第28卷第4期水 道 港 口Vol.28 No.4 2007年8月Jou rnal of Waterway and H arbor Aug.2007 不同受力状态下沉入式大圆筒结构入土深度计算方法
王元战,张 鑫
(天津大学建筑工程学院天津市港口与海洋工程重点实验室,天津300072)
摘 要:沉入式大圆筒结构是一种适用于软土地基的码头、海岸及近海工程水工建筑物,沉入式大圆筒
结构入土深度确定是该种结构稳定性设计的关键内容。假设圆筒绕筒轴线上某一点和绕筒母线上某一
点转动二种变位模式;根据作用于圆筒上竖向力的大小,土对筒壁的摩阻力考虑竖直向上和向下二种情
况;在土对筒壁的摩阻力竖直向上的情况下,考虑背离转动方向一侧地基土对筒底的反力作用。根据水
平力、竖向力和力矩平衡条件,建立了沉入式大圆筒结构入土深度计算方法,对现有方法做了修改和完
善。结合工程实例,对不同计算模式进行了比较分析,并研究了作用于圆筒上的竖向力和水平力对入土
深度的影响。
关键词:沉入式大圆筒;稳定性;入土深度;受力状态
中图分类号:TV314 文献标识码: A 文章编号:1005-8443(2007)04-0229-07
大圆筒结构是由无底大直径钢筋混凝土或钢圆筒薄壳连续排列构成的码头、防波堤、导流堤等水工建筑物,是近年来在我国发展起来的一种适用于软土地基的新型结构,具有造价低、工期短和耐久性好等优势,在多项国家大型建设项目中得到采用。在大圆筒结构与土相互作用机理、内力与变形计算方法和稳定性分析方法等方面,国内外均开展了一些研究工作,通过现场观测、室内模型试验、理论分析和数值模拟,取得了大量研究成果。但是,在沉入式大圆筒结构的实际应用中依然出现了包括倾覆破坏在内的很多工程问题。因此,关于沉入式大圆筒结构的工作机理及其设计计算方法,特别是在深厚软土地基中的稳定性计算方法,仍是有待深入研究的课题。
目前,大圆筒结构稳定性计算方法主要有:基于重力式结构稳定性验算的方法[1]、摩阻力方法[1]、基于无锚板桩稳定性验算的方法[2-3]、基于吸力式沉箱结构水平承载力计算方法[4-5]和极限变位控制方法[6]等。文献[7]通过一实际工程破坏实例,对各种计算方法的基本假设、分析思路、参数取值和计算结果等进行了比较,结果表明不同计算方法存在很大差异。文献[2]假设沉入深厚软土地基中的大圆筒结构稳定性主要由土的嵌固作用维持,其工作原理与无锚板桩类似,基于无锚板桩稳定性验算方法,通过水平力和力矩极限平衡条件建立了大圆筒结构稳定性计算方法,该方法中没有考虑竖向力平衡条件。文献[8]在文献[2]的基础上,进一步考虑竖向力平衡条件,对大圆筒结构稳定性计算方法作了改进。但在文献[8]中假设竖向力较小,作用于背离转动方向一侧的土体对筒壁的摩阻力竖直向下,该侧地基对筒底没有土反力。此外,在文献[2]、[8]计算模型中,均假设圆筒绕筒轴线上的某一点转动。本文假设圆筒绕筒轴线上的某一点和绕筒母线上某一点转动二种变位模式;根据作用于圆筒上竖向力的大小,土对筒壁的摩阻力考虑竖直向上和竖直向下二种情况;在土对筒壁的摩阻力竖直向上情况下,考虑背离转动方向一侧地基对筒底的土反力。对沉入式大圆筒结构入土深度计算方法进行了修改和完善。结合工程实例,对不同计算模式进行了比较分析,并研究了作用于圆筒上的竖向力和水平力对入土深度的影响。
收稿日期:2007-04-21; 修回日期:2007-05-14
基金项目:天津市科技攻关基金(043114711);教育部博士点基金资助项目(20050056036)
作者简介:王元战(1958-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事港口、海岸及近海工程领域的教学与科研工作。
Biography:W ANG Yuan-zhan(1958-),male,doctor,professor,tutor of doctorial student.
1 稳定性分析模型
假设沉入深厚软土地基中大圆筒结构的稳定性主要由土的嵌固作用维持,在外荷载作用下圆筒将绕泥面下某一点C 转动,分析模型如图1所示。图中大型圆筒结构与板桩结构计算模型的主要区别是:由于圆筒直径较大,除板桩计算模型考虑的土体水平抗力P y 和R c ,还考虑了筒内外土体对筒壁的竖向摩阻力 1, 2, 3和 4,以及土体作用于筒底的水平切力T 和筒底土反力 的作用。
本文假设二种转动模式:绕筒轴线上某一点转动和绕筒母线某一点转动。当作用在大圆筒上的外荷载竖向力V 较小时,作用于背离转动方向一侧的土对筒壁的摩阻力竖直向下,该侧地基对筒底没有土反力,分析模型如图1-a 、1-b 所示,图1-a 为绕筒轴线上某一点转动模式,图1-b 为绕筒母线上某一点转动模式。当作用在大圆筒上的竖向力V 较大时,作用于背离转动方向一侧的土体对筒壁的摩阻力作用方向改变为竖直向上,该侧地基对筒底也产生反力作用,并假设地基反力为线性分布,分析模型如图1-c 、1-d 所示,图1-c 为绕筒轴线上某一点转动模式,图1-d
为绕筒母线上某一点转动模式。
图1 不同受力状态下大圆筒结构稳定性分析模型
Fig.1 Stability analysis model of large cylinder structure under different loading s tates
2 作用力计算
2 1 筒体左侧水平土抗力P y
筒体左侧水平土抗力强度p y 可表示为被动土压力与主动土压力之差
p y = D[!(K p -K a )y +2c(K p +K a )](1)
筒体左侧水平土抗力合力P
y 为230水 道 港 口第28卷第4期
231 2007年8月王元战,等 不同受力状态下沉入式大圆筒结构入土深度计算方法
232水 道 港 口第28卷第4期
4 2 圆筒入土深度计算利用本文建立的转动点在中轴线上和转动点在前端母线上两种变位模
式,计算了在台风期间维
持结构稳定性所需的入土
深度,见表2。表2同时
给出了原设计方案确定的
入土深度[6]、文献[2]方法
(没有考虑竖向力平衡条
件)计算的入土深度和文
献[8]方法(没有考虑右侧
地基反力影响)计算的入
土深度。
由表2可见,原设计
方法确定的入土深度明显
偏小,是导致工程失效的
主要原因。由于文献[2]
方法没有考虑竖向力平衡
条件,计算的入土深度也
偏小。在该工程特定设计
条件下,本文2种转动模
式计算的入土深度,以及
文献[8]方法计算的入土
深度,相差不大。
表1 台风期间波浪要素及波浪荷载
T ab.1 Essential factors of wave and wave force during typhoon
水 位
波 高周 期水平波浪力数 值作用点标高垂直波浪力数 值距中轴线距离3.10m 7.37m 7.40s 7989 9kN -5.09m 3751.3kN 3.56
m 图4 某防波堤断面Fig.4 Cross section of a cylinder break water 表2 计算入土深度Tab.2 Depth of cylinder inserted in soil m
计算方法原设计方法[6]文献[2]方法文献[8]方法本文方法绕轴线转动模式绕母线转动模式入土深度15.219.0422.522.922.64 3两种转动模式比较利用本文方法建立的2种转动模式,计算了不同水平力P 和不同垂直力V 情况下维持结构稳定性所需的入土深度,图5-a 、5-b 、5-c 分别给出了水平力P =4000kN 、6000kN 、8000kN 情况下,2种转动模式计算的入土深度随竖向力V
的变化曲线。
图5 2种转动模式比较
Fig.5 Comparison between two models
2种转动模式计算的入土深度均随水平力的增加而增加,是符合一般规律的。垂直力对稳定性的作用有两方面:一方面,垂直力增加使圆筒右侧向下的摩阻力减小、甚至转变为向上的摩阻力,这对结构稳定性是2332007年8月王元战,等 不同受力状态下沉入式大圆筒结构入土深度计算方法
不利的;另一方面,垂直力增加会增大结构的稳定力矩,这对结构稳定性是有利的。转动点在筒轴线变位模式下,由于垂直力对筒轴线上转动点的力臂较小,第二方面因素所产生的稳定力矩增加量小于第一方面因素所产生的稳定力矩减小量,故入土深度随垂直力增加而增加。转动点在筒母线变位模式下,由于垂直力对筒母线上转动点的力臂较大,第二方面因素所产生的稳定力矩增加量大于第一方面因素所产生的稳定力矩减小量,故入土深度随垂直力增加而减小。当垂直力较小时,2种转动模式计算的入土深度差别不大。4 4 水平力和竖向力对入土深度的影响
图6-a 、6-b 分别给出了绕中轴线上一点转动和绕前端母线上一点转动2种模式下圆筒入土深度随同
水平力和竖向力变化情况。
图6 入土深度随同水平力和竖向力变化曲线
Fig.6 Depth of cylinder inserted in soil vs.horizontal and vertical force
2种转动模式计算的入土深度均随水平力的增加而增加。在绕中轴线上一点转动模式下,入土深度随垂直力增加而增加;在绕前端母线上一点转动模式下,入土深度随垂直力增加而减小。
5 结语
本文在沉入式大圆筒水平力、竖向力和力矩平衡条件的基础上,提出了圆筒绕筒轴线上某一点和绕筒母线上某一点转动2种变位模式,考虑土对筒壁的摩阻力竖直向上和竖直向下2种情况,对沉入式大圆筒结构入土深度计算方法进行了修改和完善。通过一工程实例计算,对不同计算模式进行了比较分析,研究了作用于圆筒上的竖向力和水平力对入土深度的影响,为实际工程设计提供了可供参考应用的方法。
根据沉入式大圆筒的实际工作情况,本文建议圆筒绕筒母线上某一点转动变位模式进行沉入式大圆筒结构稳定性验算。
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On calculation methods of embedded depth large diameter
cylinder under different loading states
W ANG Yuan zhan,ZHANG X in
(School o f Civil Engineering,Tianjin Key Laboratory o f Port and Ocean
Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )
Abstract:E mbedded large cylinder is a type of hydraulic structures in port,coastal and offshore engineering,which is especially suitable for soft soil ground.The calculation of its e mbedded depth is quite significant for its stability de sign.In this paper,there are two probable displacement models presented on the assumption that a c ylinder may turn around a point either in the axes or in the generatrix .The direction of the friction force between soil and the cylinder varies according to the value of vertical forces.Furthermore,the force on the bottom of the cylinder,given by the ground on the side deviating from turning,has been taken into consideration while the friction force between soil and the cylinder is upward.With the c onsideration of horizontal forces,vertical forces as well as bending equilibrium equations,the com putation of embedded depth of large diameter cylinder is put forward as modification of the existent.The different calcula tion models are compared and the effects of horizontal forces and vertical forces on embedded depth are investigated through a practical e xample.
Key words:e mbedded large cylinder;stability;embedded depth;loading state
?水道港口#被美国?剑桥科学文摘:材料信息#(CSA:MI)
收录为刊源期刊
2007年7月13日,?水道港口#编辑部收到了中国科学技术期刊编辑学会国际交流工作委员会朱诚教授的来函。来函告之:经中国科学技术期刊编辑学会国际交流工作委员会推荐,?水道港口#杂志已通过美国?剑桥科学文摘:材料信息#(CSA:M1)的评估,被正式收录为该数据库刊源期刊。这是?水道港口#继2006年进入?剑桥科学文摘:贝塞斯达#(CSA:Bethesda)数据库后进入剑桥科学文摘的另一个分类数据库。
美国?剑桥科学文摘#(CSA,Cambridge Scientific Abstracts)是具有三十多年历史的国际综合性数据库。?剑桥科学文摘:贝塞斯达#(CSA:Bethesda)主要担负自然科学部分,而?剑桥科学文摘:材料信息#(CSA:MI)包含有工程技术部分。235
2007年8月王元战,等 不同受力状态下沉入式大圆筒结构入土深度计算方法
***水库工程 上坝址重力坝方案消力池稳定计算稿 (可研阶段) ************有限公司 XXXX年11月
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1计算目的 根据水工结构布置和水力学计算成果，计算可行性研究阶段上坝址重力坝方案消力池底板的抗浮条件，确定抗浮处理措施和工程量。 2计算要求 满足可行性研究阶段要求。 3计算依据 《混凝土重力坝设计规范》SL319-XXXX 《水工建筑物荷载设计规范》SL744-XXXX 《溢洪道设计规范》SL253-XXXX 《***水库工程上坝址重力坝方案水力学计算稿》 4计算过程 4.1基本参数 消力池底板总长30m，宽43m，底板厚2m，底板高程1349m。消力池结合下游开挖布置，对基础进行固结灌浆处理，固结灌浆孔的间、排距均为2m，呈方形布置，坝基面孔深入基岩8m。为增强护坦与基础连接布置基础插筋锚固，插筋为Φ25@2m×2m，入基岩深5.0m。
底流消能跃前水深按取泄槽末端的水深，根据泄槽水面线结果取末端水深。 4.2 计算公式 消力池底板抗浮稳定复核计算按照不设排水孔考虑，计算工况： (1)宣泄消能防冲的洪水流量。 (2)宣泄设计洪水流量。 (3)宣泄校核洪水流量。 根据《溢洪道设计规范》SL 253-XXXX 规定，底板的抗浮稳定计算公式按照下式计算： 123 12 f P P P K Q Q ++= + 式中：P 1—底板自重，KN ； P 2—底板顶面上的时均压力，KN ； P 3—当采用锚固措施时，地基的有效重量，KN ； Q 1—底板顶面上的脉动压力，KN ； Q 2—底板底面上的扬压力； (1)护坦自重 护坦长度30m ，宽度43m ，厚度2m ，混凝土容重24KN/m 3。 (2)时均压力 时均压力的计算公式按《水工建筑物荷载设计规范》SL744-XXXX 中的要求， cos tr w p h γθ= 式中：p tr —— 过流面上计算点的时均压强代表值(N/m 2)； w γ—— 水的重度，(kg/m 3)； h —— 计算点的水深；
消力池底板抗浮计算书 一、概述 溢流堰、闸室后接消力池，消力池长18m，宽17m，深,底板高程为，消力池底板厚度为,。底板设置排水孔，孔排距均为2m，成梅花型布置，其下设置砂石反滤垫层，层厚。泄洪冲沙闸消力池和泄洪闸底板后接防冲海漫，海漫长29m。海漫采用浆砌石，厚。 二、主要设计依据及参数选取 1．特征水位及流量 正常蓄水位，设计水位，校核洪水位。 洪水流量及水位见表2-1。 底板采用C30混凝土: 容重m3, fc= N/mm2, ft=mm2；弹性模量Ec=×10-4N/mm2；基岩与混凝土面的抗剪断强度?=～，粘滞力c=～；Ⅱ级钢筋，fy=fy’=310 N/mm 三、设计工况 本次分析主要计包括坝后消力池底板的结构设计及配筋计算，具体计算工况如下： （1）工况一：正常蓄水位+自重+扬压力+脉动压力（基本荷载组合） （2）工况二：设计洪水位+自重+扬压力+脉动压力（基本荷载组合） （3）工况三：校核洪水位+自重+扬压力+脉动压力（特殊荷载组合） 四、底板荷载计算 1.计算公式及参数选取 （1）自重 G=γ c ×A×h G —底板自重（KN）； A —底板面积（m2），306m2； h —底板厚度（m），； γ C —C30混凝土容重，取值24KN/m3。 带入数据求的底板自重为3672KN。 （2）时均压力P w =γ w ×H×A P w —水压力（KN）； H —下游水深（m）； A —底板面积（m2）；γw—水的容重。
表4-2 时均压力计算表 计算工况底板面积 （m2）水的容重 (KN/m3) 下游水深（m）时均压力（KN） 正常蓄水30600设计洪水306 校核洪水306 （3）扬压力Py=γ w ×(H+h)×A Py—底板承受的扬压力（KN）； H —下游水深（m）； h—底板厚度（m），此处为； γw—水的容重，取值m3； 表4-3 扬压力计算表 计算工况底板面 积（m2）水的容重 (KN/m3) 下游水深（m）底板厚度（m）扬压力（KN） 正常蓄水3060设计洪水306 校核洪水306 （4）脉动压力 P m =a m ××γ w ×A P m —脉动压力(KN）； V —底板计算断面处得平均流速（m/s） a m —脉动压力系数，此处取值； A —底板面积（m2），306m2； γ w —水的容重，取值m3； 计算工况下泄流量 （m3/s） 下游水 深(m) 平均流 速(m2/s) 水的容重 (KN/m3) 脉动压力 （KN） 设计洪水 校核洪水 （5）作用效应及抗力效应函数 作用效应函数（垂直向上所有合力） R（）=γ Q ×P y +γ Q ×P m 抗力效应函数（垂直向下所有合力） S（）=γ G ×G+γ Q ×P w γ G ——永久荷载分项系数，取； γ Q ——可变荷载分项系数，取；
********************************************************************** 计算项目：消能工水力计算1 ********************************************************************** ---------------------------------------------------------------------- [ 消力池断面简图] ---------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------- [ 计算条件] ---------------------------------------------------------------------- [基本参数] 消能工类型:下挖式消力池 计算目标:设计尺寸 上游底部高程:1.000(m) 下游底部高程:0.000(m) 消力池首端宽度:6.000(m) 消力池末端宽度:6.000(m) 水流的动能校正系数:1.000 泄水建筑物下游收缩断面处流速系数:0.950 消力池出流流速系数:0.950 水跃淹没系数:1.050 是否计算消力池前段长度:交互 消力池前段长度:0.000(m) 自由水跃跃长计算系数:6.900 水跃长度校正系数:0.750 是否计算消力池底板的厚度:计算 消力池底板计算系数K1:0.200 消力池底板安全系数K2:1.300 消力池底板的饱和重度:25.000(kN/m^3) 脉动压强系数:0.050
第三节水闸的消能防冲设计 一闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因 1.闸下泄流的特点 (1)分洪闸 开始泄流时下游无水或水位很低 始流条件差：Qmax→⊿Zmax 水位升高，Fr较小，易产生波状水跃； 进口流态不对称时会产生折冲水流。 (2)节制闸 闸门开启不对称时会产生折冲水流； 水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。 2.闸下冲刷的原因 q大而土壤的抗冲刷能力低； 河道收缩，水流未充分扩散； 运用不合理，产生折冲水流； 消能工设计不合理。 二消能工设计 消能工的主要作用是改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。 消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。 1.消能方式： 大多数采用底流消能，“ 我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr 较低，宜采用底流式水跃消能。” ⒉消力池布置与设计： 造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床免受冲刷。
⑴设计情况：不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。 拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件； 分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件； 排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设计的水力条件； 挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能设计的控制条件。 ⑵计算消力池长度、深度及消力池底板的厚度 （a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解 （b）消力池的长度：用经验公式计算： 式中 L sj为消力池长度； L s为斜坡段的水平投影； β为水跃长度校正系数，一般取0.7～0.8； L j为水跃长度，新规范中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算： （c）消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按规范中以下公式计算，取其最大值，且不小于0.5m：
Excel 水力计算展示之 专题11. 消力坎式消力池的水力计算 当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，也可以采用修建消能墙，使墙前水位壅高，以期在池内发生稍有淹没的水跃。其水流现象与挖深式消力池相比，主要区别在于池出口不是淹没宽顶堰流而是淹没折线型实用堰流。水力计算的主要任务是确定墙高C 和池长B L 。 【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d 0c B B nb (n 1)==+-，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=1400m 3/s ，试求： 判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一消力坎式消力池。 【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11-1） 将 11551055()p p m == -=
162.41557. 4H m =-= 31400( /) Q m s = 0(1)57(51)232()B n b 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 === 坝面流速系数10.015/10.01555/7.40.885p H ?=-=-?= 收缩断面水深的计算公式为 2 022 2c c c q E h g h ?=+ （式11-2） 即 2 222 32.5669.6 62.4129.80.885 c c c c h h h h =+=+?? 经迭代得 1.061()c h m = c h 的共轭水深为： 2233 1.0613 2.56''(181)(181)1 3.758()229.8 1.061c c c h q h m gh =+-= ?+?-=? 下游水深11010010()t h m =-=。因为13.758()t h m <，所以产生远离式水跃，故需要修建修建消力池，或修建消力坎。 2.设计消力坎式墙高 墙高计算 基本公式为 2 23 2 ''()2('')2c c j c j c q q C h g h m g σσσ=+- （式11.3） （1）先假设消力墙坎处为自由溢流
浅析影响消力池设计尺寸的关键因素 发表时间：2019-06-21T16:48:01.330Z 来源：《防护工程》2019年第6期作者：李雪芳 [导读] 本文以水闸消力池为例对消力池尺寸设计的关键影响因素进行简要分析论述。 北海河海水利水电设计院广西北海 536000 摘要：消力池是跌水、水闸等水工建筑物的重要组成部分，对于跌水、水闸等水工建筑物的安全运行具有重要意义。所以，科学且经济合理的设计消力池便十分重要。在实际设计中，消力池的设计尺寸是由上下游水深、过闸流量等因素的影响。本文以水闸消力池为例对消力池尺寸设计的关键影响因素进行简要分析论述。 关键词：消力池；设计；影响因素 引言 修建在渠道上的水闸，在渠道水流经过水闸之前，一般都为缓流，水流经过水闸时，部分势能转为动能，流速增大，而土质河床的抗冲能力低，所以，在水闸闸室下游修建消力池对水闸的稳定有着重要影响。水闸建成后，水闸往往需要在不同的水流下运行，水闸上下游的水位时常发生变化，且闸门的开启高度也会经常发生变化，这就导致出流可能演变成闸孔出流、堰流、自由出流或者淹没出流都会发生，进而导致水跃衔接上出现临界式水跃、淹没式水跃等，对水闸闸室下游河床造成巨大的冲刷，严重影响到水闸的安全稳定运行。因此，必须在最短距离内消除余能，使得高速水流在消力池内迅速消力转变为缓流，保证水闸的安全稳定运行。因此，合理科学设计消力池就变的非常重要。 1、消力池深度计算中的影响因素 根据现行的《水闸设计规范》（SL265-2016）中关于消力池深度的计算，其可按下式进行计算：；式中的表示跃后的水深，m；表示出池河床的水深，m；表示出池落差，m。从式中可以看出，消力池的深度取决于这三项要素。水流通过水闸下泄，然后在下游形成水跃，如果没有设置消力池，那么此时可能会出现临界式水跃、远驱式水跃和淹没式水跃，其中，远驱水跃最为不利，因为在这种情况下，建筑物与跃前断面之间，还存在相当的急流段，在这段内，流速非常高，对河床冲刷很严重，河床必须有可靠的保护结构；对临界水跃衔接，虽然所要求的护坦长度，较远驱式的短，但这种衔接是不稳定的；而淹没式水跃的长度较短，且离建筑较近，这种水跃进行消能处理能取得较好的效果。消力池的设计深度必须保证能加大水闸下游的水深，将水跃控制在距离建筑物一定的距离内，形成淹没程度不大的淹没水跃。上式中，值非常小，可以忽略不计，而与流量的关系则与上游水头、闸孔净宽、消力池首尾端宽度等因素有关，与流量的关系则与下游渠道的数理特性等有关，这就使得与之间并没有固定的相互关系，它们的大小与很多因素有关。但是，当计算中忽略不计值时，从式中可以看出，消力池的深度与（-）值之间成正相关系，当（-）值最大，此时过闸流量最大，下游的水深也最大，而上下游的水位落差却并不是最大的。所以说，在消力池深度计算中，（-）值是一个关键影响因素。 2、消力池长度计算中的影响因素 消力池的长度必须足以保证水跃不跃出池外，所以，消力池的长度可以从水跃的长度出发来考虑。但消力池内的水跃受到消力池末端垂直壁面产生一个反向作用，减小了水跃的长度。所以，消力池内的水跃长度仅为平底渠道中自由水跃长度的70%～80%。 水闸在正常运行过程中出现闸门的开启关闭，这带来流量的变化，从而使得下游河床的水深与跃后的深度总是在不断发生变化。在消力池的长度计算中，/的大小会对其产生重要影响。 当/≤1时，此时水闸下泄后在下游形成自由水跃或临界式水跃或远驱式水跃；当/＞1，会发生淹没水跃，当/＞1.2时，随着淹没程度逐渐加大，淹没水跃的长度也会加大，且远远大于自由水跃的长度。出现这一现象的原因是：在同等流量下，淹没水跃的消能系数比自由水跃的小，淹没程度与消能系数之间成反比例关系，因此随着淹没程度的增大，位于表面漩涡之下的高速主流扩散得也就越慢，从而增大了水跃的长度。 在消力池长度的计算上，其与水跃长度密切相关，但是由于过闸流量、上下游水位差等的不断变化，使得水跃长度也不固定，进而使得消力池的长度在水跃长度的影响下发生变化。换言之，/的大小对消力池长度的设计有重大影响。在实际设计中，很多时候忽略了/对消力池长度的影响，经常直接使用规范中的水跃长度计算公式，但淹没水跃与自由水跃的计算公式是不同的，在同等条件下计算出的水跃长度也就有所不同，而且差值会随着流量的变化而增加。因此，在水闸的消力池尺寸设计中，必须重视/对消力池长度的影响。 《水闸设计规范》（SL265-2016）中的消力池长度和水跃长度计算公式分别： 式中：t为消力池底板始端厚度，m；q为单宽流量，m3/（s.m）；H为闸孔泄水时的上下游水位差，m；k1为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20；为消力池底板抗浮安全系数，可采用1.1～1.3；W为作用在消力池底板顶面的水重，KN；U为作用在消力池底板底面的扬压力，KN；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力，KN，其值可取跃前收缩断面处流速水头值的5%，通常计算消力池底板前半部的脉动
消力池计算问题 算得收缩面水深Hc的值与溢洪道水面线计算的收缩面水深Hc相差太大。请教一下：是不是消力池比较长，而且不同坡比，在渠道中又有水头损失。。这时候能量公式就不准确了啊？！一般收缩水深就是泄槽末端的水深吗？！另外：出池河床水深Hs 这个值对消力池深度影响很大。。对ΔZ也有影响。这个Hs一般怎么取值啊？我这个溢洪道平时基本不泄流，所以消力池出口的河床都是干的。。。溢洪流量：30，溢洪道长116米，落差15米，宽6、5米。分几个坡比最后一个是0、2：1。消力池大致挖1、5米深，10米长。。问一下经验丰富的人设计人员这个消力池能不能满足要求啊？！另外消力池要满足的效能工况并不是溢洪道泄洪时候的最大流量。。。也就是说溢洪道最大泄流量产生的水跃Hc 并非最大。。。池深d的设计流量并非是溢洪道所通过的最大流量。。。如果采用水面线法计算，应从溢洪道泄槽首端开始，该处水深为临界水深。由此向下逐段计算至泄槽末端，得到的水深为消力池收缩面的水深，应与采用水力学P5公式的计算差不多。不能从消力池末端开始计算，从泄槽的激流到消力池末端的缓流要经过水跃过程，水面线公式不适用。请教一下：是不是消力池比较长，而且不同坡比，在渠道中又有水头损失。。这时候能量公式就不准确了啊？！答：你说的是不是溢洪道比较长吧？公式没有问题。一般收缩水深就是泄槽末端的水深吗？答：
不完全，在溢流坝坝趾断面处，流速达到最大，水深减为最小，该断面即是收缩断面。自由出流就是，淹没出流就不是。另外：出池河床水深Hs 这个值对消力池深度影响很大。。对ΔZ也有影响。这个Hs一般怎么取值啊？我这个溢洪道平时基本不泄流，所以消力池出口的河床都是干的。。。答：下游河床水深直接影响消力池池深，如果平时下游河床是干，那就看你泄流时在不同的流量的下游水深，从而计算不同流量下消力池池深。你最后一个问题，你的结果是否合适答：因为不知道你上游情况，上游水头、行近流速，不知道你下游不同工况下的水深，粗估计算你的池深有余，而长度稍有不足。
桥头旧村泵站消力池计算 根据工程运行现状，泵站出水口距地面高程1.1m，需计算泵站出水口消能。 运行工况：泵站正常运行。 基本资料：泵站出水口单款流速1.1m3/s，出水口距地面高程 1.1m，下游水深取0.5m。 经（PC1500）计算，泵站需设消力池，消力池长度6.0m，池深0.65m，结合现场实际地形，本工程消力池长度取6.0m，池深0.8m。消能计算过程详见下表。 ********************************************************************** ***** 消能计算书 ***** *********************************************************************** ________________ 工程、__________ 阶段、_________ 专业、_________ 部分 计算书 ======================================================================= 一、基本资料与计算假定 底流消能、消力池 坎上水头H: 1.1000(米) 坝高P: 1.1000(米) 上下游河床高程差D: 1.1000(米) 下游水深ht: 0.5000(米) 单宽流量q: 1.1000(立方米/秒) 泄流系数phi: 0.9500 (下游)水跃处流速系数phi1: 0.9500
二、算法与公式(底流消能、消力池) 1.收缩断面水深： hc=q/Vc (连续性方程) 式中 q---单宽流量(平方米/秒) Vc---流速(米/秒) 2.共轭水深： hc〃=hc/2*(SQR(1+8*Frc)-1) 式中费鲁德数 Frc=Vc*Vc/g/hc SQR---开方号 3.上游至收缩断面间的能量方程： Eo=hc+Vc*Vc/2/g/2/? 式中 Eo包括上游水头加行进流速水头Vo*Vo/2/g 。 2---泄流流速系数 hc---出口水深(或射流口水深) 4.水跃顶点至下游间能量方程： 腪=V*V/(2*g*觥2*觥2)-V2*V2/2/g 式中2'---(下游)水跃处流速系数 5.两个断面的连续性方程： Vt=q/ht 式中 ht---下游水深 V2=q/h〃 6.几何关系（跃后水深、应产生稍为淹没的水跃）: h〃=ht+S+腪=6*hc〃2=1.05 式中 S---消力池深度 7.消力池长度： Lk=0.7～0.8*Lj 式中 Lj---水跃长度 Lj=6.9*(hc〃-hc) 三、计算结果 上游行进流速Vo: 0.5000(米/秒) 收缩水深hc: 0.1470(米) 共轭水深hc2: 1.2246(米) > 下游水深ht= 0.50(米) 收缩水深hc: 0.1337(米) 共轭水深hc2: 1.2939(米) 跃后水深h2: 1.3586(米) 下游水位以上水头dz: 0.2099(米) 消力池深度s: 0.6487(米) 水跃长度Lj: 8.0052(米) 消力池长度Lk: 6.0039(米) =====================================================================
一、闸孔宽度的确定 1、流量计算 南沙平原总面积741.9km2，72小时设计暴雨值20年一遇为258mm。产流计算采用初损后损法。南沙平原为沙性土，初损取30mm，后损取每小时0.5mm。设三日洪水总量为Q。 Q =（0.258m-0.03m-0.0005m×72）×741.9×106m2 =0.192m×741.9×106m3 =14244.48万m3 南沙平原为河网地区，钱塘江一线排涝闸共11座，闸孔总宽为192m。外六工段闸分得三日排涝流量为2826.58万m3 外六工段闸平均流量Q=2826.58×104/72×60×60×50%=218.1m3/s。 2、闸孔总宽度计算 外六工段及相关地段潮汐特征表： 注：摘自《萧围萧围北线外六工段至外八工段标准塘轴线调整（即新围
2000）亩工程初步设计》 内河起排水位4.3m （85国际，下同），外江水位取平均高潮位3.99m ，闸底板高程1.2m 。应用宽顶堰流量公式推算水闸总宽： 3 2H g m εσQ Β??= g v H H 22 00+= 式中：σ—淹没系数 ε—侧收缩系数 O H —堰顶全水头(m) m —流量系数 Q —过闸流量(m 3/s) v 0—上游行近流速 H —上游水深
h/H=(3.99-1.2) / (4.3-1.2) =2.79/3.1=0.9 查表得淹没系数为σ=0.83 侧收缩系数ε定为1 流量系数m 一般取0.385 宽顶堰流量公式简化为: 2 30 2H g m Q Βσ= H 0和V 0都是未知，须进行试算： 第一次试算： 不计行近流速，H 0=H=4.3-1.2=3.1m 2 321H g m Q Βσ= m Β07.2877 .71 .21849.543.4385.083.01.2181 .381.92385.083.01 .21831==???= ???= H B Q V ?= 101 s m V /506.2017 .871 .2181.307.281.21801==?= m g V H H 420.3320.01.381 .92506.21.322 2 0101 =+=?+=+= 第二次试算： 2 3 01 22H g m Q Βσ= m Β36.24954 .81 .218325.643.4385.083.01.218420 .381.92385.083.01 .2182 32==???= ???=
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(21122 221ααζ 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 23012H 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 3011112H g b m Q d = ， 23022222H g b m Q d = 118.0H ctg b b θ+=， 228.0H c t g 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 +?=
B.1消力池计算 B.1.1 消力池深度可按公式(B.1.1-1)～(B.1.1-4)计算：(计算示意图见图B.1.1) 图B.1.1 z h h d s c ?--='0"σ (B.1.1-1) 25.021321812 "????????????????-+=b b gh aq h h c c c (B.1.1-2) 02222 03 =+-?g aq h T h c c (B.1.1-3) 2 "2 2'2222c s gh aq h g aq z -=?? (B.1.1-4) 式中 d---消力池深度(m)； σ0---水跃淹没系数,可采用1.051.10； H ″C ---跃后水深(m)； H C ---收缩水深(m)； α---水流动能校正系数,可采用1.0～1.05； q---过闸单宽流量(m 2/s)； b 1---消力池首端宽度(m)； b 2---消力池末端宽度(m)； T 0---由消力池底板顶面算起的总势能(m)； ΔZ---出池落差(m)； h 's ---出池河床水深(m). b.1.2 消力池长度可按公式(b.1.2-1)和公式(b.1.2-2)计算(计算示意图见图b.1.1)： L sJ ＝L s +βL J (b.1.2-1) L J ＝6.9(h "C -h C ) (b.1.2-2) 式中 L sJ ---消力池长度(m)； L S ---消力池斜坡段水平投影长度(m)； β---水跃长度校正系数,可采用0.7～0.8； L J ---水跃长度(m). b.1.3 消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求,分别按公式(b.1.3-1)和(b.1.3-2)计算,并取其大值. 抗冲 '1H q k t ?= (b.1.3-1)
水库出险加固。 消力池收缩面的水深采用水力学P5的公式： Eo=Hc+q^2/(2g*φ^2*Hc^2) 算得收缩面水深Hc的值 与溢洪道水面线计算的收缩面水深Hc相差太大。 请教一下：是不是消力池比较长，而且不同坡比，在渠道中又有水头损失。。 这时候能量公式就不准确了啊？！ 一般收缩水深就是泄槽末端的水深吗？！ 另外：出池河床水深Hs' 这个值对消力池深度影响很大。。对ΔZ也有影响。 这个Hs'一般怎么取值啊？我这个溢洪道平时基本不泄流，所以消力池出口的河床都是干的。。。 溢洪流量：30，溢洪道长116米，落差15米，宽6.5米。分几个坡比最后一个是0.2：1。消力池大致挖1.5米深，10米长。。 问一下经验丰富的人设计人员这个消力池能不能满足要求啊？！ 另外消力池要满足的效能工况并不是溢洪道泄洪时候的最大流量。。。 也就是说溢洪道最大泄流量产生的水跃Hc'' 并非最大。。。 池深d的设计流量并非是溢洪道所通过的最大流量。。。 如果采用水面线法计算，应从溢洪道泄槽首端开始，该处水深为临界水深。由此向下逐段计算至泄槽末端，得到的水深为消力池收缩面的水深，应与采用水力学P5公式的计算差不多。不能从消力池末端开始计算，从泄槽的激流到消力池末端的缓流要经过水跃过程，水面线公 式不适用。 请教一下：是不是消力池比较长，而且不同坡比，在渠道中又有水头损失。。 这时候能量公式就不准确了啊？！ 答：你说的是不是溢洪道比较长吧？公式没有问题。 一般收缩水深就是泄槽末端的水深吗？ 答：不完全，在溢流坝坝趾断面处，流速达到最大，水深减为最小，该断面即是收缩断面。 自由出流就是，淹没出流就不是。 另外：出池河床水深Hs' 这个值对消力池深度影响很大。。对ΔZ也有影响。 这个Hs'一般怎么取值啊？我这个溢洪道平时基本不泄流，所以消力池出口的河床都是干 的。。。 答：下游河床水深直接影响消力池池深，如果平时下游河床是干，那就看你泄流时在不同的流量的下游水深，从而计算不同流量下消力池池深。 你最后一个问题，你的结果是否合适
一闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因 1.闸下泄流的特点 (1)分洪闸 开始泄流时下游无水或水位很低 始流条件差：Qmax→⊿Zmax 水位升高，Fr较小，易产生波状水跃； 进口流态不对称时会产生折冲水流。 (2)节制闸 闸门开启不对称时会产生折冲水流； 水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。 2.闸下冲刷的原因 q大而土壤的抗冲刷能力低； 河道收缩，水流未充分扩散； 运用不合理，产生折冲水流； 消能工设计不合理。 二消能工设计 消能工的主要作用是改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。
消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。 1.消能方式： 大多数采用底流消能，“我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr 较低，宜采用底流式水跃消能。” ⒉消力池布置与设计： 造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床免受冲刷。 ⑴设计情况：不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。 拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件； 分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件； 排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设计的水力条件； 挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能设计的控制条件。 ⑵计算消力池长度、深度及消力池底板的厚度 （a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解
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 ?=-=-?= 收缩断面水深的计算公式为 2 022 2c c c q E h g h ?=+ （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 ?+=+ （式10-4）
（2）消能计算 本消力池计算时采用的洪水标准为10年一遇，边墙高度复核采用洪水标准为200年一遇。 本消力池设计为底流消能，设计采用下挖式消力池，等宽矩形横断面，其共轭水深h 2按下列公式计算： )181(2211 2-+= r F h h (A.5.1-1) 111/gh V F r = (A.5.1-2) 式中：Fr 1——收缩断面弗劳德数 h 1——收缩断面水深，m V 1——收缩断面流速，m/s 水跃长度L 按下式计算： L=6.9(h 2-h 1) (A.5.1-3) 消力池池深、池长按下列公式计算： Z h h d t ?--=2σ （A.5.3-1） )11(22 2 22222h h gb Q Z t σφ-=? （A.5.3-2） L L k 8.0= 式中： d ——池深，m s σ——水跃淹没度 取s σ=1.05 h 2——池中发生临界水跃时的跃后水深，m h t ——消力池出口下游水深，m
△Z——消力池尾部出口水面跃落，m Q——流量，m3/s b——消力池宽度，m φ——消力池出口段流速系数，取0.95 L——自由水跃的长度，m 表4-11 溢洪道消力池计算成果表 计算频率收缩断面 水深 单宽 流量 共轭 水深 流速 系数 淹没 系数 出口 落差 坎高 佛汝 德数 水跃长 消能 池长h1(m) q(m3/s) h2(m) φ1 σ△Z d F r L j L k p=0.5% 0.12 1.43 1.85 0.95 1.05 0.45 1.00 11.72 11.98 9.59 p=10% 0.06 0.70 1.29 0.95 1.05 0.36 0.6 16.42 8.52 6.82
挖深式消力池计算流程图 1. 假设某一池深d ，计算从池底顶面算起的池前总水头To To ＝Z2－Z3＋d ＋v o 2/（2×g ） 计算示意图 1 2. 计算池内收缩水深hc To ＝hc ＋2 2 )(2?α××hc g q 或hc 3 -To ×hc 2 ＋2 2 2?αg q × ＝ 0 其中：q ――为收缩断面处的单宽流量，q ＝Q/b 1； Q ――通过消力池的总流量； α――水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；
?――消力池的流速系数，一般可取0.95，或初步计算参 考《水力计算手册》P201或《水力学》下册P8确定。 3. 计算池内跃后水深hc ″ hc ″＝25.021321812 ?+b b ghc q hc α 其中：b 1――消力池首端宽度； b 2――消力池末端宽度。 4. 计算出池落差Δz : Δz ＝ 22)'(2hs g q ××?α－2 2 )"(2hc g q ×α 其中：hs ′――出池河床水深（下游水深）。 5. 计算水跃淹没系数σ σ＝（d ＋ hs ′＋Δz ）/hc ″ 当1.05≤σ≤1.10时假设正确，否则重新假设池深d 进行计算。 ※ 本程序中各值采用国际单位制，不再说明。 参考文献： 1.《水闸设计规范》（SL265－2001） 2.《水力计算手册》第一版·武汉水利电力学院水力学教研室编·水利电力出版社 3.《水力学》（上、下册）第二版·成都科技大学水力学教研室编·高等教育出版社 4.《取水输水建筑物丛书· 水闸》第一版·陈德亮主编·中国水利水电出版社 程序流程图如下： 本文档及程序由龚艳光编制，由于本人水平有限，错误在所难免，欢迎大家试用，提出宝贵意见。E-mail : gongyanguang@https://www.doczj.com/doc/eb2573035.html,