消力井、陡槽水力计算

陡 槽 水 力 计 算———参考《中小型水库设计》中册一 已知条件

设计流量 (m3/s) Q=60沟槽后接以渐变段,其底坡为0.050

沟槽内水深 (m)H=1.5渐变段后为陡槽,首末端落差 P=12.000

沟槽宽度 (m)B=16 陡槽底坡为i=0.125

混凝土衬砌,糙率n=0.017初选陡槽底宽(m) b=8.000

初选陡槽边坡系数 m=1.000

以下进行水面曲线计算:

(一) 渐变槽计算

1 渐变槽长度

取渐变收缩角θ0=30 由公式 L=B-b/2tgθ/2 (m) 求得L=15

2 渐变段的临界坡度ik及首端水深h1

单宽流量q=3.75m3/s/m 临界水深 h

k=1.16(m)

其相应水力要素为

ω

k=18.62χ

k=18.33

R

k=1.016C

k=59.0

i

k=0.0029＜0.050故属陡坡，则渐变段首端水深取

为临界水深， h

1=h

k=1.16(m)

3 渐变槽末端水深h

2

由公式Э

1+iL=Э

2+h

f

首端断面能量Э

1求之如下：

Э

1=1.746首末两端的落差为 i

l=0.75(m)

为求Э

2和沿途损失能量h

f， 先假定h

2=1.652(m)末端断面为梯形则

ω

2=15.945104(m)V

2=3.76(m/s)

Э

2=2.446(m)

χ

2=12.67(m)

计算两断面的平均水力要素如下：

ω=17.28C=59.9

χ=15.50 沿途损失能量h

f=0.045(m)

R=1.12Э

1+iL=2.492(m)

V=3.47Э

2+hf=2.491(m)

因Э

1+iL与Э

2+h

f很相近，说明假设的 h

2=1.652米是合适的。

(二) 陡槽计算

1 求临界坡降

由A=0.231查图14-19曲线得f(A)=0.928故hk=1.71

其相应水力要素为

B

k=11.43C

k=61.4

ω

k=16.66i

k=0.0027

χ

k=12.85陡槽底坡I=0.125＞ik，属于陡坡。水面线为bⅡ型

R

k=1.296降水曲线。

2 陡槽长度

Ls=96.75≈97米3 陡槽水深及水面曲线的绘制

堰上水头H(m)上游堰高p（m）流量Q（m3/s）下游水深ht（m）

5559006.0

折线形实用堰流

量系数m水跃淹没系数σj池长计算系数β

（0.7～0.8）闸孔数n

0.421.050.755

闸门总宽度

B0(m)单宽流量q（m3/(s

m)）上游行进流速v0（m/s）上游总水头E0(m)

43.020.930.3560.01

]

收缩水深hc（m）收缩断面共轭水

深hc"（m）下游水跃形式是否需要修建消力

池

0.74010.625远趋式水跃是，需要修建消力

池

淹没系数σs折线形实用堰掩

上总水头H0(m)消力坎高度C(m)实用堰出流淹没高

度hs（m）

15.0236.236-0.236

实用堰下游收缩

水深hc1（m）收缩断面共轭水

深hc1"（m）消力坎后的水跃

形式是否需要修建第二

道消力坎

1.6916.473远趋式水跃需要修建第二道消

力坎

属自由溢流，请参考情况一三.判断是否修建消力池

四、消力坎高度计算消力坎式消力池水力计算

一、基本参数

二、堰流参数计算结果

情况一：属自由溢流，请检验是否需修建第二坎消力坎试算消力坎高度C′堰上总水头H10′

(m)实用堰出流淹没

高度hs（m）淹没系数σs′

6.05.340.003.820

6.15.24(0.10)4.114

6.25.14(0.20)4.440

6.35.04(0.30)4.802

6.44.94(0.40)5.204

6.54.84(0.50)5.652

6.64.74(0.60)6.151

6.74.64(0.70)6.707

6.84.54(0.80)7.329

6.94.44(0.90)8.025

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

B0=Bc=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

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。

坝面流速系数φ折现实用堰坝面流

速系数φ′

0.8300.9

第２期　２０１０年６月　水利水运工程学报　ＨＹＤＲＯ．ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｎ０．２　Ｊｕｎ．２ＯｌＯ　

设置消能竖井的船闸输水系统水力计算数学模型　

李　君　，洪　娟　，李中华　，　

（１．南京水利科学研究院，江苏南京２１００２９；２．通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏南京　２１００２９；３．水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００２９；４．中国人民解放军理工大学　工程兵工程学院，江苏南京２１０００７）　

摘要：设置竖井式内消能工的船闸输水系统的充水过程由于消能竖井的影响而存在不连续水流，因此其水力　

计算有别于常规船闸输水系统．本文根据船闸输水系统水力计算的一般原理，建立了该型式输水系统水力计算　的数学模型，给出了其相关水力特征值的计算方法．结合乌江银盘船闸设置竖井式内消能工输水系统方案进行　了水力计算，通过物理模型试验成果验证了数学模型的合理性，并根据计算结果对该型式输水系统的水力特性　进行了初步分析，认为该型式输水系统可有效减小进入闸室的水流能量．　

关　键　词：竖井式内消能工；船闸输水系统；水力计算；数学模型　

中图分类号：Ｕ６４１．１　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ（Ｘ）９—６４０Ｘ（２ｏｌｏ）ｏ２—００７３—０６　

国内外大量模型试验与原型观测成果表明，输水阀门的工作条件及闸室内的消能问题是（超）高水头船　

闸所需解决的主要关键技术问题　．目前世界船闸的研究水平和技术措施可基本解决４０　ｍ左右水头单级船　

闸的水力学关键问题，但要满足我国中西部地区高坝通航的要求，建设５０　ｍ以上水头的单级船闸（含多级　

船闸的中间级），采用现有输水系统型式将难以满足阀门工作条件，闸室输水廊道布置也将更为复杂，因此　

必须考虑新的输水系统布置型式．　

若将水工泄洪隧洞中的内消能理念　应用于船闸输水系统之中，利用内消能工降低输水廊道内的水流　

流速或直接承受部分水头，都将明显改善输水阀门的工作条件并减小进入闸室内的水流能量．南京水利科学　

频率P流量Q

%m3/s5245.2一、基本数据

试算池深d得到跃前水深hc=1.59

跃前流速Vc=10.28

闸宽b0=15

流量Q=245.2

淹没系数（1.1-1.05）=1.05

消力池初始宽度b1=15

消力池末宽度b2=15

上游河床高程=954.5

堰顶高程=958

坝前水位=961

下游河床高程=953.6

下游河道以上作用水头H0=7.4

下游水位=955.59

上下游水位差H'=5.41

池后正常水深hs'=1.99

过渡段水平长Ls=0

水跃长度改正数B(0.7-0.8)=0.75

消力池底板计算系数k1=（0.15-0.2）0.17

消力池底板安全系数k2=（1.1-1.3）1.2

消力池底板的饱和重度（KN/M3）=23

海曼长度计算系数=（中砂12-11）11

下游引河的水面宽度Bm=24.85

二、深度

β=b2/b11

过闸单款流量q=16.35

过池单款流量q=16.35

跃前断面弗努德数Fr=V/SQRT(ghc)2.60

消力池深度d=0.23

跃后水深h''=5.11

出池落差z(以过池流量计算)=3.15

试算d=0.23

误差=0.00

措施后淹没系数=（1.05-1.1）1.05

三、长度

水跃长度Lj=24.29

消力池长度Lsj=18.21

取34

四、消力池前端底板厚

1、抗冲

厚度t=1.052、抗浮

池底板下游水深H2=1.99

消力池底板扬压力U=(KPa)29.10

消力池首端顶板上水重W=(KPa)15.91

消力池末端顶板上水重W=(KPa)51.11

消力池顶板重W=(KPa)

跃前收缩断面流速水头=11.13

消力池前半段底板上脉动压力Pm=+(KPa)0.56

消力池前后段底板上脉动压力Pm=-(KPa)-0.56消力池前端底板厚度t=0.72消力池末端底板厚度t=-1.18消力池前端底板厚度t=1.05试算t=

0.92

五、消力池末端底板厚

t=0.50

六、海漫长度

消力池末端宽度b2=15

消力池末端单宽流量qs=16.35