跌水水景的设计

乐美承
(长沙有色冶金设计院)

　　在水景设计中，跌水是构成溪流、叠流、瀑布等水景的基本单元，具有动态和声响的效果，因而应用较广。
　　与静态水景不同，动态水景的水是流动的，其流动性一般用循环水泵来维持，水量过大则能耗大，长期运转费用高；水量过小则达不到预期的设计效果。因此，根据水景的规模确定适当的水流量十分重要。

1 跌水水景的水力学特征及计算

　　跌水水景实际上是水力学中的堰流和跌水在实际生活中的应用，跌水水景设计中常用的堰流形式为溢流堰，常用溢流堰的形式如图1。

　　根据δ和H的相对尺寸，堰流流态一般分为薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流等三种形式：
　　当 δ/H<0.67，为薄壁堰流；
　　0.67<δ/H<2.5，为实用堰流；
　　2.5<δ/H<10，为宽顶堰流；
　　δ/H>10,为明渠水流，不是堰流。
　　跌水水景设计中，常用堰流形态为宽顶堰流。?
　　当跌水水景的土建尺寸确定以后，首先要确定跌水流量Q，当水流从堰顶以一定的初速度v₀落下时，它会产生一个长度为l_d的水舌。若l_d大于跌水台阶宽度l_t，则水流会跃过跌水台阶；若l_d太小，则有可能出现水舌贴着跌水墙而形成壁流。这两种情况的出现主要与跌水流量Q的大小有关，设计时应尽量选择一个恰当的流量以避免上述现象的发生。
1.1 跌水流量计算
　　根据水力学计算公式，一般宽顶堰自由出流的流量计算式为：

　　Q=σ_c·m·b·(2g)^0.5·H^1.5=σ_c·M·b·H^1.5
　　式中　b——堰口净宽
　　　　　H——包括行进流速水头的堰前水头，

　　H=H0+υ₀2/2g
　　式中　υ₀——行进流速
　　　　　m——自由溢流的流量系数，与堰型、堰高等边界条件有关
　　　　　σc——侧收缩系数

　　M=m·(2g)^0.5

　　当堰口为矩形时，侧收缩系数σc为1，上述计算式即简化为《给水排水设计手册》中的流量计算式：

　　Q=m·b·(2g)^0.5·H^1.5=M·b·H^1.5

　　上式中，M(或m)为流量系数，与堰的进口边缘形式有关；b为堰口净宽，为已知，因此要求出流量Q，关键要确定出堰前水头H，堰前水头一般先凭经验选定、试算。通常H的初试值可选为0.2～0.4 kPa，当堰口为直角时宜取上限，堰口为斜角或圆角时取下限。H初值选定后，根据上述计算式算出跌水流量Q，由于Q值为试算结果，还须根据跌水水舌的长度对Q的大小作进一步的校核和调整。
1.2 校核水舌长度
　　 根据水力学的计算公式，溢流堰的跌落水舌长度为：

　　l_d=4.30D^0.27P
　　式中　D=q²/(g·p³)
　　　　　q--堰口单宽流量，q=Q/b，m³/(s·m)
　　?　　p--跌水墙高度，m
　　?　　g--重力加速度，9.81 m/s²

　　上式中各参数已知，可计算出跌水水舌长度l_d，为了防止水舌跃过跌水台阶或贴着跌水墙，同时考虑到水舌落到跌水台阶(宽度为l_t)上引起溅射，一般l_d应在0.1～2/3l_t(m)之间，如计算的l_d不在此范围内，则应调整堰前水深，重新试算流量Q，并按上述步骤校核l_d直至满足要求。
　　一般情况下，跌水流量越小则l_d越小，消耗的动力越小，对降低水景的长期运转费用十分有利。有时，当计算出的l_d较小，又不想增大Q时，可以在溢流堰的出口增加一段檐口，以改善堰流的出流条件，防止水流贴壁。

2 某工程跌水水景的设计

　　某宾馆根据其地形条件在大堂内设计一溢流式跌水景，为扇形结构，第一级跌水高度P为2.1 m，堰口为弧线形，长度b=14.65 m，堰顶宽δ=0.15 m，跌水台阶宽度l_t=0.7m。
2.1 计算跌水流量Q
　　根据宾馆大堂环境的要求，跌水流量不须太大，因此，初始选定堰前水头H=0.2 kPa，根据堰流的出口形式，流量系数M=1 417.4，因此试算流量：
2.2 校核跌水水舌
　　l_d根据试算流量Q可求出跌水景溢流口的单宽流量：
　　　　　q=Q/b=4.007×10^-3 m³/(s·m)
　　由此得
　　　　　D=q²/(g·p³)=1.767 3×10^-7
　　跌水水舌长度：
　　　　　l_d=4.30×D^0.27×P=0.136m
　　　　　0.1<l_d<2/3l_t
　　经校核，跌水景水舌长度l?t在合理范围内，因此，选定的流量可作为选用跌水景循环水泵的依据。

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