CN101672028A - 折坡式水跃消力池水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折坡式水跃消力池水力设计方法。所述的设计方法包括以下步骤：第一步：根据堰顶过闸单宽流量q和堰上下游水位差ΔZ计算出流能比K；第二步：K的取值范围是0.5～3.0时，利用公式可以求得过堰水舌从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c，从池底板起算至跃首水面的高差Z_c，跃头断面的弗汝德数F_r1，反弧末端的弗汝德数F_rc和折坡式水跃的消能率η；第三步：根据第二步计算出来各数据即可以设计出折坡式水跃消力池。所述的水力设计方法计算简单、方便，与实际工程设计符合良好；利用所述的水利设计方法设计而成的折坡式水跃消力池无需辅助消能工，体型布置简单，易于工程施工，且下游冲刷轻微。

Description

折坡式水跃消力池水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种水跃消力池水力设计方法，特别是涉及一种用于流量大于140m³/s的大单宽流量、弗汝德数1.5左右的低弗汝德数、高尾水位布置条件的折坡式水跃消力池水力设计方法。

背景技术

大单宽流量、低弗汝德数、高尾水位条件下的溢流坝泄洪消能是水利水电工程中经常遇到的问题。通常解决问题的途径都是采用宽尾墩、T型墩、大趾墩、消力梁等辅助消能工。但是，对于单宽流量为138～289.3m³/s，堰上水头变化范围为17.0m～27.6m，下游水位在堰顶以上的超高为6.5m～18.1m的溢流坝，由于超出现有工程采用前述辅助消能工的适用条件，试验研究表明上述辅助消能工是不可行的。

发明内容

本发明旨在提供一种用于流量大于140m³/s的大单宽流量、弗汝德数1.5左右的低弗汝德数、高尾水位布置条件的折坡式水跃消力池水力设计方法。

本发明折坡式水跃消力池水力设计方法的技术方案如下：

本发明折坡式水跃消力池水力设计方法包括以下步骤：

第一步：根据堰顶过闸单宽流量q和堰上下游水位差ΔZ计算出流能比K，计算公式如下：

$K=\frac{q}{\sqrt{g}{\mathrm{\ΔZ}}^{1.5}}$

式中：

K-流能比；

q-单宽流量，m³/s；

g-重力加速度，m/s²；

ΔZ-堰上下游水位差，m。

第二步：K的取值范围是0.5～3.0时，将K值代入以下公式可以求得过堰水舌从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c，从池底板起算至跃首水面的高差Z_c，跃头断面的弗汝德数F_r1，反弧末端的弗汝德数F_rc和折坡式水跃的消能率η：

$\frac{L_c}{P_d}={0.93K}^{0.46}---\left(1\right)$

$\frac{Z_c}{P_d}=0.4K+0.6---\left(2\right)$

$F_{r1}=\frac{2.1}{K^{0.33}}---\left(3\right)$

F_rc＝-0.375F_r1 ²+2.217F_r1-1.761                    (4)

η＝0.33K^-0.5                                     (5)

式中：

K-流能比；

L_c-从反弧末端起算至跃首断面的水平距离，m；

P_d-堰顶与池底板间的高差，m；

Z_c-从池底板起算至跃首水面的高差，m；

q-单宽流量，m³/s；

g-重力加速度，m/s²；

ΔZ-堰上下游水位差，m；

F_r1-跃头断面的弗汝德数；

F_rc-反弧末端的弗汝德数；

η-折坡式水跃的消能率。

第三步：根据第二步计算出来的从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c的值和从池底板起算至跃首水面的高差Z_c值，跃头断面的弗汝德数F_r1和反弧末端的弗汝德数F_rc，即可以按传统二元水跃理论计算池长的

初拟池长，条件复杂或重要工程可以通过水工模型试验验证确定池长，从而设计出折坡式水跃消力池。

本发明折坡式水跃消力池水力设计方法的有益效果在于：所述的水力设计方法计算简单、方便，与实际工程设计符合良好；利用所述的水力设计方法设计而成的折坡式水跃消力池无需辅助消能工，体型布置简单，易于工程施工，且下游冲刷轻微。

具体实施方式

本发明折坡式水跃消力池水力设计方法从位于坝面上的跃头断面到坝下反弧段之间的斜坡段是折坡式水跃消能的重要区间，该区间是折坡式消能工消力池的一部分，当水流到达反弧处时已变成缓流，其后的消力池和尾坎主要起调整水流和防冲的作用，即可解决问题，无需借助辅助消能工。

实施例：

若已知：堰顶与池底板间的高差P_d＝23m；单宽流量q＝212m³/s，堰上游水位为362.2m，堰下游水位为353.4m，堰上下游水位差ΔZ＝8.8m，代入公式

$K=\frac{q}{\sqrt{g}{\mathrm{\ΔZ}}^{1.5}}$

$K=\frac{23}{\sqrt{9.8}\×{8.8}^{1.5}}\≈2.59$

因为K的取值范围在0.5～3.0，将其带入以下公式：

$\frac{L_c}{P_d}=0.93K^{0.46}---\left(1\right)$

$\frac{Z_c}{P_d}=0.4K+0.6---\left(2\right)$

$F_{r1}=\frac{2.1}{K^{0.33}}---\left(3\right)$

F_rc＝-0.375F_r1 ²+2.217F_r1-1.761                    (4)

η＝0.33K^-0.5                                     (5)

式中：

K-流能比；

L_c-从反弧末端起算至跃首断面的水平距离，m；

P_d-堰顶与池底板间的高差，m；

Z_c-从池底板起算至跃首水面的高差，m；

q-单宽流量，m³/s；

g-重力加速度，m/s²；

ΔZ-堰上下游水位差，m；

F_r1-跃头断面的弗汝德数；

F_rc-反弧末端的弗汝德数；

η-折坡式水跃的消能率。

由公式(1)

$\frac{L_c}{P_d}=0.93\×{2.59}^{0.46}\≈1.44$ →Lc＝1.44P_d＝1.44×23＝33.12m；

由公式(2)

$\frac{Z_c}{P_d}=0.4\×2.59+0.6=1.636$ →Zc＝1.636×P_d＝1.636×23≈37.63m

由公式(3)

$F_{r1}=\frac{2.1}{{2.59}^{0.33}}\≈1.53$

由公式(4)

F_rc＝-0.375×1.53²+2.217×1.53-1.761≈0.753

由公式(5)

η＝0.33×2.59^-0.5≈0.205

即从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c为33.12m，从池底板起算至跃首水面的高差Z_c为37.63m，跃头断面的弗汝德数F_r1为1.53，反弧末端的弗汝德数F_rc为0.753，折坡式水跃的消能率为0.205。

根据从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c为33.12m，从池底板起算至跃首水面的高差Z_c为37.63m，跃头断面的弗汝德数F_r1为1.53，反弧末端的弗汝德数F_rc为0.753，即可以按传统二元水跃理论计算池长的

初拟池长，条件复杂或重要工程可以通过水工模型试验验证确定池长，从而设计出折坡式水跃消力池。

Claims (1)

1、折坡式水跃消力池水力设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：根据堰顶过闸单宽流量q和堰上下游水位差ΔZ计算出流能比K，计算公式如下：

$K=\frac{q}{\sqrt{g}{\mathrm{\ΔZ}}^{1.5}}$

式中：

K-流能比；

q-单宽流量，m³/s；

g-重力加速度，m/s²；

ΔZ-堰上下游水位差，m；

第二步：K的取值范围是0.5～3.0时，将K值代入以下公式可以求得过堰水舌从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c，从池底板起算至跃首水面的高差Z_c，跃头断面的弗汝德数F_r1，反弧末端的弗汝德数F_rc和折坡式水跃的消能率η：

$\frac{L_c}{P_d}=0.93K^{0.46}---\left(1\right)$

$\frac{Z_c}{P_d}=0.4K+0.6---\left(2\right)$

F_r1＝2.1/K^0.33                           (3)

F_rc＝-0.375F_r1 ²+2.217F_r1-1.761           (4)

η＝0.33K^-0.5                            (5)

式中：

K-流能比；

L_c-从反弧末端起算至跃首断面的水平距离，m；

P_d-为堰顶与池底板间的高差，m；

Z_c-从池底板起算至跃首水面的高差，m；

q-单宽流量，m³/s；

g-重力加速度，m/s²；

ΔZ-堰上下游水位差，m；

F_r1-跃头断面的弗汝德数；

F_rc-反弧末端的弗汝德数；

η-折坡式水跃的消能率；

第三步：根据第二步计算出来的从反弧末端起算至跃首断面的水平距离L_c的值和从池底板起算至跃首水面的高差Z_c值，跃头断面的弗汝德数F_r1和反弧末端的弗汝德数F_rc即可以按传统二元水跃理论计算池长的初拟池长，条件复杂或重要工程可以通过水工模型试验验证确定池长，从而设计出折坡式水跃消力池。