11 消力坎式消力池水力计算.docx

专题IL消力坎式消力池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Lbo【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BO=BC=nb+(n-l)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=1400m3s,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E0 = p + H+- = p + H +2gQ22g(r+H)B°(式 Il-Dp=p1=155-10=55(w)"=162.4155=7.4(。=1400(5)B0=n?+(n-l)t=5×7+(5-1)×2=32(n)代入上式可得:Eo =55 + 7.4 +140032×9.8×(55 + 7.4)×432= 62.4 l(w)收缩断面处的河道宽度BO=Bt=43（m）,则收缩断面处的单宽流量qjQIBc=1400/43=32.56(W3/6“)坝面流速系数夕=10.015p/H=1-0.015X55/7.4=0.885收缩断面水深的计算公式为(式11-2)69.6,.1.32.562.62.41=H；-=h+C2×9.8×0.8852¼2C经迭代得4=1.061(m)区的共轨水深为:1.06132.5621)=X(Jl+8X1)13.758(加)2V9.8×1.0613下游水深4=110-100=10（小）。因为4<13.758（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C=bjhJ+塞-¾=P（式11.3）JC2g（b也”）2z（1）先假设消力墙坎处为自由溢流此时，=1,又加=0.42,z=1.05,代入上式得：3JC = 1.05x13.758”+32,5622g(1.05l3.758)2_(_f1 × 0.42 ×2× 9.8=7.89(m)验证消能墙上的流态:H°' = ""'+2g(jhcl1)2= 1.05×13.758-7.89 +32.56?2x9.8x(1.05x13.758)2=6.81(/?)hs hl-C10-7.896.74= 0,312<0.45,属于自由出流，说明假设正确。即计算的墙高也正确，但需要检查消能墙后的底流衔接形式。（2）消力池后底流消能衔接形式的判别这时消力墙前的总能量为E。'5"+q：2g(b也 ”)22g(jhcn)21.05×13.785 +32.56?2x9.8x(1.05x13.785)2=14.47+0.26=14.73(M经迭代计算得阳=2.32（。收缩断面的共扼水深%”=牛（J1+8系1）2.32zLQ32.562nX(Jl+8Xr-1)V9.8×2.3238.56(m)因为4J<,故为淹没式的水跃衔接，不需要修建第二道消力坎。（3）消力池池长的计算自由水跃的长度Lj=6.9(,-hc)=6.9×(13.785-1.061)=87.8(加)消力池长度Lb=0J5L=0.75×87.8=65.85(加)Excel迭代计算】由以上计算步骤可以看出，计算过程较繁琐，涉及到收缩断面水深的迭代求解，池深计算等复杂的计算过程。使用EXCeI计算软件进行计算，可大大加快计算速度。按照消力坎式消力池的计算思路，在Excel表格中编制相应的计算程序，如图11-1和图11-2所示。图11-1和图11-2所示的表格，使用时应注意的问题：注1：表格使用方法：1.橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值。注2：若D13单元格中显示“否，不需修建消力池”，则无需进行消力池的水力计算。注3：“试算消力坎高度C”一栏为是在折线实用堰淹没溢流的条件下，对消力坎的高度重新计算，当在橙色区域输入第一个试算高度后，可得到其后一差值为0.1的等差数列；判断试算结束的精度默认为2%,若改变精度，需调整单元格F22:F31的程序。E8“消力高度C取值”为符合试算精度要求的多个假设坎高的平均值。ABCDEF1清力坎式消力池水力计算2基本参数3曩上水头HGn)上游堪高P(M)流量Q(«7»)下游水深h,(»)坝面流速系数。折现实用堰坝面流速系数'47.455140010.00.8850.95折线形实用填流量系数m水跃淹没系数力池长计算系数8(0.70.8)闸孔数n单孔净宽b()闸墩厚度d(R)60.421.050.755727二、塘流参数计算结果五、消力坎高度计算8闸门总宽度B0(n)单宽流量q(«i7(sn)上游行进流速Vo(ns)上游总水头E0Gn)消力坎高度C取值(m)943.032.560.5262.417.891011三.判新是否修建消力池六、消力池池长计算12收缩水深he(jn)收缩断面共朝水深he"下游水跃形式是否需要修建消力池消力池池长LI取值取值Q)131.06113.758远趋式水跃是，需要修建消力池65.7014四、稿力坎高度计算15淹没系数。S折线形实用堰掩上总水头及(m)消力坎高度C(n)实殂曼出流淹没高度hs(m)hH0消力坎出流形式1616.7437.8932.1070.312自由溢流17情况一，属自由流流，请检验是否需修建第二坎消力坎18实用填下游收缩水深he(m)收缩断面共施水深htJ(狄)消力坎后的水跃形式是否需要修建第二道消力坎192.3228.561淹没武水跃不需修建第二道消力坎20属自由溢流，请参考情况一21试算消力坎高度Cz蝮上总水头HJM)实用堰出粉淹没高度h三()淹没系数。s'第宽流量q'(三7(sm)是否为所求高度C(精度2%)226.58.203.501.01044.131否236.68.103.401.01743.628否246.78.003.301.02543.158否256.87.903.201.03442.723否266.97.803.101.04442.326否277.07.703.001.05541.968否287.17.602.901.06841.652否297.27.502.801.08341.381否307.37.402.701.09941.158否317.47.302.601.11640.985否11-1挖深式消力池excel计算表(工作簿ODABCDEFG11.收缩水深k迭代2.第一道着力坎后的收缩水深h（假设池深D2假设池深，（m）0Eo14.7053迭代次数hc赋值计算结果迭代次数%赋值计算结果4第1次迭代0.0001.052第1次迭代0.0002.1315第2次迭代1.0521.061第2次迭代2.1312.3046第3次迭代1.0611.061第3次迭代2.3042.3207第4次迭代1.0611.061第4次迭代2.3202.3228第5次迭代1.0611.061笫5次迭代2.3222.322图11-2挖深式消力池收缩水深heexcel计辑表（工作簿02）注意I橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果,切勿人工输入数值！表11.1excel计算程序公式汇总计算项目序号名称Excel公式水力计算公式实用堰参数计算结果1闸门总宽度Bo(m)A9=$D$6*$E$6+($D$6-1)*$F$6Bo=Bc=nb+(n-l)d2单宽流量q(m3(sm)B9=C4A9a_QUBo3上游行进流速V0(ms)C9=C4(A4+B4)*A9)(P+H)为4上游总水头Eo(m)D9=A4+B4+C92(2*9.8)E0%'2gM判断是否修消力池5收缩水深he(m)A13=,02自动迭代(勿动),!C8第1次迭代(02工作簿)C4=,01计算表格，!$B$9/COl计算表格，!$E$4*SQRT(2*9.8*(,01计算表格'!$D$9+$B$202自动迭代(勿动),!B4)hc=,-y2g(E0-hc)6第2次迭代(02工作簿)B5=C47C5=,01计算表格'!$B$9/(，01计算表格，!$E$4*SQRT(2*9.8*('O1计算表格?$D$9+$B$2,02自动迭代(勿动),!B5)8第3次迭代(02工作簿)B6=C59C6=,01计算表格'!$B$9/C01计算表格，!$E$4*SQRT(2*9.8*('O1计算表格，!$D$9+$B$202自动迭代(勿动)>B6)10第4次迭B7=C6计算项目序号名称Excel公式水力计算公式11代(02工作簿)C7=,01计第表格，!$B$9/COl计算表格，!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计第表格!$D$9+$B$2-'O2自动迭代(勿动)>B7)12第5次迭代(02工作簿)B8=C713C8=,01计算表格'!$B$9/(，01计算表格，!$E$4*SQRT(2*9.8*('O1计算表格'!$D$9+$B$202自动迭代(勿动),!B8)14收缩断面共视水深he"(m)B13=A13/2*(SQRT(I+8*$B$9A2/(9.8*A133)-1)也吾q1%RqCngh：15下游水跃形式Cl3=IF(B13>D4,"远趋式水跃”,IF(Bl3=D4."临界式水跃*"淹没式水跃")16是否需要修建消力池D13=IF(OR(C13="远趋式水跃",C13="临界式水跃是，需要修建消力池否，不需修建消力池”)消力坎高度计算情况一:自由溢流17折线形实用堰掩上总水头H0(m)B16=($B$9/(A16*$A$6*SQRT(2*9.8)A(2/3)同。-(V)3b"2g18消力坎高度C(m)Cl6=$B$6*$B$13+$B$9A2/(2*9.8*SQRT(SB$6*SB$13)2-B1622C="+q-(4户2g(bz也")my2g19实用堰出流淹没高度hs(m)D16=D4-C16hl-C20A16单元格A16=IF($F$16="自由溢流”,"情况一：属自由溢流，请检验是否需修建第二坎消力坎属淹没溢流，请参考情况二”)计算项目序号名称Excel公式水力计算公式21实用堰下游收缩水深hci(m)A19=,02自动迭代(勿动),!$G$822收缩断面共挽水深hci"(m)B19=A192*(SQRT(1+8*$B$9A2/(9.8*A193)-1)23消力坎后的水跃形式Cl9=1F(SB$19>$D$4,"远趋式水跃”,IF($B$19=$D$4,"临界式水跃淹没式水跃")24是否需要修建第二道消力坎D19=IF($C$19="淹没式水跃","不需修建第二道消力坎需要修建第二道消力坎")消力坎高度计算情况二：淹没出流25堰上总水头H1o,(m)B22=$BS6»$BS13-A22+$B$9人2/(2*9.8*($B$6*$B$13)2)2Ht=h,-c,+%-0JC2g(b也$226实用堰出流淹没高度hs(m)C22=$DS4-A22hs=hl-c27淹没系数。JD22=3.82-14.9*C22B22+25.74*(C22B22)2-14.66*(C22B22)3hhs=3.S2一14.9q+25.74)2do乩O-14.66(4PHIo28单宽流量q'(m3(sm)E22=D22*$A$6*SQRT(2*9.8)*B22A(32)cl=my2H29是否为所求高度C(精度2%)F22=IF(ABS(E22-$B$9)/$B$9)<0.02,"是"，"否")计算项目序号名称Excel公式水力计算公式消力坎高度计算30消力坎高度C取值(m)E9=IF($D$13="是，需要修建消力池”,IF($F$16=咱由溢流F(COUNTlF(F22:F31,"是")>O,SUM1F(F22F31,"是”,A22:A31)/COUNTlF(F22:F31,"是假设坎高不符合要求,请重新假设不需修建消力池”)消力池长度计算31消力池池长LB取值取值(m)E13=IF(D13="是,需要修建消力池",C6*6.9*(B3A13)J不需修建消力池")4=(0.70.8)Ij【编写计算程序时需要注意的问题】正确使用常用的计算函数。表示加减“一”，乘“”,除“/D开平方“sqrt（）”,幕函数“a""（即a的b次塞）等的函数，都要严格符合EXCel计算程序的要求。否则，错一个符号，都可能导致计算的错误。尤其需要注意的是，乘号在任何时候都不能省略。思路要清晰，“（）”要对称。在EXCel计算程序中，需用括号之处一律用小括号，没有中括号和大括号的使用。在编写时，务必保证“（）”的左右对称，使用得当。合理布置表格结构。在编写程序前，应在工作薄中合理布置“已知条件”和“计算程序”的位置，一般条件下，将已知的参数“已知条件”集中放在一个区域，将计算的过程集中放在一个区域，计算过程按试算思路的顺序进行。绝对单元格的的引用。“已知条件”中的部分数据，在“计算过程”的每一个试算过程都要用到，如n、i、m、b等参数。对这些参数，应进行绝对化单元格，才能保证在下拉时这些单元格参与到每个试算过程的计算。绝对化单元格的符号“$”，如“$B$4”。使用IF函数判断闸孔出流的类型等，IF函数的基本形式为“IF（条件，符合条件输出的数据，否则）【参考文献】1刘亚坤，水力学M.北京：中国水利水电出版社,2007张春娟，工程水力计算M.北京：中国水利水电出版社,20103罗全胜，王勤香，水力分析与计算M.郑州：黄河水利出版社，2011