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拦河溢流坝水力计算实例
一、 资料和任务
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为了解决某区农田灌溉问题。于某河建造拦河溢流坝一座,用以抬高河中水位,引水灌溉。进行水力计算的有关资料有:
1.? 设计洪水流量为550米3/秒;
2.? 坝址处河底高程为43.50米;
3.? 由灌区高程及灌溉要求确定坝顶高程为48.00米;
4.? 为减小建坝后的壅水对上游的影响,根据坝址处河面宽度采用坝的溢流宽度B=60米;
5.? 溢流坝为无闸墩及闸门的单孔堰,采用上游面铅直的三圆弧段WES型实用堰剖面,并设有圆弧形
翼墙;
6.? 坝前水位与河道过水断面面积关系曲线,见图1;
7.? 坝下水位与河道流量关系曲线,见图2;
8.? 坝基土壤为中砾石;
9.? 河道平均底坡=0.00127;
图1
图2
10.河道实测平均糙率=0.04。
水力计算任务:
1.? 确定坝前设计洪水位;
2.? 确定坝身剖面尺寸;
3.? 绘制坝前水位与流量关系曲线;
4.? 坝下消能计算;
5.? 坝基渗流计算;
6.? 坝上游壅水曲线计算。
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二、???? 确定坝前设计洪水位
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坝前设计洪水位决定于坝顶高程及设计水头,已知坝顶高程为48.00米,求出后,即可确定坝前设计洪水位。
溢洪坝设计水头可用堰流基本方程计算。因式中,ε及σ均与有关,不能直接解出,故用试算法求解。
设=2.53米,则坝前水位=48.00+2.53=50.53米,按坝前水位由图1查得河道过水断面面积A0=525米2,又知设计洪水流量Q=550米3/秒,则
===1.03米/秒
==0.056米
=+=2.53+0.056 = 2.586米
按设计洪水流量Q,图2查得相应坝下水位为48.17米。下游水位超过坝顶的高度
=48.17-48.00=0.17米
==0.066<0.15
下游坝高
=48.00—43.50=4.50米
==1.74<2.0
因不能完全满足实用堰自由出流条件: ≤0.15及≥2.0,故为实用堰淹没出流。
根据及值由《水力计算手册》曲线型实用堰的淹没系数图查得σ=0.999。因溢流坝为单孔堰,溢流孔数n=1;溢流宽度B=b=60米。按圆弧形翼墙由边墩系数表查得边墩系数ζk=0.7,则侧收缩系数
=1-0.2×0.7×=0.994
对于WES型实用堰,当水头为设计水头时,流量系数==0.502,于是可得溢流坝流量
=0.999×0.994×0.502×60
=550.6米3/秒
计算结果与设计洪水流量基本相符,说明假设的值是正确的,故取设计水头=2.53米。
坝前设计洪水位=坝顶高程+
=48.00+2.53=50.53米
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三、???? 确定坝身剖面尺寸
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坝顶上游曲线的有关数据计算如下:
=0.5=0.5×2.53=1.265米
=0.2=0.2×2.53=0.506米
=0.04=0.04×2.53=0.101米
=0.175=0.175×2.53=0.443米
=0.276=0.276×2.53=0.698米
=0.2818=0.2818×2.53=0.713米
坝顶下游曲线方程为
===
按上式计算的坝顶下游曲线坐标x,y值列于表1。
因下游坝高=4.5米10米,故取坝末端圆弧半径为
=0.5=0.5×4.5=2.25米
按上述数据绘制的坝身剖面图见图3。
表1
x(米) y(米) x(米) y(米) x(米) y(米) 0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50 0.000
0.004
0.063
0.133
0.227
0.343
0.481 1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25 0.640
0.819
1.018
1.237
1.476
1.734
2.011 3.50
3.75
4.00
4.25
4.50
4.75
5.00 2.306
2.620
2.952
3.303
3.671
4.057
4.461 ?
图3
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四、?? 绘制坝前水位与流量关系曲线
?
不同水头的溢流坝流量仍按计算。 现以=2.0米为例说明求流量的方法。
因为未知,无法计算及,故先取≈=2.0米。又因下游水位与Q有关,尚无法判别堰的出流情况,可先按自由出流算出Q后,再行校核。
对于自由出流,σ=1。根据==0.791,由《水力计算手册》流量系数图查得=0.485。则侧收缩系数
=1-0.2×0.7×=0.995
则流量的第一次近似值
=1×0.995×0.485×60=362.6米3/秒
按坝前水位=48.0+2.0=50.0米,由图1查得=459米2,
则
===0.79米/秒
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