1跌水水景的水力學(xué)特征及計(jì)算

　　跌水水景實(shí)際上是水力學(xué)中的堰流和跌水在實(shí)際生活中的應(yīng)用，跌水水景設(shè)計(jì)中常用的堰流形式為溢流堰。

　　根據(jù)δ和H的相對(duì)尺寸，堰流流態(tài)一般分為薄壁堰流、實(shí)用堰流、寬頂堰流等三種形式：

　　當(dāng)δ/H<0.67，為薄壁堰流；（δ：堰頂寬；H：堰前水頭）

　　0.67<δ/H<2.5，為實(shí)用堰流；

　　2.5<δ/H<10，為寬頂堰流；

　　δ/H>10,為明渠水流，不是堰流。

　　跌水水景設(shè)計(jì)中，常用堰流形態(tài)為寬頂堰流。?

　　當(dāng)?shù)暗耐两ǔ叽绱_定以后，首先要確定跌水流量Q，當(dāng)水流從堰頂以一定的初速度v0落下時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為ld的水舌。若ld大于跌水臺(tái)階寬度lt，則水流會(huì)躍過(guò)跌水臺(tái)階；若ld太小，則有可能出現(xiàn)水舌貼著跌水墻而形成壁流。這兩種情況的出現(xiàn)主要與跌水流量Q的大小有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)牧髁恳员苊馍鲜霈F(xiàn)象的發(fā)生。

　　1.1跌水流量計(jì)算

　　根據(jù)水力學(xué)計(jì)算公式，一般寬頂堰自由出流的流量計(jì)算式為：

　　Q=σc?m?b?(2g)0.5?H1.5=σc?M?b?H1.5

　　式中b??堰口凈寬

　　H??包括行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，

　　H=H0+υ02/2g

　　式中υ0??行進(jìn)流速

　　m??自由溢流的流量系數(shù)，與堰型、堰高等邊界條件有關(guān)

　　σc??側(cè)收縮系數(shù)

　　M=m?(2g)0.5

　　當(dāng)堰口為矩形時(shí)，側(cè)收縮系數(shù)σc為1，上述計(jì)算式即簡(jiǎn)化為《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的流量計(jì)算式：

　　Q=m?b?(2g)0.5?H1.5=M?b?H1.5

　　上式中，M(或m)為流量系數(shù)，與堰的進(jìn)口邊緣形式有關(guān)；b為堰口凈寬，為已知，因此要求出流量Q，關(guān)鍵要確定出堰前水頭H，堰前水頭一般先憑經(jīng)驗(yàn)選定、試算。通常H的初試值可選為0.2～0.4kPa，當(dāng)堰口為直角時(shí)宜取上限，堰口為斜角或圓角時(shí)取下限。H初值選定后，根據(jù)上述計(jì)算式算出跌水流量Q，由于Q值為試算結(jié)果，還須根據(jù)跌水水舌的長(zhǎng)度對(duì)Q的大小作進(jìn)一步的校核和調(diào)整。

　　1.2校核水舌長(zhǎng)度

　　根據(jù)水力學(xué)的計(jì)算公式，溢流堰的跌落水舌長(zhǎng)度為：

　　ld=4.30D0.27P

　　式中D=q2/(g?p3)

　　q--堰口單寬流量，q=Q/b，m3/(s?m)

　　?p--跌水墻高度，m

　　?g--重力加速度，9.81m/s2

　　上式中各參數(shù)已知，可計(jì)算出跌水水舌長(zhǎng)度ld，為了防止水舌躍過(guò)跌水臺(tái)階或貼著跌水墻，同時(shí)考慮到水舌落到跌水臺(tái)階(寬度為lt)上引起濺射，一般ld應(yīng)在0.1～2/3lt(m)之間，如計(jì)算的ld不在此范圍內(nèi)，則應(yīng)調(diào)整堰前水深，重新試算流量Q，并按上述步驟校核ld直至滿足要求。

　　一般情況下，跌水流量越小則ld越小，消耗的動(dòng)力越小，對(duì)降低水景的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用十分有利。有時(shí)，當(dāng)計(jì)算出的ld較小，又不想增大Q時(shí)，可以在溢流堰的出口增加一段檐口，以改善堰流的出流條件，防止水流貼壁。

　　2某工程跌水水景的設(shè)計(jì)

　　某賓館根據(jù)其地形條件在大堂內(nèi)設(shè)計(jì)一溢流式跌水景，為扇形結(jié)構(gòu)，第一級(jí)跌水高度P為2.1m，堰口為弧線形，長(zhǎng)度b=14.65m，堰頂寬δ=0.15m，跌水臺(tái)階寬度lt=0.7m。

　　2.1計(jì)算跌水流量Q

　　根據(jù)賓館大堂環(huán)境的要求，跌水流量不須太大，因此，初始選定堰前水頭H=0.2kPa，根據(jù)堰流的出口形式，流量系數(shù)M=1417.4，因此試算流量：Q=M?b?H1.5（m3/s）

　　2.2校核跌水水舌

　　ld根據(jù)試算流量Q可求出跌水景溢流口的單寬流量：

　　q=Q/b=4.007×10-3m3/(s?m)

　　由此得

　　D=q2/(g?p3)=1.7673×10-7??

　　跌水水舌長(zhǎng)度：

　　ld=4.30×D0.27×P=0.136m

　　0.1<ld<2/3lt

　　經(jīng)校核，跌水景水舌長(zhǎng)度l?t在合理范圍內(nèi)，因此，選定的流量可作為選用跌水景循環(huán)水泵的依據(jù)。