工程水力學復習資料樣本

工程水力學

復習要點

液體的主要物理性質(zhì)

連續(xù)介質(zhì)、密度、粘滯性、壓縮性、表面張

力

一、水躍復習要點

L棱柱體水平明渠的水躍方程

2,共死水深的計算

3.水躍躍長的計算

1、一、水躍的概念

水躍(hydraulicjump):是明槽水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時

水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。

水躍的分區(qū)旋滾區(qū)：水躍區(qū)域的上部呈飽攙空氣的表面旋滾似

的水渦。

主流區(qū)：水躍區(qū)域下部為在鉛直平面內(nèi)急劇擴張前進

的水流。

急流區(qū),水躍區(qū)域緩流區(qū)

水躍區(qū)的幾個要素

躍前水深——躍前斷面（表面旋滾起點所在過水斷面）的水

深;

躍后水深——躍后斷面（表面旋滾終點所在過水斷面）的水

深；水躍高度a=h”?h'

水躍長度——躍前斷面與躍后斷面之間的距離

二、水躍的基本方程

1.水躍函數(shù)

2,水躍的基本方程

J例=地）

式中H、團分別為躍前水深、躍后水深，稱為共犯水深，即對

于某一流量Q,具有相同的水躍函數(shù)快到的那兩個水深，即為

共也水深

三、水躍的形式

臨界水躍：當%”=即時，水躍的躍首剛好發(fā)生在收縮斷面上,

躍后水深等于下游水深,稱為臨界水躍。

遠離式水躍：當聞2勾時，水躍發(fā)生在收縮斷面之后，躍后水

深大于下游水深,稱為遠離式水躍。

淹沒水躍：當白。"氣時，當下游水深大于臨界水躍的躍后水深

1、概述

堰和堰流：無壓緩流經(jīng)障壁溢流時，上游發(fā)生壅水,然后水面跌落，這

一局部水力現(xiàn)象稱為堰流(WeirFlow);障壁稱為堰。

堰流的基本特征量

1.堰頂水頭H；

2.堰寬b;

3.上游堰高P、下游堰高P1；

4.堰頂厚度力;

5.上、下水位差z;

6.堰前行近流速

堰的分類

［酶

,薄壁堰(sharp-crestedwar)(6/H<0.67),三角喉

郝程水頭損知?:搬魔

【儂娜1

實用垠(og比weir)(0.67<粥<2.5),

垠一次腦,嬲孰曲線型頭用垠

復合型覿垠

寬頂堀(broad-crestweir)(2.5<5/H<10)

1二次跌落,可翻％

堰流及孔流的界限

堰流：當閘門啟出水面，不影響閘壩泄流量時。

孔流：當閘門未啟出水面，以致影響閘壩泄流量時。

堰流和孔流的判別式

（1）寬頂堰式閘壩

堰流：elH>0.65孔流：e//7<0.65

（2）實用堰式閘壩（閘門位于堰頂最高點時）

堰流：e!H20.75孔流：e//7<0.75

式中：e一閘門開啟高度；H一堰孔水頭。

2、堰流的基本公式

2=%占亞1環(huán)門式中加堰流流量系數(shù),m二S3

堰流公式

。=小訴臚

或i—

Q=式中：回一淹沒系數(shù)@<1.0；

?側(cè)收縮系數(shù)，?<1.0o

m0—計及行近流速的流量系數(shù)。

例：某矩形斷面渠道，為引水灌溉修筑寬頂堰（如圖10-19）o已知

渠道寬6-3m,堰寬〃-2m,坎高P-Pl-lm,tSJ水頭”-2ni,堰頂為

直角進口，單孔，邊墩為矩形，下游水深/『2m。試求過堰流量。

解：（1）判別出流形式

hs=h-P=1m>0必要條件

=05<08

144-充分條件

滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自由式溢流。

有側(cè)收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側(cè)收縮的寬頂堰。

(2)計算流量系數(shù)〃2：堰頂為直角進口,P/”=0.5<3,則由公式得

0.32+0.01——L=0.35

0.46+0.7垮

(3)計算側(cè)收縮系數(shù)

曲鵬=0.936?

阿忸7加

(4)計算流量：自由溢流有側(cè)收縮寬頂堰

Q=苗/強苴中阿土暨竺亞更

用迭代法求解Q,第一次取"0(1)xH

%=w)=v=o-911m/s

第二次近似，取

第三次近似，取

]3

跖陰+等二2.045mQ3)=2.9x(2,0<=8.48m/s

皆=鴛薩的蹤瓦針=。.02

本題計算誤差限值定為1%,則過堰流量為。=。⑶=8.48m3/s

(5)校核堰上游流動狀態(tài)

2V扁：第罌=?！?4〈1

u即切y「思H+P)購

上游來流為緩流，流經(jīng)障壁形成堰流，上述計算有效。用迭代法求

解寬頂堰流量高次方程，是一種基本的方法，但計算繁復，可編程

用計算機求解。

三、泄水建筑物下游的水流銜接與消能復習要點

泄水建筑物下游的水流特性表現(xiàn)為:流速高、水深小、單寬流量

大、能量集中。下泄水流對河床具有極大的破壞性，直接威脅大

壩本身的安全。

底流消能的水力計算

挑流消能的水力計算

底流式消能(underflowenergydissapition)在建筑物下游采取一定

的工程措施，控制水躍發(fā)生的位置，經(jīng)過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強

烈的紊動來消除余能。

挑流式消能(ski-jumpenergydissapition)將水流挑射至遠離建筑物

的下游，使下落水舌對河床的沖刷不會危及建筑物的安全。下泄水

流的余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后被消

除。

面流式消能(surfaceflowenergydissapition)

將下泄的高速水流導向下游水流的上層，主流與河床被巨大的底

部旋滾隔開。余能主要經(jīng)過水舌擴散，流速分布調(diào)整及底部旋滾與

主流的相互作用而消除

§9.1底流消能的水力計算

。泄水建筑物下游收縮斷面水深的計算

。泄水建筑物下游水躍的位置及其對消能的影響

?？刂扑S位置的工程措施

例題

某WES堰，頂設計水頭HA=3.2m,設計水頭下溢流堰流量系數(shù)

md=0.502,流速系數(shù)為0.95,上下游堰高均為30m,下游

水深ht=4.6mo

(1)不考慮側(cè)收縮影響，求經(jīng)過溢流堰的單寬設計流量q；

(2)判斷經(jīng)過設計流量時，堰下游水流銜接形式，若需要建消能工,

則進行挖深式消能池的水力計算。

H

解

1.判斷溢流壩下游水流銜接形式

為了判斷溢流壩下游水流銜接形式，先計算下游收縮水深he及其

共輾水深he”o可用查圖法或迭代法。

解法一：采用查圖法計算he及he”

(1)計算堰頂水頭作用下經(jīng)過溢流堰的單寬流量當不計側(cè)向收縮

影響及行進流速救Ki甯3/2

流量公式可得

因下游水位低于堰頂，溢流堰為自由出流。取淹沒系數(shù)。S=1.0o

于是

23/2

g=1.0義0.49X72x(9.8m/s)x(3.2m)

=12.42m2/s

(2)計算臨界水深hk

噸上

對于矩形斷面有&，故

忙=2.506m

\g\(9.8ms2)

(3)計算以下游收縮斷面底部水平面為基準的總水頭E0

”。

因為溢流壩較高，行近流速水頭能夠忽略不計

(4)查圖計算he及he”

瓦=且=332m=13.248…於

由版2.506m

及參變量短=0.207竟=3.0

查矩形斷面渠道收縮水深及其共見水深求解圖得

于是收縮水深

hc=￡%=0.207x2.506m=0.519m

hc的共見水深(=^A=3.0x2.506m=7.518m

題目

某溢流壩共7孔，每孔凈寬力=6m,閘墩厚度d=1.8mo溢流壩頂

高程為161m,設計水位為167.15m,流量系數(shù)m=0.49,收縮系數(shù)

￡1=0,95,挑坎為連續(xù)式，坎頂高程為H1Q挑角=28°;下游

河床高程為102m,巖基沖刷系數(shù)為1.10(n類巖)，下游水深為

7.0mo試估算挑流射程及沖刷深度并檢查沖刷坑是否危及大壩安

全。

167.15

本題首先確定在設計水位167.15m時，溢流壩下泄流量Q；然后

進行挑流射程L及沖刷坑深度ZS的估算，最后進行沖刷坑后坡

i的驗算。

挑流射程L為空中射程L0與水下射程L1之和。若忽略坎頂

算:

L溢流壩下泄流量Q的計算

因溢流壩較高，行近流速水頭可忽略不計，即167.15m-

161m=6.15m;同時不械羽標［聆通流：故下泄流

=1320m3/s

量計算式為：

Q=￡{nnb‘收

2.沖刷坑深度tS的估算

為了計算水下射隹*人先計患沖刷坑深度ZS

沖刷坑深度估算式為：

式中，卷基沖刷系鸚毓4.io,其它各參數(shù)計算如下：

qnb+(n-\)d7x6m+(7-l)x1.8m

=25m%

/?t=109m-102m=7mz=167.15m-109m=58.15m

205025

rs=l.1x(25m/s)-x(58.15m)-7m

=8.19m

3.射程估算L

根據(jù)已知數(shù)據(jù)求科61m-inm=50ma="m_102m=9m

計算流速系數(shù)的經(jīng)驗公式較多，這里采用長江流域規(guī)劃辦公

室的經(jīng)驗公式計算

式中流能比

25m%

=0.0226

79.8m/s2x(50m)15

2

Lo=(pS^\n201+J1+—

L。=0.863x(50m}xsin(2x2?爭sin2。

9m-7m

x1+J14

0.862x(50m)xsin(2x28B)

=64.87m

，$十%

(PS|Cos0

8.19m+7m

=25.57m

Jlg228-9m-7m

0.862x(50m)xcos228

..11

.J=8.19m力mi2<"k=--------------

4.檢驗沖刷坑后坡'i~L~(M.87+25.57)m3R2.55

故認為沖刷坑不致于危及大壩的安全。

四、水擊的復習要點

1、水擊現(xiàn)象的基本概念

水擊現(xiàn)象(Water-hammerPhenomena):在有壓管道系統(tǒng)中，由

于某一管路中的部件工作狀態(tài)的突然改變，就會引起管內(nèi)液體流

速的急劇變化，同時引起液體壓強大幅度波動，這種現(xiàn)象稱為水擊

現(xiàn)象。

直接水擊(RapidClosure):當關(guān)閉閥門時間小于或等于一個相

長時，最早由閥門處產(chǎn)生的向上傳播而后又反射回來的減壓順行

波，在閥門全部關(guān)閉時還未到達閥門斷面，在閥門斷面處產(chǎn)生的可

能最大水擊壓強將不受其影響，這種水擊稱直接水擊。

間接水擊(SlowClosure):當關(guān)閉閥門時間大于一個相長時，從上

游反射回來的減壓波會部分抵消水擊增壓，使閥門斷面處不致達

到最大的水擊壓強，這種水擊稱為間接水擊。

2、有壓管道中的水擊的四個階段

1.________J增壓逆波階段

水擊波的傳播現(xiàn)象：一個增壓波以一定速度向水庫方向傳播的現(xiàn)

象,

減壓順波階段

區(qū)＜￡?里

3.：減壓逆波階段

4.增壓順波階段

3、水擊的計算

1)水擊波的傳播速度

式中：cO-----水中聲波的傳播速度,cO=1425m/s;

E0——水的彈性模量，EO=2.04z109N/m2;

E一管壁的彈性模量；

D---管徑(m);

d一管道壁厚(m)

2)水擊壓強的計算

直接水擊壓強最大值計算公式