台階式溢洪道水力特性計算方法

① 水利中的調洪演算怎麼做，具體步驟

水利中的調洪演算做法及具體步驟：

首先，設計洪水過程每一時段的調洪演算都需經過反復的假定、試算，計算工作量很大；

其次，計算溢洪道的下泄流量也是相當繁瑣的，以最簡單的無坎寬頂堰為例，其流量系數要分直角形翼牆進口、八字形翼牆進口、圓弧形翼牆進口三種形式，分別根據下圖公式

b(b為閘孔凈寬，B為進水渠寬，為八字形翼牆收縮角，r為圓弧形翼牆的圓弧半徑)查表計算確定，其側收縮系數則要根據過流孔數、單孔凈寬、墩頭形式、堰頂水頭來計算確定；

最後，還要整理計算結果，繪制調洪演算曲線。

上述工作不僅消耗設計人員大量的精力，而且要求設計人員具有豐富的水利計算和水力學計算方面的專業知識。

② 溢洪道的設計和布置

溢洪道的設計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關繫到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設計中是一個比較重要的環節。關鍵詞：土石壩中小型水庫溢洪道常見問題對策溢洪道的設計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關繫到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設計中是一個比較重要的環節。
①.溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設施，中小型水庫由於受工程造價的限制，其設計採用的洪水標准往往偏低、選用洪水數據偏小，因而必然帶來溢洪道設計尺寸偏小，再加上周邊岩體風化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保證安全泄洪。
②在布置上，某些工程設計的溢洪道其進出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之間僅有單薄的山脊相隔。進口段如未進行有效的護砌，泄洪時一旦發生沖蝕現象，將危及壩肩安全，有些設計的陡槽末端與壩腳緊貼，假如發生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，因此這二種情況均對大壩的運行安全十分不利。
③.溢洪道設計的平面彎道半徑過大和收縮過劇，對泄流十分不利。非凡在溢洪道陡坡段布置有彎道時，由於彎道流態、流勢劇烈變化，導致二岸產生了水面差，這時凹岸水面壅高，並在下游銜接的平直段內產生折沖水流，大大影響了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或緩流段的過劇收縮，也會發生顯著的壅水和流態變化，並對溢洪道襯砌造成沖擊，如砌護過高會增加投資，砌護過低了又不安全。
④.溢洪道縱橫剖面及平面布置設計不當，比較突出的問題是陡坡設計比降過陡。部分溢洪道布置在非岩性山坡上，其底部未做有效的反濾襯砌，致使滲水後易產生滑坡；結構上也不穩定。在橫斷面設計中，有些工程對兩側山坡開挖坡度注重不夠，有的過陡，加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩定，也易造成坍方和滑坡；平面布置上，存在著上下游斷面連接不配套，形成「瓶頸」現象，從而影響了泄洪能力；此外溢洪道末端與河道銜接部分注重不夠，導致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護處理，常造成嚴重沖刷，並向上延伸，直至整個建築物破壞。
5.現有水力設計方法尚不夠完善，如溢洪道進口布置有引洪平流段的情況下，由於水力計算中忽略了平流段時進口水位的壅高。而實際壅高有時較大，不可忽視。有些設計對溢洪道的消能工的設計考慮不夠充分，或者型式選擇不當，導致消力牆長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下遊河段發生嚴重沖刷。
另在側槽式溢洪道設計中，過去大多採用「扎馬林法」進行計算。經多年實踐及水工模型試驗證實：使用該法計算所確定的水面坡降偏小，導致側槽深度不夠，流量系數減小，使側堰局部呈現沉沒出流，其實際泄洪流量達不到設計要求的泄量，因而對工程是不安全的。
6.有些工程在結構設計中對泄洪的特點和基礎特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強的沖出力、由於急流的摻氣和脈動現象十分顯著常會產生劇烈的震動；有些溢洪道採用低標號的漿砌石或砼砌護，且砌護厚度與邊坡砌護高度都不能適應結構穩定要求，因而不能抵禦高流速的沖刷；有些非岩基上的溢洪道設計時，底部幾乎沒有反濾排水設備，極易發生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由於未設伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發生一些裂縫，總之這些都使工程安全受至影響。
溢洪道設計中把握的基本資料是否充分與完善，選用的設計標準是否恰當，均直接影響到整個工程的安全及經濟，現就有關問題談一些看法：
1.規劃布局
溢洪道工程的規劃布局應盡量利用有利地形地貌，即要經濟合理又要保證安全。如大壩四周有天然山坳可以布設溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布置正堰則可考慮選擇側槽式溢洪道。其規劃布置的主要原則是：基礎堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠離壩體；工程嚴禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢洪道通常有四個主要部分組成：引流段、控制段、泄流段及消能工。
2.引流段
為引流平順其進口外形最好做成喇叭口，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內設置彎道時，則應使彎曲段盡量平緩外、還應使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當流速≤1~2米/秒時一般可不砌護，但與壩端鄰近和緊接控制建築物的范圍內應砌護一定長度，同時在彎道二側的凹岸亦應砌護，如為堅硬的岩基則可不考慮。
3.控制段
為使泄流均勻，可使近口水流垂直於控制段建築物；根據地形條件和泄流需要必需設置寬頂堰或實用斷面堰，堰寬度可按答應單寬流量選定，岩基上單寬流量為40~70m3/s，非岩基上為20~40m3/s，土基上為20m3/s。除近口段設有引流段外，一般應使堰頂寬度≤3h堰；為使水流平順，堰口與其上游引流段可採用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應在其橫向設置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10~15m布設。
4.泄流段
該段平面均採用直線布置，並盡量避免彎道和設置扭坡順引流態的急驟變化甚至產生負壓；其縱斷面設計應因地制宜地根據地形、地質而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式；陡坡段應採用均一比降；由於泄水段流速很高，故應盡量布置在岩基上，如為非岩基則該段襯砌厚度應按答應流速與地質條件選擇進行設計，一般漿砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，鋼筋砼0.15~0.3m，其坡度一般以≤1/2.5為宜。
新鮮岩基上的泄水道，可不砌護；如為松軟風化岩石仍須用0.3~0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護，並加設錨固筋；如需大面積砼襯砌則應按地質情況，結合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側邊坡可僅設橫縫，底部則應設縱橫縫，間距一般為8~12m，同時在襯砌底部需敷設排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌護高度應有適當超高。在泄水段末端需設置消能工，其具體選擇型式可根據地形、地質和水力條件的要求而定，採用多級躍水或溢洪道末端的躍流段應使其泄流方向遠離壩腳≥100~150m。對於非岩基上一般均採用底流消能，並在末端設置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠驅式水躍，由於極易造成沖刷，此時可考慮採用差動式消力檻形式；在岩基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，採用挑射消能較為有利，由於這種形式可省去消力池、護坦與海漫等工程，由於其工程量小、造價低，因而常被採用。根據工程實踐鼻坎形式以矩形差動式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。
5.側槽段
該段布置應垂直於來水流向，其長度可根據等高線向上游延伸，水流特點是側向進流，縱向泄流。
側堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應控制在12°左右，其長度一般為槽內水深的3~5倍，其主要作用是避免槽內波動和橫向旋滾的水流直接進入陡坡段。 為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算公式十分重要。
1.引流段的水力計算：可採取自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方法進行，引流段進口處端須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正確庫水位。
2.控制段的匯流計算：可根據「溢流堰水力計算設計規范」建議的方法計算，同時正確選用流量系數時並使其與選用的堰型相一致。
3.泄流段陡槽水力計算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時，可採用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。
4.消能設施的水力計算：採取底流式消能可以採用A－C：巴什基洛娃圖表計算。由於巴氏對各種消能設備的計算方法與步驟均較明確、具體，計算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設施的尺寸時應該留有餘地，對於一些重要的中型水庫其水力計算成果還應通過模型試驗加以驗證；至於挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。
5.側槽段的水力計算：過去採用的「扎馬林法」由於計算時採用了均勻流假定，而實際水流狀態是沿程變數流，故不符合適用於均勻流的謝才公式，因而與實際泄流情況有較大出入。
近年來有些水利科技工根據水流動量或能量關系而建議採用的水面曲線推算的公式比較符合實際泄流情況，如「西南水工所在《中小型水庫側槽式溢洪道的設計》一書中介紹的公式」、「美國<小壩設計>一書中用的公式」、以及「浙江省《水利科技情》77年第三期介紹的南斯拉夫哈丁公式」等均與水工模型試驗吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結合實際驗算，計算方法簡便、省時，故可供設計參考。由於側槽內實際的流態十分復雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高5~20%，因此其設計的襯砌的高度、厚度要要考慮上述影響。
由於側槽式溢洪道在側向進流時，水流的沖擊、摻氣和槽內水流波動很大，流態十分復雜，故精確計算十分困難，因此對於重要的大中型水庫其側槽式溢洪道設計需依據水工模型試驗來確定其相應尺寸。 為保證建築物安全穩定的結構計算是不可缺少的，除一些護坡及擋土牆的穩定可按一般方法計算外，必須進行陡坡面砌護厚度與消力池底板的穩定分析，而對挑射消能則應進行鼻坎的穩定與基礎應力計算。
1.陡坡的護砌厚度應滿足滑動安全，設置伸縮縫沉陷縫以後，坡面砌護類似大面積薄板，故對基礎應力以及傾復穩定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩定，作用在護面上的滑動力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護面凸體產生的阻力；抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力、護面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數應≥1.3~1.5即為安全。
2.消力池底板厚度應滿足抗浮穩定要求，由於底板四面邊界的約束作用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進行穩定計算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、底板上凸出體產生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內壓力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系數≥1.3~1.5即為安全。
3.挑流鼻坎的尺寸應滿足滑動穩定、傾復穩定和答應的基礎應力。作用於鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面離心力的垂直分力；向上的垂直力包括脈動力、滲透壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出體產生的上舉力。作用於鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產生的水平分力。按一般力學方法計算鼻坎的滑動與傾復穩定時其要求抗滑安全系數≥1.3~1.5，抗傾安全系數≥1.5，同時計算上述各力的合力，其作用點應位於基礎面中三分點之內，且基礎最大與最小應力比值≤3~5，以避免發生不均勻沉陷。 針對中小型溢洪道常出現的問題，應從資料收集、規劃布局、水利計算及結構計算層層把關，保證工程安全經濟可行。

③ 已知：壓力，管徑，開孔，溫度，計算理論流量，謝謝

一般工程上計算時，水管路，壓力常見為0.1--0.6MPa，水在水管中流速在1--3米/秒，常取1.5米/秒。 流量=管截面積X流速=0.002827X管內徑的平方X流速????? (立方米/小時)。其中，管內徑單位：mm ，流速單位：米/秒 ，飽和蒸汽的公式與水相同，只是流速一般取20--40米/秒。
水頭損失計算Chezy 公式

Chezy
這里：
Q???——斷面水流量（m3/s）
C???——Chezy糙率系數（m1/2/s）
A???——斷面面積（m2）
R???——水力半徑（m）
S???——水力坡度（m/m）
根據需要也可以變換為其它表示方法:
Darcy-Weisbach公式

由於
這里：
hf ??——沿程水頭損失（mm3/s）
f ???——Darcy-Weisbach水頭損失系數（無量綱）
l????——管道長度（m）
d????——管道內徑（mm）
v ????——管道流速（m/s）
g ????——重力加速度（m/s2）
水力計算是輸配水管道設計的核心，其實質就是在保證用戶水量、水壓安全的條件下，通過水力計算優化設計方案，選擇合適的管材和確經濟管徑。輸配水管道水力計算包含沿程水頭損失和局部水頭損失，而局部水頭損失一般僅為沿程水頭損失的5~10%，因此本文主要研究、探討管道沿程水頭損失的計算方法。1.1 管道常用沿程水頭損失計算公式及適用條件 管道沿程水頭損失是水流摩阻做功消耗的能量，不同的水流流態，遵循不同的規律，計算方法也不一樣。輸配水管道水流流態都處在紊流區，紊流區水流的阻力是水的粘滯力及水流速度與壓強脈動的結果。紊流又根據阻力特徵劃分為水力光滑區、過渡區、粗糙區。管道沿程水頭損失計算公式都有適用范圍和條件，一般都以水流阻力特徵區劃分。 水流阻力特徵區的判別方法，工程設計宜採用數值做為判別式，目前國內管道經常採用的沿程水頭損失水力計算公式及相應的摩阻力系數，按照水流阻力特徵區劃分如表1。
沿程水頭損失水力計算公式和摩阻系數 表1
阻力特徵區 適用條件 水力公式、摩阻系數 符號意義
水力光滑區 >10
雷諾數
h：管道沿程水頭損失
v：平均流速
d：管道內徑
γ：水的運動粘滯系數
λ：沿程摩阻系數
Δ：管道當量粗糙度
q：管道流量
Ch：海曾-威廉系數
C：謝才系數
R：水力半徑
n：粗糙系數
i：水力坡降
l：管道計算長度
紊流過渡區 10<<500 （1）

（2）
紊流粗糙區 >500

達西公式是管道沿程水力計算基本公式，是一個半理論半經驗的計算通式，它適用於流態的不同區間，其中摩阻系數λ可採用柯列布魯克公式計算，克列布魯克公式考慮的因素多，適用范圍廣泛，被認為紊流區λ的綜合計算公式。利用達西公式和柯列布魯克公式組合進行管道沿程水頭損失計算精度高，但計算方法麻煩，習慣上多用在紊流的阻力過渡區。 海曾—威廉公式適用紊流過渡區，其中水頭損失與流速的1.852次方成比例（過渡區水頭損失h∝V1.75~2.0）。該式計算方法簡捷，在美國做為給水系統配水管道水力計算的標準式，在歐洲與日本廣泛應用，近幾年我國也普遍用做配水管網的水力計算。 謝才公式也應是管道沿程水頭損失通式，且在我國應用時間久、范圍廣，積累了較多的工程資料。但由於謝才系數C採用巴甫洛夫公式或曼寧公式計算確定，而這兩個公式只適用於紊流的阻力粗糙區，因此謝才公式也僅用在阻力粗糙區。 另外舍維列夫公式，前一段時期也廣泛的用做給水管道水力計算，但該公式是由舊鋼管和舊鑄鐵管管材試驗資料確定的。而現在國內採用的金屬管道已普遍採用水泥砂漿和塗料做內襯，條件已發生變化，因此舍維列夫公式也基本不再採用。1.2 輸配水管道沿程水頭損計算的實用公式 輸配水管道沿程水頭計算時，先採用判別水流的阻力特徵用，再選擇相應的公式計算，科學合理，但操作麻煩，特別在流速是待求的未知數時，需要採用試算的方法確定雷諾數（Re）很不方便。為了使輸配水管道水力計算能滿足工程設計的需要，又可以方便的選擇計算公式和進行簡捷的計算，根據多年來管道水力計算的經驗，《室外給水設計規范》GBJ13-86修編報批稿，依據管材的不同和流速的常用范圍，確定輸配水管道沿程水頭損失計算公式如下：
（1）塑料管
（2）混凝土管（渠）及採用水泥砂漿內襯的金屬管道

（3）輸配水管道、配水管網水力平差計算

2.1 管道摩阻系數的屬性及應用條件 每個管道沿程水力計算公式都有相應的摩阻系數和確定方法，表達形式也不一樣。摩阻系數是一個未知數，應由試驗確定。但實際應用時，一般都依據不同的管材和其不同的內壁光滑程度，參考已有的資料，由設計人員計算時選擇採用。該數值非常重要，但隨意性很大，而且取值的結果直接影響水力計算成果的精度。因此了解和熟悉摩阻系數的屬性，掌握取值的方法和技巧，也同樣是做好管道沿程水力計算的關鍵。 （1）當量粗糙度Δ 當量粗糙度是自然（也有稱工業）管道，根據水力試驗的成果，運用達西公式和尼古拉茲公式計算出的理論值。每種管材都有一個確定的當量粗糙度，且不因流態不同而改變，在判別水流流態和選擇其他計算公式參數時，經常用到當量粗糙度。 （2）摩阻系數λ 摩阻系數λ可應用在不同的阻力特徵區，不同區間λ的數值不一樣。在紊流的光滑區，λ數值僅與雷諾數（Re）有關，且隨雷諾數（Re）的增大而減小；在紊流過渡區，λ與雷諾數（Re）和相對粗糙度（Δ/d）兩個因素有關；在紊流粗糙區僅和相對粗糙度（Δ/d）有關，只要管材與管徑確定（即相對粗糙度Δ/d確定），在該區λ數值應為定值。 （3）粗糙系數n 粗糙系數n是採用巴甫洛夫公式和曼寧公式計算謝才公式C時的參數，它適用於紊流的粗糙區，在該區可根據管材內壁光滑程度，選擇相應的n值，但一般情況n的取值范圍宜大於0.010，否則計算成果誤差較大。 （4）海曾—威廉系數Ch 海曾—威廉系數適用紊流過渡區，Ch取值范圍宜大於120，否則計算成果誤差較大。2.2 相應的紊流阻力特徵區內不同摩阻系數間的對應關系
（1） （2）紊流粗糙區（其中y採用巴甫洛夫公式計算，若y=1/6即為曼寧公式，這時）
3.1 《室外給水設計規范》GBJ13-86修編建議沿程水頭損失摩阻系數（△、n、Ch）取值見表2。
管道沿程水頭損失（n Ch △）值 表2
管道種類 n（粗糙系數） Ch（海曾-威廉系數） △（mm）（當量粗糙度）
鋼管、鑄鐵管 水泥砂漿內襯 0.011～0.012 120～130
塗料內襯 0.0105～0.0115 130～140
舊鋼管、舊鑄鐵管（未做內襯） 0.014～0.018
混凝土管 預應力砼管（PCP） 0.012～0.013 110～130
預應力鋼筒砼管（PCCP） 0.011～0.0125 120～140
現澆矩形混凝土管（渠）道 0.012～0.014
化學管材（聚乙烯管、聚氯乙烯管、玻璃鋼夾砂管等），內襯塗塑管 140～150 0.010~0.030
結論：沿程水頭損失計算是輸配水管道設計的基礎，正確的選用計算公式和採用適宜的摩阻系數，計算成果才能真實的反映管道的水力特性。為保證輸配水管道工程設計質量，提高工程的經濟效益和規范水力計算方法