消力池1设计

水力学网上辅导材料9：

一、 第8章 渠系连接建筑物的水力计算

【教学基本要求】

本章主要是工程水力设计计算，包括渡槽、跌水以及渐变段等实际工程的水力计算。这部分不内容作为本课程考试的要求，但是实际工程中会经常遇到。希望学员们结合自己的工作需要去学习。

【内容提要和学习指导】

8．1 渠系连接建筑物的水力计算基本公式

1． 明槽渐变段的水力计算公式

明槽渐变段的上下游水位差△z ：

进口收缩渐变段 t L J g

v g v z z z ⋅+-+=-=∆)22)(1(2

1122221ααζ 出口扩散渐变段 t L J g

v g v z z z ⋅---=-=∆)22)(1(22221112ααζ 明渠渐变段的长度L t ： )(min max B B L t -⋅=η η为系数：对进口的收缩段，η取1.5～2.5；

对出口的扩散段，η取2.5～3.0。

)(1212z z h h ---=∆

2．渡槽的水力计算公式

槽身段流量与断面尺寸的关系： i R AC Q ⋅=

槽身段水面降落值： L i z z ⨯=-32

进、出口渐变段的水力计算公式与明槽渐变段的水力计算公式相同。

3．跌水的水力计算公式

矩形断面进口 3012H g mb Q d ε=

b

H K 0121ζε-= 流量系数m 按堰流确定；K ζ按图8－6所示选用。

梯形断面进口 23011112H g b m Q d = ， 23022222H g b m Q d =

118.0H ctg b b θ+=， 228.0H ctg b b θ+=

消能段中的跌水射程：

当坎为宽顶堰时， 000)25.0(0.4H H P m L +⋅=

当底坎为实用堰时： 000)3.0(34.3H H P m L +⋅=

消力池的长度： j b L L L 8.00+=

消力池的深度 t c

h h d -''=05.1 消力墙的高度 H h c c

-''=05.1 8．2 渠系连接建筑物的水力计算的基本概念

1． 渐变段的分类

急流渐变段与缓流渐变段；收缩渐变段与扩散渐变段；曲线型渐变段与直线型渐变段；直线型渐变段又包括：楔型、圆弧型、八字型和直角型渐变段。

2． 渐变段的作用：平顺过渡水流，避免产生较大的水面变化和水头损失。

3． 渐变段水力计算步骤

在流量和上下游渠道的断面形状、尺寸已知的条件下：

⑴ 根据工程对渐变段水流条件的要求，先选定渐变段的型式和尺寸（即平面轮廓尺寸和底部轮廓尺寸）；

⑵ 计算渐变段需要的长度L t ；

⑶ 计算渐变段内的水面上升或下降值（即上下游水位差△z ）；

⑷ 校核△z 是否满足工程要求，若不满足，重新选择渐变段的型式和尺寸，重复上述计算，直到满足为止；

⑸ 计算渐变段底部高程升降值△。

4．渡槽的主要组成部分及其作用和特点

渡槽的过水部分组成：槽身段，进口渐变段，出口渐变段。

槽身段是渡槽的主要部分，它输运水流跨越山谷或河流。在实际工程中，为了减少工程量，常取槽身段的断面面积小于上下游渠道的断面面积，而底坡则比上下游渠道的底坡为陡。当渡槽的长度大于10倍以上上游渠道中的水深时，槽内水流可近似当作均匀流计算。

进口渐变段是连接上游渠道和渡槽中的水流，使其平顺过渡。进口渐变段为收缩渐变段，水面跌落，而底部升高。

出口渐变段是连接渡槽和下游渠道中的水流，使其平顺过渡。出口渐变段为扩散渐变段，水面有所回升，而底部降低。

5． 渡槽水力计算的内容和步骤

渡槽的水力计算主要是指：根据设计流量、允许的水位落差和上下游渠道均匀流的正常水深和流速，确定渡槽的横断面尺寸和纵坡，选定进、出口的渐变段型式和尺寸。同时调整渡槽进出口底部高程，使通过设计流量时上下游渠道中保持均匀流。

渡槽的水力计算步骤为：

⑴ 根据允许的水位落差，拟定渡槽的底坡i ；

⑵ 根据设计流量Q d ，拟定渡槽的横断面形式和尺寸；

⑶ 计算渡槽中的正常水深h 0；

⑷拟定进、出口渐变段的形式和尺寸，并计算相应的长度、水面跌落或回升值、底部高程升降值等。

⑸校核计算结果是否满足工程要求。若不满足，重新选择进、出口渐变段的型式和尺寸或渡槽断面的形式和尺寸，重复上述计算，直到满足为止。

6．跌水的类型和组成

跌水分为单级跌水和多级跌水两种。

单级跌水由进口段、跌水墙和消能段三部分组成；多级跌水是由若干个单级跌水首尾相连而成的。

根据天然地面落差的大小，可决定修建单级跌水或多级跌水。当天然地面落差小于3～5米时，常做成单级跌水；当落差太大时，则将落差等分成高差相同的若干级，使水流呈阶梯状逐级下跌，做成多级跌水。

7．单级跌水各组成部分的作用及特点

进口段的作用是使水流平顺通过跌坎，并控制上游渠道的水位，避免上游渠道产生过大的跌落或壅高。其几何特征是：宽度收缩（宽度小于上游渠道宽度），底部水平（P s=0）或抬高（P s＞0），断面形状有矩形、梯形和曲线型。其过流特点与自由出流的实用堰流或宽顶堰流相同。

跌水墙一般做成垂直或略有倾斜的墙。可按墙体的结构稳定性要求设计，水力学方面没有特殊要求。

消能段的作用是消除跌落水流的剩余能量，使下游渠道免受冲刷。消能段常做成消力墙式消力池或降低护坦高程形成的消力池。水流跌落时，进入消力池之前为自由射流，入消力池之后产生淹没度不大的水跃，与底流消能的水流特点相同。设计消力池长度要考虑水流跌落时的射程外，其它与底流消能的水力计算相同。

8．跌水的设计流量Q d

跌水的设计流量Q d的选择原则是：由Q d决定的跌坎尺寸，当Q=Q d时，上游渠道为均匀流；当Q = Q max和Q = Q min时，上游渠道的壅水和跌落值为最小。对于矩形断面进口，在Q max和Q min之间选择一个满足上述要求的值作为设计流量Q d；对于梯形断面进口，在Q max和Q min之间可以选择两个设计流量Q d1和Q d2，由这两个设计流量设计的跌坎尺寸，可保证当Q = Q max和Q = Q min时，上游渠道的壅水和跌落值为最小。

二、第9章渗流

【教学基本要求】

1、了解渗流现象和渗流的基本概念，理解渗流模型的内容和建立的条件。

2、掌握渗流运动的基本定律，包括达西定律表达式及其适用范围，了解渗透系数k的