设计文本—挖深式消力池水力计算

专题10. 挖深式消力池水力计算

当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，可以采用工程措施使下游局部水深增加，从而形成淹没式水跃。

【工程任务】

如图所示为一5孔溢流堰，每孔净宽b=7m ，闸墩厚度d=2m ，上游河道宽度与下游收缩断面处河道宽度相同，即

0c B B nb n 1==+-（）d

，上下游水位的高程如图中所注，当每孔闸门全开时，

通过的泄流量Q=1400m3/s ，试求：

判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一挖深式消力池。

【分析与计算】

1.判断是否需要修建消力池 上游水面收缩断面处河底总能量为

[]

2

2

002

1022()v Q E p H p H g

g p H B α=++

=++

+ （式10-1）

将11551055()p p m ==-= 162.41557.4()H m =-=

31400(/)Q m s =

0(1)57(51)232()B nb n d m =+-=⨯+-⨯=

代入上式可得：

[]

2

02

1400557.462.41()29.8(557.4)43E m =++

=⨯⨯+⨯

收缩断面处的河道宽度043()c B B m ==，则收缩断面处的单宽流量

3/1400/4332.56(/())c c q Q B m s m ===g

坝面流速系数10.015/10.01555/7.40.885p H ϕ=-=-⨯= 收缩断面水深的计算公式为

2

022

2c c c

q E h g h ϕ=+ （式10-2） 即2222

32.5669.6

62.4129.80.885c c

c c h h h h =+=+⨯⨯ 经试算得 1.065()c h m =

c h 的共轭水深为：

1.065''1)1)13.73()22c c h h m ==⨯=

下游水深11010010()t h m =-=。因为13.73()t h m <，所以产生远离式水跃，故需要修建消力池。

2.设计挖深式消力池池长

挖深式消力池主要通过降低护坦高程来实现，其设计内容包括消力池的池深d 和池长Lj 的计算。 池深d 的计算。

应用公式 ''j c t d h Z h σ=-∆- （式10-3）

2

0122

12c c q E d h g h ϕ+=+

（式10-4）

11''1)2c c h h = （式10-5） 将

22

22

12(')2('')

c c t j c q q Z g h g h ϕσ∆=- 代入（式10-3）得到

22

122

1''2('')2(')c c j c t j c t q q h d h g h g h σσϕ+-=+

（式10-6） 式10-6的左端是一个以d 为自变量的函数，令

2

12

1()''2('')c j c j c q f d h d g h σσ=+- （式10-7）

式10-6右端是已知的常数

22

222

32.561010.6

2(')29.80.9510c t t q A h g h ϕ=+=+=⨯⨯⨯

假设一系列的池深d ，然后分别由（式10-3）和（式10-4）计算1c h 和1''c h ，代入（式10-7）计算()f d ，使()f d 等于A 值的池深即为所求。

设 4.4d m =，由（式10-4）得：

12

169.6

66.81c c h h =+

解得：1 1.025c h = 由（式10-5）解得

1 1.025''1)14()2c h m == 2

2

() 1.05 4.410.5529.8(1.0514)c q f d =⨯+-=⨯⨯⨯

可见()f d A =，故取消力池池深 4.4d m =。

3.设计挖深式消力池池深 自由水跃长度

116.9('') 6.9(14 1.025)89.5()j c c l h h m =-=⨯-=

消力池长度

0.750.7589.567.1()J B l l m ==⨯=

【Excel 迭代计算】

由以上计算步骤可以看出，计算过程较繁琐，涉及到收缩断面水深的迭代求解，池深计算等复杂的计算过程。使用Excel 计算软件进行计算，可大大加快计算速度。

按照挖深式消力池的计算思路，在Excel 表格中编制相应的计算程序，如图10-1和图10-2所示。 图10-1和图10-2所示的表格，使用时应注意的问题：

橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值；

若F13单元格中显示“否，不需修建消力池”，则无需进行消力池的水力计算。

①“假设池深d ”一栏为试算水深专栏，当在橙色区域输入第一个试算水深后，可得到其后一差值为0.1的等差数列；②判断试算结束的精度默认为2%，若改变精度，需调整单元格D19:D28的程序。③“消力池池深取值”为符合试算精度要求的多个假设池深的平均值。④消力池池长计算中的两个共轭水深，也是符合精度要求的池深值对应的水深平均值。

图10-1 挖深式消力池excel计算表（工作簿01）