。
（三）课程标准的设计思路1.课程设置的依据本课程是根据教育部有关指导精神和意见，结合高职高专陕西省重点建设专业水利工程专业人才培养模式和课程体系、学院“四位一体”人才培养模式、教育部创新发展行动计划骨干专业建设等综合要求，在与校外企业专家共同制定的水利工程专业人才培养方案基础上设置的。
2.课程改革的基本理念该课程改革的基本理念为：以学生为主体，以职业岗位能力培养为核心，以学习目标为本位，以项目为载体、用任务训练职业岗位能力，采用工学交替，理论、实践、素质一体化的培养模式，凸显工学特色，追求创新与持续发展能力，实现受教育者的全面发展。
实行过程考核与终结考核相结合，保障培养目标的实现。
3.课程目标、内容制定的依据本课程立足于实际工作职业能力的培养，以实际水利工程设计任务为切入点，以水利行业职业资格标准为依据，构建课程内容和知识体系。
课程内容和知识的选取紧紧围绕工作任务完成的需要，同时又充分考虑了高等职业教育对理论知识学习的需要，并融合了相关职业资格证书对知识、技能和素质的要求。
跌水井及盖板计算书
1设计内容 (1)2标准和规范 (1)3结构计算 (1)1.11跌水井（1.2MXL2M） (1)1.2跌水井盖板（L8M X1.9M） (9)1.3跌水井收口盖板（1.6MXL8M） (11)1.4检查井收口盖板（1.4MXL8M） (14)1.5浅型雨水检查井盖板（L4M X1.8M） (16)4结论 (18)1设计内容结构设计范围：检查井收口盖板、浅型雨水检查井盖板、跌水井收口盖板、跌水井盖板、跌水井井室。
2标准和规范Θ《工程结构通用规范》(GB55001-2021)Θ《建筑与市政工程抗震通用规范》(GB55002-2021)Θ《建筑与市政地基基础通用规范》(GB55003-2021)Θ《混凝土结构通用规范》GB55008-2021Θ《建筑结构制图标准》(GB/T50105-2010)Θ《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)Θ《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)Θ《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)Θ《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)Θ《钢筋机械连接通用技术规程》(JGJ107-2016)Θ《混凝土结构设计规范》(2015年版)(GB50010—2010)Θ《建筑抗震设计规范》(2016年版)(GB50011-2010)Θ《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069-2002)Θ《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138-2002)3结构计算3.1跌水井(1.2mX1.2m)1基本资料1.1几何信息水池类型：无顶盖半地上长度L=L800m,宽度B=L800m,高度H=16.000m,底板底标高=T6.OOOm池底厚h3=400mπι,池壁厚tl=300mm,底板外挑长度l2=0πun注：地面标高为±0.000。
(平面图)(剖面图)1.2 土水信息土天然重度20.00kN∕π?,土饱和重度21.00kN∕ι113,土内摩擦角30度 修正后的地基承载力特征值fa=250.OOkPa地下水位标高TO.OOOrn,池内水深0.OOOm ,池内水重度10.00kN∕m 3, 浮托力折减系数LO0,抗浮安全系数Kf=Lo5 1. 3荷载信息活荷载：地面lO.OOkN/m ：组合值系数0.90 恒荷载分项系数：水池自重L30,其它1.30 活荷载分项系数：地下水压1.50,其它1.50 活载调整系数：其它LoO活荷载准永久值系数：顶板0.40,地面0.40,地下水Lo0,温湿度1.00考虑温湿度作用：池内外温差10∙0度，内力折减系数0.65,碎线膨胀系数LOo(I()T∕°C) 不考虑温度材料强度折减 1.4钢筋碎信息混凝土:等级C30,重度25.00kN∕m ∖泊松比0.20纵筋保护层厚度(mm)：池壁(内35,外35),底板(上40,下40) 钢筋级别：HRB400,裂缝宽度限值：0∙20mm,配筋调整系数：LOO 按裂缝控制配筋计算构造配筋采用混凝土规范GB50010-20102计算内容 (1)地基承载力验算 (2)抗浮验算 (3)荷载计算内力(考虑温度作用)计算 配筋计算 裂缝验算混凝土工程量计算3计算过程及结果单位说明：弯矩:kN.m/m 钢筋面积:m/裂缝宽度:mm计算说明：双向板计算按查表恒荷载:水池结构自重,±的竖向及侧向压力，内部盛水压力. 活荷载:顶板活荷载,地面活荷载,地下水压力,温湿度变化作用.裂缝宽度计算按长期效应的准永久组合. 水池方位定义如下：∖l∕ ×)z ∖l∕ \—/ 4 5 6 7 z(∖ /(s /(x z(∖1Q.00kN/m A 2±0.000∖/ 4.⅛0kN /m A 2水池方位示意图1.1地基承载力验算3.1.1基底压力计算(1)水池自重GC计算池壁自重G2=702.OOkN底板自重G3=32.40kN水池结构自重Gc=G2+G3=734.40kN(2)池内水重GW计算池内水重GW=O.00kN(3)覆土重量计算池顶覆土重量GtI=0kN池顶地下水重量GSI=0kN底板外挑覆土重量Gt2=0.00kN底板外挑地下水重量Gs2=0.00kN基底以上的覆盖土总重量Gt=Gtl+Gt2=0.00kN基底以上的地下水总重量GS=Gsl+Gs2=0.00kN(4)活荷载作用Gh地面活荷载作用力Gh2=0.00kN活荷载作用力总和Gh=Gh2=0.00kN(5)基底压力Pk基底面积：A=(L+2×t2)×(B÷2×t2)=1.800×1.800=3.24m2基底压强：Pk=(Gc+Gw+Gt+Gs+Gh)/A=(734.40+0.00+0.00+0.00+0.00)/3.240=226.67kN∕m23. 1.2结论:Pk=226.67<fa=250.00kPa,地基承载力满足要求。
跌水建筑物
1—防渗铺盖；2—进口连接段；3—跌水墙；4—跌水 护底；5—消力池；6—侧墙；7—泄水孔；8—排水管； 9—反滤体；10—出口连接段；11—出口整流段；12— 集水井
3 跌水的消能设施
跌水常用的消能工有消力坎、消力墩（齿）和齿坎综合 消能工。消力坎一般加于池末，为方便施工，多为连续式， 其高度计算见综合消力池。对于无推移质撞击和磨损的渠道 跌水，为提高消能整流效果，亦可采用差动式齿坎。当消力 池深度较小，水跃有越出池外趋势时；或水舌入水宽度较小， 在池中形成折冲水流且引起下游水位的剧烈波动时，可在池 中加设消力墩（齿）以增加效能效果，稳定水跃位置，使出 池水流更加平稳。 消力墩（齿）多为梯形，加设于消力池的前半部分底板 上。其尺寸可如下选取。 墩高：a=(0.95~1.2)h1 墩宽：S=墩间距S0=(0.85~1.0)a 纵向位置：位于设计流量水舌跌落位置以后（0.5～1.5）h1处。 式中：h1为跃前断面水深
主要内容
1.概述 2.跌水的布置 3.跌水的消能设施
1 概述
跌水是明渠工程中最常见的落差建筑物。当渠 道通过地面坡度过陡的地带时，要保持渠道的设计 纵坡，就会出现高填方或深挖方的渠段，为避免这 种现象，最常见的工程措施就是根据渠道的设计纵 坡和实际地形状况将渠道分段，将渠底高程的落差 适当集中，并在落差集中处修建跌水，作为渠道落 差连接建筑物。 另外在建设灌溉、排洪、城市供水、水电站等 水利工程时，常将跌水作为引水、退水、分水和泄 洪建筑物。
2 跌水的布置
跌水构造 上游进口连接段 进口控制段 消力池 下游出口段
2.1 单级跌水
单级跌水是根据渠道通过的地形状况，只作一次 跌落的跌水。单级跌水的落差一般为3～5m
（1）进口连接段
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((h'01)2+0.205q(V1-V2))1/2= q/h'02=
2
v'02=
2.631 2.645 1.242
H'1= H01-α v' 02/2g = C'1= σ h'02- H'1= C1≈C'1,采用C1＝ 1.20 m 第一级消力池长度计算： Lc1=L1+0.8L2 L1=1.64(H0(P+d+0.24H0))1/2＝ Fr=
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矩形断面多级跌水水力计算
0.278 h01/q2/3= h01= 1.268 m h02>ht,采用降低渠底形成消力池 初步确定消力池深d3: d3= σ h02-Ht= 0.286 采用消力池深度d3＝ 0.500 m 验算第三级消力池的深度： T'03=P3+H02+d3= 5.516 m q2/3/T'03＝
0.822 q /T01＝ 根据跌水高度选择流速系数φ ＝ 根据φ 、q
2/3
/T01值差附录20得： 0.255 1.163 m 0.775 3.535 m
h1/q2/3= h1=
h2>h1,采用降低渠底形成消力池 第一级消力槛上的水头H01: H01= (q/M)2/3= 3.016 m 消力槛前的行进流速v01： q/h2= 2.756 m/s v01＝ 消力槛上水深 H1: （流速系数，一般采用α ＝1.05） α ＝ 1.050 2 H1＝ H01-α v 01/2g = 2.609 m 初步确定消力槛高度C1=d1: （保证水跃淹没的安全系数，一般采用1.05～1.10） σ＝ 1.050 C1= σ h2-H1= 1.102 m 采用消力槛高度C1＝ 1.200 验算第一级消力池的深度： T'01= T01+C1= q
6.217 3.032
m m
v1/(gh'01)
1/2
=
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矩形断面多级跌水水力计算
根据1.7<Fr≤9时， L2=9.5h'01(Fr-1)= LC1=L1+0.8L2=
采用消力池长度LC1＝
19.633 21.923
m m
19.000
m
3)、计算第二级跌水： T02=P2+H01= q
ε = M=
堰上水头
(侧收缩系数，一般采用0.85～0.95） (无底槛宽顶堰的第二流量系数，一般取1.62）
H0= (Q/ε Mb)2/3=
3.547
m
2)、计算第一级跌水： T01= P1+H0= q＝
2/3
5.547 9.741 0.900 h2/q2/3= h2=
m m3/(: V1= q/h'01= 消力槛顶的流速V2: (M2q)1/3= 壅高水跃的第二共轭水深h'02: V2= h'02=((h'01)2+0.205q(V1-V2))1/2=
v'02=
q/h'02=
2
H'2= H02-α v' 02/2g = C'2= σ h'02- H'2= C1≈C'1,采用C1＝ 1.10 m 第二级消力池长度计算： Lc2=L1+0.8L2 L1=1.64(H01(P+d+0.24H01))1/2＝ Fr= v1/(gh'01) = 根据1.7<Fr≤9时， L2=9.5h'01(Fr-1)= LC2=L1+0.8L2=
2/3
m 6.747 m
0.676 并根据φ ＝ 0.90 查附录20得： 0.223 h'01/q2/3= h'01= 1.017 m /T'01＝ 9.577 3.230 m/s m/s 3.702 m/s m m m
消力池中收缩断面的流速v1: V1= q/h'01= 消力槛顶的流速V2: (M2q)1/3= 壅高水跃的第二共轭水深h'02: V2= h'02=
2/3
5.016 m 0.909 m h2/q2/3= h2= 0.728 3.320 m
/T02＝
根据φ 、q2/3/T02值差附录20得： 0.278 h1/q2/3= h1= 1.268 m h2>h1,采用降低渠底形成消力池 第二级消力槛上的水头H02: H02= (q/M)2/3= q/h2= 3.016 2.934 2.555 0.931 m 6.116 m 消力槛前的行进流速v01：
矩形断面多级跌水水力计算
矩形断面多级跌水水力计算 （跌水高度大于3m宜采用多级跌水） 跌水Ⅲ 截洪沟设计流量 Q= 水 深 h= 26.300 3.165 0.900 1.620 m m 截洪沟跌水段宽度 b= 每级跌水跌差Pn= 2.700 2.000 m m
1）跌水口计算。采用无底槛矩形跌水口；
m m/s m m
v02＝ 消力槛上水深 H2:
H2＝ H02-α v202/2g = 初步确定消力槛高度C2=d2: C2= σ h2-H2= 采用消力槛高度C2＝ 1.100 验算第二级消力池的深度： T'02= T02+C2= q2/3/T'02＝
0.746 并根据φ ＝ 0.90 查附录20得： 0.235 h'01/q2/3= h'01= 1.072 m 9.088 3.230 3.584 2.718 2.620 1.143 m m/s m m m/s
h02/q2/3= h02=
0.728 3.320 m
m
0.827 并根据φ ＝ 0.90 查附录20得： 0.255 h'01/q2/3= h'02/q2/3= h'01= h'02= 1.163 8.374 3.230 3.410 0.380 m
0.775 3.535 m/s m/s m m
消力池中收缩断面的流速v1: V1= q/h'01= 消力槛顶的流速v2： V2= (M2q)1/3= 壅高水跃的第二共轭水深h'02: h'02=((h'01)2+0.205q(V1-V2))1/2= d3= σ h'02- Ht= 采用消力池深度d3＝ 0.500 第三级消力池长度计算： Lc3=L1+0.8L2 L1=1.64(H02(P+d+0.24H02))1/2＝ Fr=v1/(gh'01) = 根据1.7<Fr≤9时， L2=9.5h'01(Fr-1)= LC3=L1+0.8L2= 采用LC3＝ 18.000 m
1/2
5.569 2.803 18.355 20.253
m m m
采用消力池长度LC2＝
20.000
m
最后一级跌水高度P3=
4)、计算第三级跌水（即最后一级跌水）： 2.000 m T03=P3+H02= q2/3/T03＝ 根据φ 、q
2/3
下游水深Ht=
3.200
m
5.016 m 0.909
/T03值差附录20得：