第8章 堰流及閘孔出流

1、水力學(xué)教案第八章 堰 流目的要求：掌握堰流的基本概念和計(jì)算方法；小橋孔徑的水力計(jì)算方法。全部為重點(diǎn)§8-1堰流的特點(diǎn)及其分類(lèi)一、定義水流受到從河底（渠底）建起的建筑物（堰體）的阻擋，或者受兩側(cè)墻體的約束影響，使堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體下泄，下泄水流的自由表面為連續(xù)的曲面，這種水流現(xiàn)象稱為堰流，這種建筑物稱為堰（結(jié)合上圖解釋幾個(gè)常用符號(hào)）。二、分類(lèi) 薄壁堰：； 1 從堰的幾何形狀分： 實(shí)用堰：； 寬頂堰： 水舌下緣與堰頂只有線水舌下緣與堰頂呈面的進(jìn)口迭落，水流受堰的接觸，水面呈單一的接觸，水流受堰頂?shù)捻旐旐斖校唔斏纤鹘德淝€，水舌上、下托，但基本上還是重力流線近似平行。邊界都是

2、大氣壓強(qiáng)。作用下的自由跌落。 自由出流：下游水深小，不影響堰的過(guò)流能力2 從下游水深對(duì)Q 的影響分 淹沒(méi)出流：下游水深影響堰的過(guò)流能力 有側(cè)收縮堰： B>b； 3從堰寬b和河寬B的大小分無(wú)側(cè)收縮堰：B=b正堰：堰與水流方向正交4從水流方向分 斜堰：堰與水流方向不正交 側(cè)堰：堰與水流方向平行§ 8-2 堰流的基本公式以薄壁堰為例推導(dǎo)，結(jié)果適用于其它堰型。以 為基準(zhǔn)面，建立0-0和1-1斷面的能量方程。 -堰上水頭為1-1斷面的平均測(cè)壓管水頭，因水舌被大氣包圍， 其中， 表示流速系數(shù)；b表示堰寬；e表示1-1斷面的水舌厚。 令 堰流的基本公式： 或 以上推導(dǎo)是無(wú)側(cè)收縮、無(wú)淹沒(méi)的情況

3、?？紤]側(cè)向收縮和淹沒(méi)影響， 淹沒(méi)系數(shù) 側(cè)收縮系數(shù) m流量系數(shù)§ 8-3 薄壁堰一、矩形薄壁堰矩形堰通常用于實(shí)驗(yàn)室量測(cè)流量。1 完全堰1、渠寬與堰寬相同。條件 2、下游水位低于堰頂。3、堰上水頭不宜過(guò)?。℉>2.5cm），否則受表面張力作用。4、水舌下面的空間應(yīng)與大氣相通。薄壁堰通常的工作條件為無(wú)側(cè)收縮，無(wú)淹沒(méi)，此時(shí)： 其中 式中H以米計(jì)，該式的適用范圍為：且?；?式中H以米計(jì)，該式的適用范圍為：。 2 側(cè)收縮堰有側(cè)收縮時(shí) 其中 式中H以m計(jì)。3 淹沒(méi)堰淹沒(méi)條件：（1）必要條件：下游水位高于堰頂 （2）充分條件：下游產(chǎn)生淹沒(méi)水躍判別公式： 或 其中：z為上下游水位差，為臨界水躍時(shí)

4、上下游水位差，為下游堰高。淹沒(méi)出流的計(jì)算公式為： 其中二、三角形薄壁堰 堰口形狀為三角形稱為三角堰，計(jì)算公式為： 量測(cè)較小流量，堰口夾角通常為90°，此時(shí) 式中H為堰頂水頭，以cm計(jì)。三、梯形堰 堰口形狀為梯形叫梯形堰。計(jì)算公式為： 其中： ，當(dāng)14°時(shí)，流量系數(shù)不隨H及b變化，且約為0.42。§8-4 實(shí)用堰(a)非真空堰 (b)真空堰實(shí)用堰主要用作蓄水擋水建筑物壩，或凈水建筑物的溢流設(shè)備。根據(jù)堰的專門(mén)用途和結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性要求，其剖面可設(shè)計(jì)成曲線形或折線形。曲線形實(shí)用堰又可分成非真空堰和真空堰兩大類(lèi)，如果堰的剖面曲線基本上與薄壁堰的水舌下緣外形相符，水流作用在堰

5、面上的壓強(qiáng)仍近似為大氣壓強(qiáng)，稱為非真空堰，如圖8-4-1(a)所示。 若堰剖面曲線低于薄壁堰的水舌下緣，溢流水舌脫離堰面，脫離處的空氣被水流帶走而形成真空區(qū)，這種堰稱為真空堰，如圖8-4-1(b)所示。 真空堰由于堰面上真空區(qū)的存在，增加了堰的過(guò)水能力，即增大了流量系數(shù)。但是，由于真空區(qū)的存在，水流不穩(wěn)定而引起建筑物的振動(dòng)，且在堰面發(fā)生空穴現(xiàn)象，使壩過(guò)早地破損。 當(dāng)建筑材料不便加工成曲線時(shí)，常采用折線多邊形，如圖8-4-2所示。實(shí)用堰的流量公式仍采用式(8-2-2)，即當(dāng)無(wú)側(cè)收縮、無(wú)淹沒(méi)時(shí)，取1.0，1.0。 由于實(shí)用堰堰面對(duì)水舌有影響，所以堰壁的形狀及尺寸對(duì)流量系數(shù)有影響，其精確數(shù)值應(yīng)由模型

6、實(shí)驗(yàn)決定。在初步估算時(shí)，可取真空堰，非真空堰，折線多邊形堰m0.350.42。側(cè)收縮系數(shù)可用下式計(jì)算 式中，a為考慮壩墩形狀影響的系數(shù)，矩形壩墩a0.2，半圓形或尖形壩墩a0.11，曲線形尖墩a=0.06。實(shí)用堰的淹沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)與薄壁堰相同，即下游水位高于堰頂，并且堰下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍。非真空堰淹沒(méi)系數(shù)可由表8-1確定。表8-1 非真空堰淹沒(méi)系數(shù)0.050.200.300.400.500.600.700.800.900.950.9750.9951.000.9970.9850.9720.9570.9350.9060.8560.7760.6210.470.3190.100§8-5 寬頂堰有坎寬

7、頂堰：存在垂直收縮寬頂堰 引起水面跌落無(wú)坎寬頂堰：水流寬度發(fā)生變化，產(chǎn)生側(cè)向收縮 一、寬頂堰流的特點(diǎn)（1），垂直收縮的影響，流線收縮，水面下降，在斷面達(dá)最小值（2處），以后水受阻力影響，水面微微上升，下游水位較低時(shí)產(chǎn)生第二次跌落。斷面以后屬急流漸變流，不受下游水位影響，自由出流。圖a（2）下游水位上升達(dá)到線堰上水流仍屬于急流，hc與下游水位無(wú)關(guān)，堰出口沒(méi)有水面跌落，仍為自由出流。圖b（3）當(dāng)hs>hk，從hc hs發(fā)生水躍（超過(guò)幅度不大）。當(dāng)水躍還沒(méi)有淹沒(méi)收縮斷面時(shí)仍不變，此時(shí)Q仍不受下游水位影響，仍為自由出流。圖c（4）下游水位再升高至，收縮斷面被淹沒(méi)，水躍消失，堰上水流為緩流，Q減小

8、，變?yōu)檠蜎](méi)出流。圖d二、寬頂堰流量系數(shù)寬頂堰計(jì)算公式 當(dāng)時(shí)，直角進(jìn)口邊緣；圓角進(jìn)口邊緣當(dāng)時(shí)，堰頂進(jìn)口為直角時(shí)， 堰頂進(jìn)口為圓弧形， 三、側(cè)收縮系數(shù)當(dāng)寬頂堰溢流寬度較大時(shí)，同樣需設(shè)置閘墩和邊墩，產(chǎn)生側(cè)收縮使減小，計(jì)算公式為：式中，為墩形系數(shù)，矩形邊緣，圓形邊緣。四、淹沒(méi)條件及淹沒(méi)系數(shù)寬頂堰淹沒(méi)條件：當(dāng)堰頂收縮斷面被淹沒(méi)時(shí)為淹沒(méi)出流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，值見(jiàn)下表：0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.891.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.870.90 0.91 0.92 0.93 0.94

9、 0.95 0.96 0.97 0.980.84 0.82 0.78 0.74 0.70 0.65 0.59 0.50 0.40五、無(wú)坎寬頂堰無(wú)底坎有側(cè)向收縮的寬頂堰稱無(wú)坎寬頂堰。公式仍為： ：包括側(cè)收縮系數(shù)在內(nèi)的流量系數(shù) 。 近似采用有坎寬頂堰值。n為孔數(shù)。多孔時(shí)，因上游邊界條件不同，邊孔、中孔應(yīng)分別計(jì)算（引出計(jì)算邊孔的概念），計(jì)算中孔和邊孔，加權(quán)平均= 。§ 8-6 小橋孔徑水力計(jì)算小橋過(guò)水時(shí)由于側(cè)向收縮使水位雍高再迭落，屬無(wú)坎寬頂堰。一、小橋孔徑的水力計(jì)算公式 若橋孔水流的臨界水深為，實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)橋下游水深為自由式小橋過(guò)水，見(jiàn)圖a；為淹沒(méi)式小橋過(guò)水，此種情況下通常認(rèn)為橋下水深與

10、下游水深相等，見(jiàn)圖b。根據(jù)寬頂堰理論，自由式小橋過(guò)水，令。在圖a中以為基準(zhǔn)面建立00和11斷面的能量方程 令 橋下矩形過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾葹閎，當(dāng)水流發(fā)生側(cè)向收縮時(shí)有效水流寬度為，則 同理可得淹沒(méi)式小橋過(guò)流量公式為： 式中和分別為小橋的側(cè)收縮系數(shù)和流速系數(shù)，與小橋進(jìn)口形式有關(guān)，其實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)下表：橋臺(tái)形狀收縮系數(shù)流速系數(shù)單孔、有堆體填土（堆體護(hù)坡）0.900.90單孔、有八字翼墻0.850.90多孔或無(wú)堆體填土多孔或橋臺(tái)伸出堆體之外0.800.85拱腳浸水的拱橋0.750.80二、小橋孔徑水力計(jì)算原則和步驟 設(shè)計(jì)橋孔的兩個(gè)控制條件：（1）橋孔流速不超過(guò)橋下鋪砌材料或天然土壤的不沖允許流速；（2）橋前壅水水位H不大于規(guī)范允許值，該值由路肩標(biāo)高及橋梁梁底標(biāo)高決定。 1、計(jì)算公式 若橋下過(guò)水?dāng)嗝鎸挾葹閎，當(dāng)水流發(fā)生側(cè)向收縮時(shí)，有效水流寬度為，則設(shè)計(jì)流量下的臨界水深為： 將代入上式得： 在設(shè)計(jì)流量下若按允許流速設(shè)計(jì)，自由式小橋過(guò)水，則： 將自由式寬頂堰公式代入 ，得： 將與比較得： 再代入，得： 以上各式中的值，對(duì)于非平滑進(jìn)口，；對(duì)于平滑進(jìn)口，。 2、計(jì)算步驟 （1）從允許流速出發(fā)計(jì)算小橋孔徑b ，校核是否淹沒(méi)。自由式小