水力学实训设计计算书指导老师：柴华前言水力学是一门重要的技术基础课，它以水为主要对象研究流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，是高等学校许多理工科专业的必修课。

在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以水力学和流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。

水利工程、土建工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等专业都将水力学或流体力学作为必修课之一。

水力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。

它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。

课程教学的主要任务是使学生掌握水力学的基本概念、基本理论和解决水力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关水力学问题的能力。

水是与我们关系最密切的物质，人类的繁衍生息、社会的进化发展都是与水“唇齿相依、休戚相关”的。

综观所有人类文明，几乎都是伴着河、海而生的通过学习和实训，应用水力学知识，为以后的生活做下完美的铺垫。

任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。

边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。

任务三：绘制正常水位到汛前限制水位~相对开度~下泄流量的关系曲线；绘制汛前限制水位以上的水库水位~下泄流量的关系曲线。

任务四：溢洪道消力池深、池长计算：或挑距长度、冲刷坑深度和后坡校核计算任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。

边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。

1.根据100年一遇洪水设计，已知驼峰堰上游水位25.20，堰顶高程18.70，堰底高程为17.45，计算下游收缩断面水深h C，P=18.70-17.45=1.25m H=25.20-18.70=6.5mP/H=1.25÷6.5=0.19<0.8 为自由出流m=0.32+0.171(P/H)^0.657=0.442设H=H，由资料可知溢洪道共两孔，每孔净宽10米，闸墩头为圆形，敦厚2米，边墩围半圆形，混凝土糙率为0.014.故查表可得：ζ0=0.45 ζk=0.7ε=1-0.2（ζk+（n-1）ζ0）×H0/nb=0.92 H=（q/（εm（2g）^0.5））^2/3=6.77mE0=P+H0=6.77+1.25=8.02m查表的：流速系数ψ=0.94根据公式E 0=h c +q 2/2g φ2hc 2，可求出h c =3.63m q=Q/B=633.8÷22=31.69m 3/s 则其共轭水深：h c ”= h c ((1+8q 2/g h c 3)1/2-1)=5.92m水跃发生位置Lj=6.9(h c ”- h c )=6.9×(5.92-3.29)=18.15m>5m,故不发生水跃。

2.临界水深h k 计算：根据矩形断面渠道临界水深h k 的计算，其水面宽度与底宽相等，即B=b ，M=bh, 333223k Kk K b h A aQ b h g B b===令Q q b =，则k h =，q 为单宽流量，a 为动能修正系数。

所以：h k=4.68m平坡段水面曲线计算（1） 判断水面曲线的型式该段为平坡,收缩断面hc=3.63,hk=4.68，属于C 区的水面曲线为C0型壅水曲线。

（2） 水面曲线计算以闸后断面为控制断面向下游推算。

将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=3.63米，假定h2=3.634米、h3=3.648、h4=3.642、h5=3.6455米，根据已知渠道全长（即L=5m ）。

将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。

具体计算结果如下： 取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1 h 1=3.63米 A 1=bh 1=3.63×20=72.6m 2v 1=Q/A 1=633.8/72.68=8.73 (α=1)Es 1=h1+v 12/2g=3.63+8.732/（2×9.8）=7.518m 同理，可算出h 2=3.634m ，A 2=72.68m2，v 2=8.72m 2/s ，Es 2=7.514 ΔEs=-0.0046 计算平均水力坡降121/2*()J J J =+ 22V J C R =计算 16222127.268, 2.665,*2.6650.013R C χ===同理：J 1=0.003489 J =1/2(J 1+J 2)=0.0348 L △= 0.00460.00348S i J -=--△E =1.31 5L m ≈∑△ 。

其他断面如表所示以图可知5-5断面水深可得为3.646m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示陡坡段水面曲线计算（1：10）1.（1）试算法和图表法求正常水深①试算法。

假设一系列的正常水深h0值，代入天然河道公式Q=AC，计算出相应的流量Q值。

根据水深和流量值绘出h0~Q关系曲线，然后根据已知流量Q，在曲线上查出需求解得天然河道水深h0.求h0，hk,判别水面线类型。

设h0=2.49，2.485，2.475，2.465，2.45.，分别计算出相应的面积A，湿周X，水利半径R，谢才公式C及流量Q值，见表。

水深试算1h(m) A(m2) χ(m)R(m) C(m1/2/s) Q=√Ri(m3/s)2.49 54.78 26.98 2.030393 26.03068 642.53612392.485 54.67 26.97 2.027067 25.98804 639.67100042.475 54.45 26.95 2.020408 25.90267 633.96014092.465 54.23 26.93 2.013739 25.81717 628.27514392.45 53.9 26.9 2.003717 25.68869 619.7961729由表数据绘出h0~Q曲线，如图所示。

根据设计流量Q=633.8m3/s，在曲线上差的渠道正常水深h0=2.474m临界水深令Qqb=，则kh=，q为单宽流量，a为动能修正系数。

所以：h k=(q2/g)1/3=4.39m。

（3）判断水面曲线的型式h k > h>h, 渠道为陡坡,故水曲线为B2型降水曲线（4）水面曲线计算断面为控制断面向下游推算。

将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=3.646米，假定h2=3.21米、h3=2.966、h4=2.775、h5=3.633米，根据已知渠道全长（即L=20.1）。

将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。

具体计算结果如下：取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1 h1=3.646米A1=bh1=3.63×20=80.201m2v1=Q/A1=633.8/80.201=7.9026(α=1)Es 1=h1+v 12/2g=3.646+7.92/（2×9.8）=6.831m同理，可算出h 2=3.21m ，A 2=70.62m2，v 2=8.97m 2/s ，Es 2=7.319 ΔEs=0.4877 计算平均水力坡降121/2*()J J J =+ 22V J C R=计算 22228.42, 2.4849,89.52R C χ===同理：J 1=0.002755J =1/2(J 1+J 2)=0.0034 L △=0.4870.0966S i J =-△E = 5.04 20.12L m ≈∑△ 。

其他断面如表所示以图可知5-5断面水深可得为2.633m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示边墙高计算：已知各断面水深h 、流速v 、水利半径R ，查表可知掺气水深系数k=0.005可求出个断面边坡高墙1-1断面高强计算：已知h 1=3.646m 、v 1=7.902m 2/s 、R 1=2.738m β=211v kgR+=0.89764h a =hβ=3.646÷0.89764=4.54364 陡坡段边墙高度要求比掺气水深超高2m 故边坡墙高度为：6.5m陡坡段水面曲线计算（1：3.02）1. （1）试算法和图表法求正常水深② 试算法。

假设一系列的正常水深h 0值，代入天然河道公式Q=AC，计算出相应的流量Q 值。

根据水深和流量值绘出h 0~Q 关系曲线，然后根据已知流量Q ，在曲线上查出需求解得天然河道水深h 0.求h0，hk,判别水面线类型。

设h0=2，1.9，1.897，1.85，1.8，分别计算出相应的面积A ，湿周X ，水利半径R ，谢才公式C 及流量Q 值，见表。

由表数据绘出h 0~Q 曲线，如图所示。

根据设计流量Q=633.8m 3/s ，在曲线上差的渠道正常水深21/3。

（5） 判断水面曲线的型式因为渠道为陡坡，且h k > h>h 0,故水曲线为c 0型降水曲线 （6） 水面曲线计算断面为控制断面向下游推算。

将渠道分为4段，已知1-1断面水深h1=2.633米，假定h2=2.3米、h3=2、h4=1.8、h5=1.62米，根据已知渠道全长（即L=28.97m ）。

将上述成果绘于图上联起来就得到水面曲线。

具体计算结果如下：取1-1和2-2为例计算，上游断面1-1 h 1=2.633米 A 1=bh 1=2.633×22=57.926m 2v 1=Q/A 1=633.8/57.926=10.94 (α=1)Es 1=h1+v 12/2g=3.63+8.732/（2×9.8）=7.518m同理，可算出h 2=2.3m ，A 2=50.6m2，v 2=12.5m 2/s ，Es 2=10.3 ΔEs=1.56 计算平均水力坡降121/2*()J J J =+ 22V J C R=计算 22226.6, 1.9,85.6R C χ===同理：J 1=0.0074 J =1/2(J 1+J 2)=0.093 L △= 1.560.3S i J=-△E =4.8528.97L m ≈∑△ 。

其他断面如表所示以图可知5-5断面水深可得为1.62m依据断面数据，画出水面曲线图，如图所示边墙高计算：已知各断面水深h 、流速v 、水利半径R ，查表可知掺气水深系数k=0.005可求出个断面边坡高墙1-1断面高强计算：已知h 1=2.633m 、v 1=10.9m 2/s 、R 1=2.1m β=211v kgR+=0.77h a =hβ=3.646÷0.77=3.4陡坡段边墙高度要求比掺气水深超高2m故边坡墙高度为：5.4m断面h（m）A(m^2) x(m) R(m) C(m^0.5/s) v（m/s）βh墙1-1断面 2.633 57.926 27.266 2.1244774 87.216502 10.941546 0.776694 5.409694 2-2断面 2.3 50.6 26.6 1.9022556 85.625173 12.525692 0.703828 5.003828 3-3断面 2 44 26 1.6923077 83.972394 14.404545 0.615175 4.615175 4-4断面 1.8 39.6 25.6 1.546875 82.724189 16.005051 0.542036 4.342036 5-5断面 1.62 35.64 25.24 1.4120444 81.476314 17.783389 0.466705 4.086705综上所述：两陡坡相接及平坡与陡坡相接各断面墙高分别为6.5m，5.4m及下游墙高4.1m,按千年一遇洪水流量校核，可得陡坡各断面曲线图如下：（方法与百年计算相同）一陡坡二陡坡段断面h（m）A(m^2) x(m) R(m) C(m^0.5/s) v（m/s）βh渗气1-1断面 3.6455 80.201 29.291 2.7380765 90.983836 9.382676 0.859076 4.504576 2-2断面 3.46 76.12 28.92 2.6320885 90.387158 9.8857068 0.840736 4.300736 3-3断面 3.26 71.72 28.52 2.5147265 89.702616 10.492192 0.817428 4.077428 4-4断面 3.07 67.54 28.14 2.4001421 89.008089 11.141546 0.791218 3.861218 5-5断面 2.892 63.624 27.784 2.2899511 88.313619 11.827298 0.762389 3.654389 断面h（m）A(m^2) x(m) R(m) C(m^0.5/s) v（m/s）βh渗气1-1断面 2.892 63.624 27.784 2.2899511 88.313619 11.827298 0.762389 3.654389 2-2断面 2.56 56.32 27.12 2.0766962 86.886468 13.361151 0.695125 3.255125 3-3断面 2.25 49.5 26.5 1.8679245 85.36566 15.20202 0.613035 2.863035 4-4断面 2.02 44.44 26.04 1.7066052 84.090221 16.932943 0.538449 2.558449 5-5断面 1.862 40.964 25.724 1.5924429 83.12544 18.369788 0.480502 2.342502依表可知，千年一遇渗气水深均低于其相对应边墙高度如：一陡坡：h1渗=4.5m<h1墙=6.5，h5渗=3.65<h5墙=5.4. 二陡坡：h1渗=3.65m<h1墙=5.4，h5渗=2.3<h5墙=4.1.陡坡纵剖面上的水面曲线：任务三：绘制正常水位到汛前限制水位~相对开度~下泄流量的关系曲线；绘制汛前限制水位以上的水库水位~下泄流量的关系曲线。