堰流及閘孔出流

堰流及閘孔出流遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院程志輝yuanfang696@INDEX堰的類型及堰流的基本公式薄壁堰寬頂堰的水力計(jì)算實(shí)用斷面堰的水力計(jì)算閘孔出流Hvδ堰流及其特征在明渠流中，為控制水位或控制流量而設(shè)置構(gòu)筑物，使水流溢過構(gòu)筑物的流動(dòng)稱為堰流，該構(gòu)筑物稱為堰。堰流的水力特性如下：

1、堰的上游水面壅高，勢能增大；在堰頂上水面下跌；

2、堰流一般從緩流向急流過渡，屬于急變流。堰流的水力計(jì)算主要考慮局部阻力；

3、水流在流過堰頂時(shí)，具有自由表面的液流在表面張力的作用下，水流會(huì)收縮。堰的分類以堰頂?shù)膶挾圈呐c堰上水頭H的比值分類：（1）薄壁堰（2）實(shí)用堰（3）寬頂堰堰的分類按上游渠道寬度B與堰寬b的相互大小分：無側(cè)收縮堰——上游渠道寬度B等于堰寬b；有側(cè)收縮堰——渠寬B大于堰寬b。按水流與堰的流動(dòng)方向分：正堰——水流方向與堰正交；斜堰——水流方向與堰非正交；側(cè)堰——水流方向與堰平行。堰流的基本方程H0kH0矩形薄壁堰按堰口形狀的不同，分為矩形堰、三角形堰、梯形堰、比例堰等。三角形堰常用于較小的流量，矩形和梯形堰常用于量測較大的流量。（b=0.2-2.0m，H=0.10-1.24m，p＜1.1m）三角形薄壁堰θ=900，H=0.05—0.25mθ=900，H=0.25—0.55m梯形薄壁堰當(dāng)梯形的θ=14°，由實(shí)驗(yàn)得mo=0.42比例堰：流量Q與作用水頭H成直線關(guān)系豎井堰：也稱環(huán)堰，是在平面上成圓形的溢流堰

其他堰無側(cè)收縮寬頂堰自由出流Hpp'L'δvohcovcchc水流特征：因堰對(duì)水流的約束，進(jìn)口前水位壅高，進(jìn)入堰頂后水流產(chǎn)生跌落，并有垂向收縮，水深為hc，而后在跌坎處再次跌落，形成所謂二次跌落現(xiàn)象，堰頂上水流為急流。無側(cè)收縮寬頂堰自由出流m=0.32

m=0.36

矩形直角進(jìn)口：矩形圓弧進(jìn)口：無側(cè)收縮寬頂堰淹沒出流淹沒條件：必要條件：下游水位高于堰頂充分條件：堰頂上急流變?yōu)榫徚骶C合條件：流量公式：側(cè)收縮寬頂堰出流式中：a——墩形系數(shù)，矩形為0.19；圓形為0.10收縮條件：堰寬b小于上游渠道寬B流量公式：流量系數(shù)：

例：某矩形斷面渠道，已知渠道寬B=3m，堰寬b=2m，壩高p=p’=1m，堰上水頭H=2m，堰頂為直角進(jìn)口，墩頭為矩形，下游水深h=2m，試求過堰流量。解：（1）判別出流形式即滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自由式溢流，同時(shí)b＜B，有側(cè)向收縮。綜上，本堰為自由溢流有側(cè)向收縮的寬頂堰。

（2）計(jì)算流量系數(shù)m堰頂為直角進(jìn)口，p/H=0.5＜3（3）計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)（4）計(jì)算流量本題計(jì)算限定計(jì)算誤差為1%，當(dāng)前后兩次試算的值滿足限定誤差要求時(shí)，可認(rèn)為該值為最終值。則過堰流量為Q=Q（3）=8.48m3/s。例：某矩形斷面渠道，已知渠道寬B=3m，堰寬b=2m，壩高p=p’=1m，堰上水頭H=2m，堰頂為直角進(jìn)口，墩頭為矩形，下游水深h=2.75m，試求過堰流量。解：（1）判別出流形式即滿足淹沒式溢流條件，同時(shí)b＜B，所以，本堰為淹沒式有側(cè)向收縮的寬頂堰流。（2）計(jì)算流量系數(shù)m堰頂為直角進(jìn)口，p/H=0.5＜3（3）計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)（4）計(jì)算流量第一次：第二次：第三次：本題計(jì)算限定計(jì)算誤差為1%，當(dāng)前后兩次試算的值滿足限定誤差要求時(shí)，可認(rèn)為該值為最終值。則過堰流量Q=8.05m3/s。實(shí)用堰（a）曲線型；（b）折線型實(shí)用堰是水利工程中用來擋水同時(shí)又能泄流的構(gòu)筑物，按其剖面形式可分為曲線型實(shí)用堰和折線型實(shí)用堰（部分小型堰或臨時(shí)性堰經(jīng)常采用）。曲線型實(shí)用堰有非真空堰和真空堰兩種如果曲線與同樣條件下薄壁堰自由出流的水舌下緣相重合，堰面壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng).此時(shí)流量系數(shù)m與薄壁堰基本相當(dāng)。如果曲線突出水舌下緣，則堰面將頂托水流。堰面的壓強(qiáng)應(yīng)大于大氣壓強(qiáng)。堰前總水頭中的一部分勢能將轉(zhuǎn)換成壓能，過水能力就會(huì)降低。上述兩類堰都稱為非真空堰。曲線型——真空堰如果堰面低于水舌下緣，溢流水舌將脫離堰面。脫離處空氣被水舌卷吸帶走，堰面處會(huì)形成局部真空。優(yōu)點(diǎn)——過水能力會(huì)得到提高缺點(diǎn)——水流不穩(wěn)定，會(huì)引起構(gòu)筑物的振動(dòng)，而且可能在堰面產(chǎn)生空穴，導(dǎo)致堰面損壞。理想的剖面形狀應(yīng)使堰面曲線與薄壁堰水舌下緣重合，這樣既不產(chǎn)生真空，又有比較大的過水能力。常用形式——克里格爾-奧菲采洛夫剖面堰、美國WES標(biāo)準(zhǔn)剖面堰、長研1型剖面堰等。實(shí)用堰的計(jì)算流量系數(shù)：曲線形m0=0.45；折線形m0=0.42流量公式：淹沒影響：hs=h-p＞0側(cè)面收縮影響：B＞b小橋孔徑的水力計(jì)算特征：小橋的底板一般與河床底板齊平。由于橋墩受側(cè)向收縮的影響，使水流的過水?dāng)嗝孀冃。纬删植孔枇?。水流在橋孔前水位壅高，進(jìn)入橋孔后，流速增加，造成水面一次跌落；當(dāng)水流流出橋孔后，由于水面變寬，又產(chǎn)生局部阻力，使水面再一次跌落。計(jì)算特點(diǎn)：運(yùn)用寬頂堰流的理論，水力現(xiàn)象與寬頂堰水流過程相似。 水力計(jì)算的準(zhǔn)備已知數(shù)據(jù)：根據(jù)水文資料決定的設(shè)計(jì)流量Q，按河道情況決定的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)流量的天然水深H（下游）。設(shè)計(jì)選定：按河床加固情況以避免沖刷而擬定的最大允許不沖流速v。主要任務(wù)：設(shè)計(jì)小橋孔徑b及橋前抬高水深H1。方案評(píng)價(jià)：小橋孔徑愈小，造價(jià)愈低，但小橋前抬高水深就愈大，會(huì)影響農(nóng)田或路基高度。橋下流速也愈大，使河床加固費(fèi)用也愈大。反之，小橋孔徑愈大，則橋前水深和橋下流速就會(huì)減少，但小橋本身的造價(jià)卻增加。因此，最后應(yīng)以建筑技術(shù)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等方案比較來決定。出流形式：根據(jù)橋下水深與下游水深的不同比值，可分為自由式出流和淹沒式出流兩種。

1.計(jì)算臨界水深：以不沖允許流速v’計(jì)算橋下河槽的臨界水深，已知設(shè)計(jì)流量Q橋孔過水?dāng)嗝鏋榫匦?，設(shè)寬度為b，因側(cè)收縮影響，有效寬度為εb，斷面水深為2.計(jì)算小橋孔徑：判別橋孔出流形式并計(jì)算孔徑。自由出流：h＜1.3hc，橋下河槽水深hc0=ψhc淹沒出流：h＞1.3hc，橋下河槽水深hc0=h實(shí)際工程中常采用標(biāo)準(zhǔn)孔徑，鐵路、公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)孔徑有4、5、6、8、1、12、16、20（m）等多種。3.按采用的標(biāo)準(zhǔn)孔徑驗(yàn)算橋孔過流情況：按采用的標(biāo)準(zhǔn)孔徑B，重新計(jì)算hc，判別橋孔出流形式并計(jì)算橋下河槽的流速v。自由出流：h＜1.3hc淹沒出流：h＞1.3hcv應(yīng)小于v’，以保證橋下河槽不發(fā)生沖刷。4.計(jì)算橋梁壅水：自由出流：淹沒出流：例：由水文計(jì)算已知小橋設(shè)計(jì)流量Q=30m3/s。根據(jù)下游河段流量-水位關(guān)系曲線，求得該流量時(shí)下游水深h=1.0m。由規(guī)范，橋前允許壅水水深H’=2m，橋下允許流速v’=3.5m/s。由小橋進(jìn)口形式，查得各項(xiàng)系數(shù)：φ=0.90；ε=0.85；ψ=0.80。試設(shè)計(jì)此小橋孔徑。解：（1）計(jì)算臨界水深1.3hc