附录一泄水建筑物水力设计计算定律

附录一 泄水建筑物水力设计计算公式

一、堰面曲线

1.开敞式溢流孔的堰面曲线。采用幂曲线时按下式和附表1计算。

x kH y n s n =-1 (附1)

式中 H s 为定型设计水头，按堰顶最大作用水头H z max 的75%～95%计算(m)，其它符号见附图1，数值见附表1。

附表1

原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为

x aH bH y bH s s s 222

2

1()()()+-=

式中 aH s 和bH s 分别为椭圆曲线的长轴和短轴。

若上游面垂直，其长轴aH s 和短轴bH s 可按以下关系选定：

a ≈028030.~. a

b a =+0873.

附图1

采用倒悬堰顶时(如附图1)，应满足

2max

z H d ＞

。

定型设计水头选择及堰顶可能出现的最大负压值参照附表2。

定型设计水头H s 情况下的流量系数m 和其他作用水头H z 情况下的流量系数m z 的比值参照附表3。

2.设有胸墙的堰面曲线。当校核情况下最大作用水头H z max (孔口中心线上)与孔口高(D )的

比值5.1max

＞D H z 时；或闸门全开时仍属孔口泄流，即可按下式计算：

s H x y 22

4ϕ=

(附2)

式中 H s ——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%； ϕ——孔口收缩断面上的流速系数，一般取ϕ=0.96；若孔前设有检修闸门槽时取

ϕ=0.95。

其余符号参照附图2。

附图2

原点上游可用单圆，复式圆或椭圆曲线，与胸墙底缘通盘考虑。

若

5.1

2.1max＜

＜

D

H

z

时，应通过试验决定。

附表2

H s/H z max0.75 0.775 0.80 0.825

最大负压值(m) 0.5H s0.45H s0.4H s0.35H s

H s/ H z max0.85 0.875 0.90 0.95 1.0 最大负压值(m) 0.3H s0.25H s0.2H s0.1H s0.0H s

附表3

H z/H s0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

m z/m0.85 0.90 0.95 0.975 1.0 1.025 1.07 二、泄水建筑物泄水能力计算公式

1.开敞式溢流孔的泄水能力可按下式计算：

Q m B gH z m z =εσ232/ (附3)

式中 Q ——流量，m 3/s ； B ——溢流堰净宽，m ； H z ——堰顶作用水头，m ； g ——重力加速度，m/s 2；

m z ——流量系数，初设时在定型设计水头作用的情况下，当3＞z H P '(P 为堰高，m)时，取m z =m =0.47～0.49；当3≤'z H P

时，取m =0.44～0.47；

ε——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，初设时可取ε=0.90～0.95； σm ——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时σm =1。 2.孔口泄流按下式计算：

z k gH A Q 2μ= (附4)

式中 A k ——出口处的面积，m 2；

H z ——自由泄流时为孔口中心处的作用水头，m ；淹没泄流时为上下游水位差；

μ——孔口或管道的流量系数，初设时对设有胸墙的堰顶高孔，当4

.2~0.2=D H z

(D

为孔口高，m)时取μ=0.74～0.82；对深孔取μ=0.83～0.93；当为有压流时，μ值必须计算沿程及局部水头损失后确定。 三、挑流消能

1.水舌抛距按水舌外缘计算(参照附图3)，其估算公式如下：

[]

)(2sin cos cos sin 12122112

1h h g v v v g L +++=

θθθθ (附

5)

式中 L ——水舌抛距，m ；

v 1——坎顶水面流速，m/s ，按鼻坎处平均流速v 的1.1倍计，即

)m/s (21.11.101gH v v ⨯==ϕ(H 0

为水库水位至坎顶的落差，m)；

θ——鼻坎的挑角，°；

h 1——坎顶垂直方向水深，m ，h 1=h cos θ (h 为坎顶平均水深，m)；

h 2——坎顶至河床面高差，m ，如冲坑已经形成，作为计算冲坑进一步发展时，可算至坑底；

ϕ——堰面流速系数。

附图3

K t '—最大冲坑深度，由河床面算至坑底m

2.最大冲坑水垫厚度按下式估算：

25.05.0H q t K α= (附6)

式中 t K ——水垫厚度，自水面算至坑底，m ； q ——单宽流量，m 3/s/m ； H ——上下游水位差，m ；

α——冲坑系数，坚硬完整的基岩α=0.9～1.2；坚硬但完整性较差的基岩α=1.2～1.5；

软弱破碎，裂隙发育的基岩α=1.5～2.0。 四、护坦消力池长度计算公式

1.福氏数

h g v Fr ''

=

，当Fr ≥4.5，护坦上不设铺助消能工时：

L h h c =''-'6() (附7)

式中 L c ——护坦消力池长度，m ；

'h 、''h ——跃前、跃后共轭水深，m 。

2.当Fr ＞4.5，池首断面平均流速v '大于16～18m/s ，护坦上可设梳流坎及尾坎，但不宜设消力墩时：

L h c =''(.~.)3243 (附8)

3.当Fr ＞

4.5，池首断面平均流速v '小于16～18m/s ，护坦上可设梳流坎、消力墩及尾坎时：

L h c =''(.~.)2328 (附9)

五、空蚀指数估算公式

g

v h h h v

q d k 2/2-+=

σ (附10)

式中 σk ——空蚀指数，无量纲；

h d ——计算断面处的时均动水压力水头(水柱高，m)；

h q ——大气压力水头(水柱高，m)，对于不同高程按900∇

估算，即相对于海平面每增

加高度900m ，较标准大气压力水头降低1m 水柱，∇为海平面以上高度；

v h ——水的汽化压力水头(水柱高，m)；对于不同水温可参照附表4数值采用；

附表4