设计综合式消力池的简便计算.pdf

第1期 总第1 6 3期 2 0 0 7年2月 N o . 1T o t a l N 0 . 1 6 3 F e b . 2 0 0 7 一般的水闸、 中小型溢流坝或地质条件较差的各类泄水 建筑物, 多采用底流式消能, 这在我国已得到广泛应用。 这种 消能通常包括单纯挖池、 单纯建坎以及综合式消力池三种形 式。 其中, 采用综合式消力池有不少优点。 既解决了单纯降低 护坦高程后挖方量大、 施工困难等问题, 又解决了单纯建造 消能坎, 因坎太高引起坎后不良的水力条件等问题。 但是, 综 合式消力池水力计算是比较麻烦的。为此, 笔者在研究单纯 挖池和单纯建坎两种消能形式的基础上, 导出了新的迭代公 式, 使得计算简便迅速, 而且精度很高。 1计算公式及步骤 先拟定池深、 再求坎高。 1 拟定池深S 由于池深S具有多值性, 拟定值比较灵活, 所以一般可 参照建池前跃后总水头与下游水深的差值拟定, 即拟定池深 S适当小于h ″ c 0 q 2 2 gh ″ c 0 2- t的值。 式中──保证池内水跃稍有淹没的安全系数, 取1 . 0 5; h ″ c 0──建坎前或挖池前的跃后水深,m; q ──过堰或闸的单宽流量,m 3 / sm ; g ──重力加速度,9 . 8 m / s 2; t ──下游水深,m。 2 计算参数N N h c 2 q 2 2 gh c 2 2- S , 式中h c 2━━挖池后的跃后水深,m。 3 判别流态 利用m q N - t 1 . 5 0 . 0 9 2判别流态 [1]。 如果 m q N - t 1 . 5 0 . 0 9 2 , 水流属于淹没出流, 方可进行下 一步计算, 如果 m q N - t 1 . 5≥0 . 0 9 2 , 水流属于自由出流, 需重 新拟定池深S, 直至符合淹没出流条件为止。 4 计算参数M M m 2 g q 2 / 3 N - t [1], 一般M值是符合条件0 . 0 7 6 ≤M ≤0 . 5的,若不符合, 只 不过是选取的迭代式不同而已。 5 用迭代法求淹没系数s 根据M值的取值范围按表1选择迭代公式 [1]。 6 求坎高C C N - q sm2 g 2 / 3。 3计算实例 有一单孔溢流坝如图1所示, 流速系数“ 0 . 9 5, 侧收缩 系数ε 0 . 9 8, 流量系数m 0 . 4 9, 堰宽与护坦宽度相等。已知 q 1 0m 3 /sm ,P 1 2m,t 3 . 4m。试判别水流衔接形式, 若 需要, 设计一综合式消力池。 3 . 1判别下游水流衔接形式, 确定是否需要修建消力池 1 0 0 6 - 8 1 3 92 0 0 70 1 - 5 6 - 0 2 山西水利科技 S H A N X I H Y D R O T E C H N I C S 设计综合式消力池的简便计算 辛孝明 吕梁市建设局, 吕梁0 3 3 0 0 0 摘要 水流经过水闸、 溢流坝等水工建筑物, 下游消能有时需要采用综合式消力池方案, 笔者在研究单纯确定池深和坎高的基础上, 导出计算综合式消力池的迭代公式, 使得计算 方便, 而且精度能够保证。 关键词 综合式消力池; 简便计算; 迭代 中图分类号T V 1 3 1文献标识码B M 0 . 5 ≤M ≤0 . 5 5 0 . 0 7 6 ≤M ≤0 . 5 0 迭代公式 s i 1 0 . 8 9 0 . 2 M s i 2 / 3 s i 1 0 . 9 9 1 - 1 . 0 3 1 - 0 . 8 4 M s i 2 / 3 - 0 . 5 8 8 s i 2 适用条件 0 . 9 9 ≤s≤1 . 0 0 . 5 3 5 ≤s≤0 . 9 9 表1迭代公式及其适用条件 5 6 第1期 总第1 6 3期 2 0 0 7年2月 N o . 1T o t a l N 0 . 1 6 3 F e b . 2 0 0 7 堰顶总水头H0 1 q m2 g 2 / 3 2 . 8 1 m。 上游总水头E 0 P H0 1 1 2 2 . 8 1 1 4 . 8 1 m。 参数“ a r c c o s1 - 6 . 7 5 q 2 g 2E0 3 1 2 . 4 4 。 收缩断面水深h C 0 E0 31 3 s i n “ 3- c o s “ 3 0 . 6 3 m。 共轭水深h ″ C0 h C0 2 1 8 q 2 g h 3 C0 - 1 5 . 3 9 m。 因h ″ C0大于下游水深t 3 . 4m, 为远离式水跃衔接, 应作 消能工, 拟用综合式消力池。 3 . 2求消力池坎高与池深 1 用迭代法先拟定池深、 再求坎高 1 拟定池深S 因为h ″ C 0 q 2 2 gh ″ C 0 2- t 1 . 0 5 5 . 3 9 1 0 2 2 9 . 8 1 . 0 5 5 . 3 9 2- 3 . 4 2 . 4 2 m。 所以,初步拟定池深S 0 . 5 2 . 4 2 1 . 2 1 m选取S 0 . 5 5 2 . 4 2,0 . 6 2 . 4 2⋯⋯都可以 。 2 计算参数N 按照判别水流衔接形式的步骤,求得E ′ 0 1 6 . 0 2m,“ 1 1 . 0 6 ,h c 1 0 . 6 1 m,hc 2 5 . 4 9 m。 参数N h c 2 q 2 2 gh c 2 2- S 1 . 0 5 5 . 4 9 1 0 2 2 9 . 8 1 . 0 5 5 . 3 9 2- 1 . 2 1 4 . 7 1 m。 3 判别流态 因 m q N - t 1 . 50 . 4 2 1 04 . 7 1 - 3 . 4 1 . 5 0 . 0 6 3 0 . 0 9 2 , 故属 于淹没出流。 4 选取迭代式 参数Mm 2 g q 2 / 3 N - t0 . 4 2 2 9 . 8 1 0 2 / 3 4 . 7 1 - 3 . 4 0 . 4 2 7。 因为0 . 0 7 6 M 0 . 5, 所以选取迭代式 si 1 0 . 9 9 1 -1 . 0 3 1 - 0 . 8 4 0 . 4 2 7 s i 2 / 3 - 0 . 5 8 8 s i 2。 5 求淹没系数s 令初始值s 0 0 . 9 9, 通过迭代求得s 0 . 9 8 1。 6 求坎高C C N - q sm2 g 2 / 3 4 . 7 1 - 1 0 0 . 9 8 1 0 . 4 2 2 9 . 8 2 / 3 1 . 6 m。 2 用试算法先拟定池深、 再求坎高 1 拟定池深S 初步拟定池深S 1 . 2 1 m。 2 求收缩断面水深和共轭水深 上游总水头E ′ 0 E0 S 1 4 . 8 1 1 . 2 1 1 6 . 0 2 m, 临界水深h k q 2 g 3 1 0 2 9 . 8 3 2 . 1 7 m, 根据0E 0 h k 1 6 . 0 2 2 . 1 7 7 . 3 8及 0 . 9 5,查 水力计算手 册 图4 - 2 - 8得 h c h k 0 . 2 8,h ″ c h k 2 . 5 3。 于是求得收缩断面水深h c 0 . 6 1 m, 共轭水深h ″c 5 . 4 9 m。 3 求函数fs 值 取 1 . 0 5,于是fs h ″ c- S q 2 2 gh ″ C 2 1 . 0 5 5 . 4 9 - 1 . 2 1 1 0 2 2 9 . 8 1 . 0 5 5 . 4 9 2 4 . 7 1 m。 4 求淹没系数s 假设坎高C 1 . 6 m, 坎顶总水头h 0 1 f s- C 4 . 7 1 - 1 . 6 3 . 1 1m, 淹没水深h s t - C 3 . 4 - 1 . 6 1 . 8 m。h s h 0 1 1 . 8 3 . 1 1 0 . 5 7 9 , 查消力坎淹没系数表 9 - 2 .详见水利电力出版社中等专业学校教材 水力学 下册 2 1 7页 得s 0 . 9 7 9。 5 求函数Fc 值 h 0 1 q sm2 g 2 / 3 1 0 0 . 9 7 9 0 . 4 2 2 9 . 8 2 / 3 3 . 1 1 m。 Fc C h 0 1 1 . 6 3 . 1 1 4 . 7 1 f s , 说明坎高C 1 . 6 m合适。 坎后为淹没出流, 不需校核水流衔接形式, 池深S 1 . 2 1 m, 坎高C 1 . 6 m即为设计值, 与应用迭代公式所求结果完全一 致。 4结论 通过上例可以看出, 用迭代法与试算法计算能得出相同 的结果, 即池深S 1 . 2 1 m时, 坎高C 1 . 6 0m。因此证明了文 中提出的公式完全可行。但是, 使用迭代法较试算法简单方 便, 迭代法能够遵循一定程序, 一般一次就能得出合适的坎 高值, 计算过程简便, 大大提高工作效率。试算法求解, 初始 值的选择, 带有一定的盲目性, 例题中只计算了一次, 一般需 要计算多次, 并要通过有关专用的图表上查解数据。如果没 有相关资料, 计算工作无法进行, 即使有资料, 解答结果会因 人而异。 总之, 文中提出的迭代公式, 对于设计综合式消力池, 是 一种简捷有效的设计方法。 参考文献 1辛孝明.消力池槛高的简便计算[ J ] .山西水利科技,1 9 9 4 1 7 5 - 7 6 . 作者简介 辛孝明, 男,1 9 7 1年生,2 0 0 2年毕业于太原理工大 学, 工程师。 [收稿日期2 0 0 6 - 1 0 - 2 6, 修回日期2 0 0 6 - 1 1 - 2 8] 下转第6 6页 辛孝明 设计综合式消力池的简便计算 5 7 第1期 总第1 6 3期 2 0 0 7年2月 N o . 1T o t a l N 0 . 1 6 3 F e b . 2 0 0 7 上接第5 7页 O nS i mp l e C a l c u l a t i o no f D e s i g n i n g C o mp r e h e n s i v e s t i l l i n g B a s i n X I NX i a o - m i n g A b s t r a c t Wh e nw a t e r f l o wp a s s e s t h r o u g ht h eh y d r a u l i cs t r u c t u r e s s u c ha s s l u i c eo r s p i l l w a yd a m , t h ep l a no f c o m p r e h e n s i v e s t i l l i n g b a s i n i s s o m e t i m e s a d o p t e d f o r d i s s i p a t i n g e n e r g y . I nt h i s p a p e r , o nt h e b a s i s o f a u t h o r s r e - s e a r c hr e s u l t t o d e t e r m i n e b a s i nd e p t ho r b a r r i e r h e i g h t o f s t i l l i n g b a s i ns o l e l y , t h e i t e r a t i o nf o r m u l a s t o c a l c u l a t e c o m p r e h e n s i v e s t i l l i n g b a s i n a r e i n t r o d u c e d . T h e c a l c u l a t i o n o f t h i s m e t h o d i s c o n v e n i e n t a n d i t s c a l c u l a t i o n a c c u - r a c y c a n b e e n s u r e d . K e y w o r d s c o m p r e h e n s i v e s t i l l i n g b a s i n s i m p l e c a l c u l a t i o n i t e r a t i o n R e s e a r c ho f T h e A f f e c t o f C l i ma t e C h a n g e a n dH u ma nA c t o nt h e Wa t e r R e s o u r c e s o f t h e H u t u o R i v e r B a s i n C U I B i n g - y u C U I h o n g - y i n g A b s t r a c t C o m p a r e dw i t ha v e r a g e r u n o f f i ns a v a g e n e s s c o n d i t i o nb e f o r e 1 9 7 9i nt h e H u t u o R i v e r B a s i n , a v e r a g e r u n o f f i ns a v a g e n e s s c o n d i t i o nf r o m1 9 8 0t o 2 0 0 0r e d u c e da t t h e s p e e do f 2 . 5 9 p e r y e a r . D u r i n g t h e p e r i o dc l i - m a t e c h a n g i n g m a k e s i t r e d u c e a t t h e s p e e d o f 1 . 0 1 p e r y e a r . H u m a n f a c t o r m a k e s i t r e d u c e a t t h e s p e e d o f 1 . 5 8 p e r y e a r . R a i n f a l l r e d u c e s a t t h e s p e e d o f 5 . 8 p e r y e a r . A v e r a g e a i r t e m p e r a t u r e r i s e s 0 . 0 5 a y e a r , w h i c h h a s a f - f e c t e d t h e r e d u c t i o n o f r u n o f f t o o . K e y w o r d s T h e H u t u o R i v e r B a s i n w a t e r r e s o u r c e s c l i m a t e c h a n g e a f f e c t o f h u m a n a c t 4小结 1 9 8 02 0 0 0年期间,滹沱河区由于气候变化使水资源 以平均每年1 . 0 1 算术平均 的速度减少, 约占整个径流减 少量的3 8 . 9 ; 由于人类活动使径流以每年1 . 5 8 的速度减 少, 约占整个径流减少量的6 1 . 1 。 滹沱河区各区水资源全部减少, 其中人类活动的影响最 大区是界河铺济胜桥区, 使径流量以每年2 . 7 1 的速度减 少, 影响最小区是米家寨区, 使径流量以每年0 . 4 5 的速度 减少。 经过分析, 人类活动 2 影响引起水资源量减少1 8 1 7 6 万m 3 / a, 使径流量以平均每年0 . 9 6 的速度减少; 人类活动 1 影响如水土保持治理、 植树造林、 小流域治理等有关, 很 难完全用精确数据描述,本文通过计算也得到反映,这部分 人类活动使径流量减少1 17 5 6万m 3 / a,使径流量以平均每 年0 . 6 2 的速度减少。见表1。 气候变化和人类活动对于滹沱河区水资源变化的影响 程度比约为2 ∶ 3, 所得结果与 山西省第二次水资源调查与评 价 成果接近, 说明方法正确、 可信。 作者简介崔炳玉,1 9 6 7年生,1 9 9 1年太原工业大学毕业, 2 0 0 3年河海大学水利工程硕士, 工程师。 [收稿日期2 0 0 6 - 0 7 - 0 5] 山西水利科技 S H A N X I H Y D R O T E C H N I C S 6 6