中企时代：水景中的跌水水景设计算法

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中企时代喷泉10月18日号讯：

跌水水景水量过大则 能耗大，长期运转费用高；跌水水景水量过小则达不到预期的设计效果。

在水景设计中，跌水水景是构成溪流、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。
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，首先要确定跌水水景流量 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 ld 的水舌。
若 ld 大于跌水台阶宽度 lt,则水景水流会 跃过跌水台阶；
若 ld 太小，则有可能出现水景水舌贴着水景跌水墙而形成壁流。
这两种情况 的出现主要与跌水水景流量 Q 的大小有关，
设计时应尽量选择一个恰当的跌水水景流量以 避免上述现象的发生。
1.1 跌水水景流量计算
跌水水景流量计算
水景 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=σc・m・b・（2g）0.5・H1.5=σc・M・b・H1.5
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 关 σc--侧收缩系数 m--自由溢流的流量系数，
与堰型、堰高等边界条件有
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・H1.5=M・b・H1.5
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 此要求出水景流量 Q,关键要确定出堰前水景水头 H,
堰前水景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,当水景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水景流量 Q,由于 Q 值为试算结果，
还须根据跌水水景水舌的长度对 Q 的大小作进一步的校核和调整。
1.2 校核水景水舌长度 校核水景水舌长度 水景 根据水力学的计算公式，
溢流堰的跌落水景水舌长度为： ld=4.30D0.27P
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 ld,
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 lt）上引起溅射，
一般 ld 应在 0.1~2/3lt（m）之间，
如计算的 ld 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 ld 直至 满足要求。
一般情况下，跌水水景流量越小则 ld 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 ld 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 计算实例
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 lt=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
校核跌水水舌 ld 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： ld=4.30×D0.27×P=0.136m 0.1<ld<2/3lt
经校核，跌水景水舌长度 lt 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。