河岸溢洪道水力计算实例

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1、河岸溢洪道水力计算实例 一 资料及任务 某水库的带胸墙的宽顶堰式河岸溢洪道，用弧形闸门控制泄流量，如图15.7所示。溢洪道共三孔，每孔净宽10米。闸墩墩头为尖圆形(半圆形)，墩厚2米。翼墙为八字形（折线形），闸底板高程为33.00米。胸墙底部为圆弧形，圆弧半径为0.53米，墙底高程为38.00米。闸门圆弧半径为7.5米，门轴高程为38.00米。闸后接第一斜坡段，底坡 =0.01，长度为100米。第一斜坡段后接第二斜坡段，底坡i =1:6，水平长度为60米。第二斜坡段末端设连续式挑流坎，挑射角 25（30）。上述两斜坡段的断面均为具有铅直边墙（矩形断面），底宽B =34米的矩形断面，其余尺寸见图

2、15.7。溢洪道用混凝土浇筑，糙率n=0.014。溢洪道地基为岩石，在闸底板前端设帷幕灌浆以防渗。水库设计洪水位42.07米，校核洪水位为42.40米，溢洪道下游水位与流量关系曲线见图15.8。当溢洪道闸门全开，要求：1.1.绘制库水位与溢洪道流量关系曲线；2.2.绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线；3.3.计算溢洪道下游最大冲刷坑深度及相应的挑距。图7 图8 二 绘制库水位与溢洪道流量关系曲线（一）确定堰流和孔流的分界水位 宽顶堰上堰流和孔流的界限为 0.65。闸门全开时，闸孔高度 =38.033.0=5.0 米，则堰流和孔流分界时的相应水头为 = 米 堰流和孔流的分界水位=33.0+

3、7.7=40.7米。库水位在40.7米以下按堰流计算；库水位在40.7米以上按孔流计算。（二）堰流流量计算 堰流流量按下式计算： 式中溢流宽度B=nb=310=30米。因溢洪道上游为水库， 0则 。溢洪道进口上游面倾斜的宽顶堰，上游堰高a=33.032.5=0.5米，斜面坡度为1：5，则 =5（ 为斜面与水平面的夹角），宽顶堰流量系数m可按 及ctg 由表11.7查得；侧收缩系数 按下式计算： 10.2(n1) 其中孔数n=3；对尖圆形闸墩墩头， 0.25；对八字形翼墙， 0.7。因闸后为陡坡段，下游水位较低，不致影响堰的过水能力，为宽顶堰自由出入流，取 1。 设一系列库水位，计算相应的H，m

4、， 和 ，计算成果列于表1表1库水位（米）（米）m(米 /秒)35.037.039.040.72.04.06.07.72.838.0014.7021.360.250.1250.0830.0650.3820.3830.3830.3840.9840.9650.9520.9381423947131024（三）孔流流量计算 因胸墙底缘为圆弧形，闸孔流量可按具有圆弧底缘的平面闸门下自由孔流流量公式计算 Q= eB 已知 =5.0米，B=30米，H H自由孔流流量系数 ，由表11.12取闸孔流速系数 0.95，垂向收缩系数 按式计算：其中系数k= ，而门底（即胸墙底）圆弧半径r=0.53 米， ，则 =

5、= 0.073设一系列库水位，计算一系列相应的H， , 及 Q，计算成果列于表2库水位（米）H（米）(米 /秒)备注40.7041.5042.0742.407.70.8.509.079.400.6500.588.0.5510.5320.8300.8210.8150.8130.7880.7800.7740.772988108611501186为设计洪水位为校核洪水位图9按表1及表2的数据绘制库水位与溢洪道流量曲线于图三绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线水库设计洪水位为42.07米，由表2知相应闸上水头为9.07米及相应设计流量为1150米 秒。溢洪道水面曲线由闸门后水平段、第一斜坡段及第二

6、斜坡段上的水面曲线所组成。现分别计算各段的水面曲线。（一） （一） 门后水平段由图15.7闸门后水平段长度为14.1米。当库水位为设计洪水位时，由表2知垂向收缩系数 =0.815，故闸门后收缩断面水深 = e=0.8155.0=4.08米闸孔单宽流量 米3/秒/米临界水深 = =5.31米因 ，闸后水平段水面曲线为 型壅水曲线。收缩断面至闸门的水平距离为2.5e=2.55.0=12.5 米，已接近水平段末端， 曲线长仅1.6米，不必计算。参照 值，取水平段末端水深为4.1米。（二） （二） 第一斜坡段1、判别底坡类型。 先求正常水深 ：底坡 0.01，底宽 34米，矩形断面边坡系数 0 ，糙率

7、n0.014，均匀流流量模数 K 11500米 /秒 =76.7由附录图解查得 0.0785，则 0.0785B =0.078534=2.67米 再求临界水深 ： 表15.10h(米)A(米 )(米)R(米)R (米 )C(米 秒)v(米/秒)(米)E (米)4.104.003.903.803.703.603.50139.4136.0132.6129.2125.8122.4119.042.242.041.841.641.441.241.03.3033.2383.1723.1063.0392.9712.9021.2201.2161.2121.2081.2041.1991.19487.1786.8

8、886.5886.2885.9685.6485.318.2508.4568.6738.9019.1419.3959.6643.4733.6483.8384.0424.2644.5044.7657.5737.6487.7387.8427.9648.1048.265(米)(米/秒)(米)(米 秒) (米)(米)0.0750.0900.1040.1220.1400.1618.3538.5658.7879.0219.2689.5303.2713.2053.1393.0733.0052.93787.0386.7386.4386.1285.8085.480.002820.003040.003290.003

9、560.003880.004230.007180.006960.006710.006440.006120.0057710.4512.9315.5018.9422.8827.9010.4523.3838.8857.8280.70108.60 表15.11h(米)A(米 )(米)R(米)R (米 )C(米 秒)v(米/秒)(米)E (米)3.533.202.802.402.001.90120.0108.895.281.668.164.641.0640.439.638.838.037.82.9232.6932.4122.1031.7891.6931.1961.1791.1581.1321.1021.

10、09285.4184.2582.7280.8578.7077.989.58310.5712.0814.0916.9117.804.6865.7007.44510.13314.59216.1698.1268.90010.24512.53316.59218.069(米)(米/秒)(米)(米 秒) (米)(米)0.6841.3452.2884.0591.47710.07711.32513.08515.50017.3552.8082.5532.2581.9461.74184.8383.4981.7979.7878.340.005030.007210.011340.019400.028190.1620.

11、1590.1550.1470.1384.228.4614.7627.6110.704.2212.6827.4455.0565.75 = =33.8米 /秒/米求得 5.04米。因 ，底坡为陡坡。 2、水面曲线计算。 用分段法计算水面曲线。应用的公式为： 因为是陡坡，以第一斜坡段起始断面为控制断面，以该断面水深（即闸后水平段末端水深） 4.1米为控制水深，然后假设下游断面水深 ，计算相应的距离 。这样逐段进行计算，即可求得水面曲线。计算结果列于表15.10。第一斜坡段长度为100米，根据15.10中的数据用内插法求得其末端水深为3.53米。（三） （三） 第二斜坡段 因底坡 0.01，故为陡坡。

12、 第二斜坡水平长度为60米，始末高程差=32.022.0=10.0米，则第二斜坡段长度= 米 以第一斜坡段末端水深h=3.53米作为第二斜坡段的控制断面水深，再用分段法计算该段的水面曲线。其计算结果列于表15.11。用内插法求得第二斜坡段水深为1.954米。 根据表15.10和表15.11的水面曲线计算结果即可确定溢洪道边墙高度。由于第二斜坡段上水流流速较大，水中可能掺气，在确定边墙高度时应考虑由于掺气增加的水深，一般可增加纯水水深的20%。 四、计算溢洪道下游最大冲刷坑深度及相应挑距，并核算冲刷坑对建筑物安全的影响（一）计算最大冲刷坑的深度T先计算冲刷坑最低高程计算高程=下游水位冲刷坑水深

13、，而 可按下式计算： =1.25 式中q为单宽流量；Z为上下游水位差，而上、下游水位可根据流量分别由图15.9及图15.8查得。 设一系列流量值，求出一系列相应的冲刷坑高程，绘制冲刷坑高程与流量关系曲线，即可找出冲刷坑最低高程及相应流量。计算结果列于表15.12。按表15.12的数据绘制冲刷坑高程及流量关系曲线于图15.10。由图查得冲刷坑最低高程为6.3米，相应的流量为940米 /秒。 表15.12(米 /秒)q（米 /秒/米）库水位(米)下游水位(米)Z(米)(米)冲刷坑高程(米)1150100090080070050030033.829.426.523.520.614.78.85.615

14、.425.15. 4.854.543.832.9742.0740.5540.0339.5038.9337.7036.3622.020.720.019.519.018.016.920.0719.8520.0320.0019.9319.7019.462.122.112.1152.1152.112.1052.1015.4014.3213.6212.8311.9810.087.806.606.386.386.677.027.929.10 由图15.7知挑流坎末端地面高程为18.0米，则冲刷坑最大深度为T=地面高程冲刷坑最低高程=18.06.3=11.7米（二） （二） 计算最大冲刷坑深度相应挑距L 根

15、据式12.15，挑距L （挑流坎末端至冲刷坑最低点的水平距离）=L ，而挑流坎末端至水股入水点的距离L 按式（12.14）计算： 已知挑射角 25；相应于最大冲刷坑深度的流量 940米 /秒，相应于此流量的库水位和下游水位分别由图15.9和15.8查得为40.25米和20.35米，则上下游水位差 Z=40.2520.35=19.90米库水位与挑流坎坎顶高差 图4 s=40.2522.00=18.25米由表12.1近似地选取自由孔流的溢洪道流速系数 0.85（因溢洪道较长，故选较小的 值），则挑流坎末端流速 将以上诸值代入 的公式得= = = 水股入水点至冲刷坑最低点的水平距离 按下式计算：其中冲刷坑水深 下游水位冲刷坑高程=20.356.30=14.05米；水股入射角 按下式计算： = = 则 =36.3 于是得挑距