《宽尾墩—消力池的简化计算方法【水利工程】》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宽尾墩—消力池的简化计算方法【水利工程】（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水利工程论文-宽尾墩消力池的简化计算方法摘要：本文对含有分流的水跃方程的特性进行了讨论，提出了宽尾墩消力池等效分流比的概念，利用安康等几个工程的试验资料给出了等效分流 比和E0/hk及B/B0的关系，讨论了宽尾墩消力池优于平尾墩消力池的条件，并用算例表明了用等效分流比估算宽尾墩消力池的跃后水深或选择宽尾墩的收缩比是非常方便的。 关键词：宽尾墩 消力池 等效分流比 宽尾墩是中国人的创造.虽然第一个宽尾墩用于潘家口 水利 枢纽的挑流消能1，但嗣后得到很快推广的却是宽尾墩消力池(或消力戽)型的消能，如安康、岩滩、五强溪、隔河岩等工程2-5。因此已进行过不少宽尾墩消力池的 水工 模型试验，积累了许多有
2、用的试验资料。也有少数文献，对宽尾墩消力池的水力计算方法进行过讨论2、3、6，但这些文献的基本思路都是一样的，即在建立水跃方程的控制水体上，施加反弧等对水体的作用力。但是，影响这些作用力的因素很多，因此给出这些力的较好的经验表达式是很困难的.文献6对六个工程试验中127个反弧段上压力点的实测资料统计分析后，给出了反弧段上压强的经验表达式，但在有些条件下，计算的压强值对hk的变化非常敏感，hk变动3%，反弧末端压强的值可以有很大的差别。本文的立足点和以往的文献不同，提出了宽尾墩消力池等效分流比的概念，通过对安康等四个工程试验资料的分析，给出了等效分流比和E0/hk及B/B0的经验关系式。利用等效
3、分流比计算宽尾墩消力池的跃后水深或选择宽尾墩的收缩比B/B0是非常方便的。 1.有分流时的水跃方程及方程的特性 如图1所示，底流单宽入池流量为q1、相应的流速和水深为V1及h1，斜射水流的单宽入池流速和流量为V2及q1、它与水平线的夹角为，跃后单宽流量为q3、相应的流速与水深为V3及h3。对-与-断面间的控制体写出流量平衡与水平向的动量平衡方程，则有 q1+q2=q3q1V1+q2V2cos+1/2gh12=q3V3+1/2gh32 (1)图1 有分流时的水跃简图为水的密度，令： q1=q3, q2=(1-)q3 (2)把式(2)代入式(1)的第二式并除h21，则得 (3)如想象全部流量q3都
4、以底流形式入池，即无分流，且近似认为流速仍为V1，则想象的水深h1p和h1之间的关系近似为： h1h1p (4)令Fr1为无分流时的跃前水流弗洛特-加龙省数，其值是 (5) 把式(5)代入式(3)，且令 q2=V2h2, =h3/h1 (6)则式(3)可写成： (7)再令 (8)把式(8)代入式(7)，整理后得 (9)式(9)就是确定值的控制方程。值决定于分流比、参数Fr1和k值，而k值除和有关外，还和等有关。 在转入研究宽尾墩消力池的等效分流比之前，先说明一下方程(9)的解的特性。 (1)=1时k=1，表示无分流，方程(9)退化为通常的水跃方程，相应的跃后水深h3p为 (10)(2)对不同的
5、Fr1、和k值，比值h3/hh3p给于表1。Fr1是与分流情况无关的可以确定的量，假如分流状态比较清楚，那么根据与k值由表1立即可得h3/h3p值；另一种情况是根据工程情况，规定了对h3/h3p的要求，则由表1可以选择适宜的分流情况。 表1 h3/h3*(Fr1,k) Fr1 k2 3 4 5 6 7 8 9 101.1 0.830 0.901 0.918 0.925 0.929 0.932 0.934 0.935 0.9361.2 0.944 0.970 0.977 0.980 0.981 0.982 0.983 0.983 0.9840.91.3 1.029 1.031 1.031 1.0
6、30 1.029 1.029 1.029 1.029 1.0291.2 / 0.785 0.810 0.830 0.841 0.847 0.852 0.855 0.8581.3 / 0.834 0.866 0.880 0.887 0.892 0.895 0.898 0.8991.4 0.798 0.897 0.917 0.926 0.931 0.934 0.936 0.938 0.9390.81.5 0.902 0.953 0.965 0.970 0.972 0.974 0.975 0.976 0.9761.4 / / 0.718 0.755 0.773 0.784 0.791 0.796 0
7、.8001.5 / 0.693 0.773 0.799 0.813 0.822 0.828 0.832 0.8351.6 / 0.768 0.820 0.840 0.851 0.858 0.862 0.866 0.8680.71.7 / 0.826 0.863 0.878 0.887 0.892 0.895 0.898 0.9001.6 / / / 0.627 0.665 0.685 0.698 0.707 0.7141.7 / / 0.599 0.674 0.703 0.720 0.730 0.738 0.7441.8 / / 0.662 0.714 0.738 0.751 0.760 0.
8、767 0.7720.61.9 / / 0.711 0.750 0.770 0.781 0.789 0.794 0.7982.0 / / / / 0.562 0.600 0.621 0.635 0.6452.1 / / / 0.529 0.600 0.630 0.648 0.660 0.6692.2 / / / 0.582 0.633 0.658 0.673 0.684 0.6910.52.3 / / 0.560 0.622 0.662 0.683 0.697 0.706 0.713(3)当90时，k1/，但仍需满足kkmin的要求。当k=kc时，h3/h3p=1；kminkc时h3/h3p1
9、。kc值由式(11)确定 (11)2. 宽尾墩-消力池的等效分流比e 宽尾墩-消力池、分流戽坎 消力池、坝面分流窄缝消力池，对入池流量而言都有一个共同的特点：分流。即一部分形成底流，另一部分形成挑流或跌流。但它们的分流参量往往都不很明确，不能从它的设计和水流运动直接、明确地判定分流参数和k值。因此本文提出了等效分流的概念，相应的等效分流参数的e和ke。所谓等效分流，即假想把总流量 分成两部，一部分的=0，另一部分的=90，由式(8)知，相应条件下有 ke=1/e (12)这时式(9)成为 (13)Fr1实际上是已知的，所以方程(13)中只含一个未知参量e。那么e和哪些因素有关呢?一个直观的考虑
10、是e应和宽尾墩形成的附加机械能损耗有关，附加机械能损耗大，e就小。附加机械能损耗的意思是宽尾墩形成的跃前机械能损失与平尾墩形成的跃前机械能损失之差。 显然，宽尾墩形成的机械能损失主要决定于比值B/B0(见图2)，该值越小，由于掺气等原因引起的机械能损失越大，e越小。 平尾墩时溢流坝面的机械能损失和什么参数有关呢?文献7推荐了一个高坝溢流坝面流速系数的表达式 (14)图2 宽尾墩示意和水头损失系数间的关系为 1/2=1+ (15)由式(14)、(15)可得的近似表达式为 0.1 (16)E0为库水面与消力池底板面间的总落差。把式(16)两边平方，再在等号右边乘重力加速度g的三分之一方g1/3，则
11、可得 2E0/hk 由以上分析可见，参数E0/hk(hk是与q3相应的临界水深)是影响平尾墩时水流在溢流面上能量损失的主要参数。E0/hk增大，相对而言溢流面上的水层变薄，水力半径减小，相对水头损失增大，改用宽尾墩后的附加机械能损失减小，从而e增大。 根据以上的考虑，构成e和B/B0及E0/hk的如下近似经验关系 e=A1/B0+A2(E0/hk)1/2 (17) 剩下的问题是利用已知的工程试验资料，确定待定常数A1、A2。对安康等六个工程、21种工况的等效分流比e值列于表2。表中宽尾墩和平尾墩的跃后水深都是实测的，从而知道了h3/h3p的值，再根据Fr1值和ke=1/e，利用表1确定e。e1
12、，表示宽尾墩的附加机械能损失是负值(虽然增加了掺气等引起的能量损失，但是降低了由于坝面摩阻引起的能量损失)，宽尾 墩的跃后水深大于平尾墩的跃后水深，所以单宽流量小，落差大采用宽尾墩是不利的。 表2 宽尾墩、平尾墩的第二共轭水深比较2、3、6、8 第二共轭水深/m工程名称 g/(m3/s.m) E0/m hk/m宽尾墩 平尾墩E0/hk B/B0 Fr1 e209.3 108.05 16.47 33.60 39.88 6.579 0.316 5.65 0.776安 康153.9 102.0 13.42 29.30 34.44 7.576 0.316 6.43 0.778241.0 81.70 1
13、8.09 34.10 38.2 4.525 0.400 4.36 0.855212.0 79.70 16.61 32.5 35.8 4.808 0.400 4.52 0.872169.0 76.5 14.28 29.7 33.5 5.348 0.400 4.86 0.842157.0 75.5 13.59 29.4 32.6 5.556 0.400 4.96 0.860112.0 71.5 10.85 26.3 29.5 6.579 0.400 5.99 0.83898.3 75.5 9.95 26.00 25.65 7.576 0.400 6.40 1.02381.7 75.5 8.80 2
14、4.70 23.53 8.547 0.400 7.04 1.08552.0 75.5 6.51 20.70 19.00 11.628 0.400 8.77 1.163岩 滩 35.3 75.5 5.03 15.90 15.78 14.925 0.400 10.10 1.01460.6 56.12 7.21 17.92 20.35 7.813 6.47 0.81842.0 53.91 5.64 18.16 15.11 9.524 7.82 1.38325.0 51.57 3.99 14.83 11.38 12.987 9.19 1.619山 仔 16.5 50.14 3.03 11.04 9.0
15、0 16.667 10.84 1.455120.6 52.24 11.40 23.28 25.40 4.762 4.52 0.88455.4 53.00 6.79 20.60 17.66 7.813 6.61 1.300水 东 30.4 53.00 4.55 15.35 13.30 11.628 8.61 1.290上板 42.34 48.00 5.67 13.48 14.65 8.466 0.238 7.07 0.87334.24 26.58 4.93 9.78 10.61 5.391 0.480 4.47 0.891某 库33.82 26.40 4.89 9.12 10.52 5.399 0.376 4.47 0.822为了清楚起见，把表2中所显示的E0/hkB/B0e关系重列于表3 表3 E0/hkB/B0e关系 E0/hkB/B014.925 11.628 8.547 7.576 6.579 5.556 5.376 4.808 4.5250.480 0.400 1.014 1.163 1.085 1.0230.376 0.316 0.238 注：表中的分母是按式(17)得到的计算值 虽然这些数据来自不同的文献，消能方式也不完全相同，个别的数据还不够符合规律，但总的趋势是非常清楚的，即e随E0/hk的降低而减小，也随B/B0的降低而减小。
