1、第十章堰流本章主要介紹各類堰流的水力堰流是明渠緩流由于流動邊界急劇變化而引起的明渠急變流現(xiàn)象。特征、基本公式、應(yīng)用特點及水力計算方法。、堰和堰流堰：在明渠緩流中設(shè)置障壁， 它既能壅高渠中的水位， 又能自然溢流，這障壁就稱為堰。堰流(weir flow )：緩流越過阻水的堰墻溢岀流動的局部水流現(xiàn)象稱為堰流。選擇：堰流特定的局部現(xiàn)象是：A.緩流通過障壁；B.緩流溢過障壁；C.急流通過障壁； D.圖 10-1急流溢過障壁。研究堰流的主要目的：探討流經(jīng)堰的流量 Q及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系堰流的基本特征量(圖10-1 )1. 堰頂水頭H；2. 堰寬b ；3. 上游堰高P、下游堰高Pi；4. 堰頂厚

2、度S ；5. 上、下水位差 Z；6堰前行近流速 u。二、堰的分類1. 根據(jù)堰壁厚度d與水頭H的關(guān)系，如圖10-2 :慎儺宅輕豳圖 10-2矩形堰*三角形堰 1梯形堰折線型實用堰 曲線型實用堰 復(fù)臺型實用堰.薄壁堰(thin-wallweir) ( &0.67) 無沿程水頭損失如J 實用堰(ogeeweir) ( O.d7&/H2.5) 堰挨跌落，可忽略牛寬頂堰(broad-crestweir) C2.55ZH10)*二次跌箔，可忽略辱圖 10-32.根據(jù)上游渠道寬度B與堰寬b的關(guān)系，圖10-4 :側(cè)收縮堰(快E) 堰 =)3. 根據(jù)堰與水流方向的交角：|正堰堰側(cè)堰I斜堰4. 按下游水位是否影響

3、堰流性質(zhì)：自由式堰流(不影響、堰 *、淹沒式堰硫(影響)R圖 10-45.按堰口的形狀：堰可分為矩形堰、梯形堰、三角堰。三、堰流及孔流的界限1.堰流：當(dāng)閘門啟岀水面，不影響閘壩泄流量時?？琢鳎寒?dāng)閘門未啟岀水面，以致影響閘壩泄流量時2.堰流和孔流的判別式(1)寬頂堰式閘壩堰流：e/H 0.65孔流：e/H 0.75孔流:e/ H 0.75式中：e閘門開啟高度;H堰孔水頭判斷：從能量角度看，堰流和閘孔岀流的過程都是一種勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。對第一節(jié)堰流的基本公式一、堰流基本公式推導(dǎo)（圖10-7 ）由大孔口的流量公式（7-6）Q = g曲晅醐-咼）及丄 ，J ,并考慮上游行近流速的影響，令已”讐得堰

4、流的基本公式：- - （10-1）、虧式中：m堰流流量系數(shù)，m=，。二、堰流公式若考慮到側(cè)收縮影響及淹沒影響，則堰流公式為：Q =或0 = 誡屁丹嚴(yán)（10-2）（10-3）式中：L淹沒系數(shù)，L 1.0 ;-側(cè)收縮系數(shù)， W 1.0。m 0計及行近流速的流量系數(shù)第二節(jié)Pi必圖 10-7薄壁堰薄壁堰（如圖10-8）主要用途：用作量水設(shè)備。薄壁堰口的橫斷面形狀不同，相應(yīng)的流量系數(shù)也不同圖 10-8、矩形薄壁堰1.基本公式( 10-4)2. 無側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰:，：:采用巴贊公式計算:e = 0 42b2iHv = 1.8v-(m7s)(10-6)=亠勺（!0.5）公式適用范圍：b

5、=0.22.0m，P=0.240.75m，H=0.051.24m，式中 H、P 均以 m 計。初步設(shè)計時，取7-,則:3. 有側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰:% = (0.405 +-0.03詈）1+o.芳（岸沙（備y (10-7)4. 矩形薄壁堰的淹沒判別條件（圖10-9）1）堰下游水位高岀堰頂標(biāo)高，即zhc 充分條件(10-8)淹沒溢流時，不僅堰的過水能力降低，而且下游水面波動較大，溢流不穩(wěn)定。所以用于測量流 量用的薄壁堰，不宜在淹沒條件下工作。、三角形堰堰通常用于實驗室作小流量測量。當(dāng)堰為直角三角堰時:Q=.AHi/2O%)(10-9)圖 10-10適用條件：一門三、梯形薄壁堰當(dāng)時

6、的自由岀流時的梯形薄壁堰公式為:(10-10)說明：當(dāng)時，側(cè)收縮梯形堰傾斜部分所增加的流量，正好抵消矩形堰側(cè)收縮影響所減小的流量。即有側(cè)收縮的t的梯形堰作自由岀流時的流量等于沒有側(cè)收縮的自由岀流矩形堰的流量。注：以上三類薄壁堰的流量計算公式均是指自由出流。b圖 10-11問題1：當(dāng)用矩形薄壁堰來測量流量時， , 下，水流最穩(wěn)定，測量精度最高A. 有側(cè)收縮 自由岀流；B.有側(cè)收縮淹沒岀流；C.無側(cè)收縮 自由岀流；D.無側(cè)收縮淹沒岀流。問題2:為保證薄壁堰為自由岀流，應(yīng)滿足：A. 堰上水頭盡量小，水舌下游空間應(yīng)與大氣相通；B. 堰上水頭不宜過小，水舌下游空間應(yīng)與大氣相通;C. 堰上水頭盡量小，水舌

7、下游空間不應(yīng)與大氣相通；D. 堰上水頭不宜過小，水舌下游空間不應(yīng)與大氣相通。第三節(jié)實用堰實用堰的主要用途：用作蓄水建筑物一一壩，或凈水建筑物的溢流設(shè)備，如圖10-12實用堰比了耳古左左2)f折線型實用堰 曲線型實用堰1復(fù)合型實用堰圖 10-12一、曲線型實用堰 (圖10-13)1. 真空實用堰、非真空實用堰非真空實用堰(non-vacuum weir ):若堰面的剖面曲線基本上與堰的水舌下緣外形相符，水流作用于堰面上的壓強仍近似為大氣壓強，這種堰稱為非真空實用堰。真空實用堰(vacuum weir ):若堰面的剖面曲線低于堰的水舌下緣，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

8、堰稱為真空實用堰。選擇：當(dāng)曲線型實用堰的實際作用水頭大于設(shè)計水頭時，則過堰流量會：A.減??；B.增加； C.不變； D.不定。2曲線形實用堰的設(shè)計要求：堰面不發(fā)生負(fù)壓，流量系數(shù)大，堰剖面較小，工程量小，穩(wěn)定安全。堰型：目前工程界廣泛采用的是WES剖面堰。選擇：對于實用堰，對水流特性影響最大的是：A.上游直線；B.堰頂曲線； C.下游直線；D.反弧段。圖 10-13、流量公式 （10-11）式中：B B = nb，為全部閘孔凈寬;n閘孔的數(shù)目；b單個閘孔凈寬；側(cè)向收縮系數(shù)，有H廠172或+ （。知甘(10-12)式中：-邊墩和閘墩形狀系數(shù)圖10-14 邊墩值1 F圖 10-15中墩值三、實用堰的

9、淹沒判別實用堰淹沒判別與矩形薄壁堰的判別條件 相冋（即下游水位高過堰頂且發(fā)生淹沒水躍），其流量公式為:(10-13)式中：一一淹沒系數(shù)。第四節(jié)有坎寬頂堰、自由式無側(cè)收縮寬頂堰主要特點：進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深，此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深，以后形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，水面在堰尾第二次下降，如圖he為臨界水深）10-16。當(dāng)門時:直角邊緣進(jìn)口：m=0.32，圓角進(jìn)口： m=0.36取1-1，2-2斷面寫能量方程（4-15）:a = L0鳳一 （1 + C蚪則.直角邊緣進(jìn)口:= J】百J2鼠_去）=訶2戎 必）(10-14)令，則得寬頂堰的流量公式：Q = =朋必頁円一旬-&丞圧！辰鳳

10、址=擁辰盡嚴(yán)直角邊緣修圓:(10-13)7(10-15)式中：-一二一一堰進(jìn)口處的局部水頭損失;時，過堰流量為最大，m=0.385 J。2說明：1.根據(jù)伯朗日最大流量假設(shè)，當(dāng)一一流速系數(shù),2. 流體為理想流體時，則=0，即丫 =1.0，m=0.385m-一般地，m值在之間判斷：相同水頭的作用下，實用堰的過流能力比寬頂堰大。對】、側(cè)收縮寬頂堰（b0.圖 10-18充分條件:(10-18)h-tl.Z5130(10-19)h或流量公式亠（10-20）寬頂堰淹沒出流時堰頂?shù)牧鲃訝顟B(tài)是緩流。例：某矩形斷面渠道，為引水灌溉修筑寬頂堰 （如圖10-19八已知渠道寬 B=3m,堰寬b=2m,坎高P=Pi=1

11、m,堰上水頭H=2m,堰頂為直角進(jìn)口，單孔，邊墩為矩形，下游水深h=2m。試求過堰流量。圖 10-19解：（1）判別岀流形式hs=h-P=1m0 必要條件滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自由式溢流。b B，有側(cè)收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側(cè)收縮的寬頂堰。（2）計算流量系數(shù) m :堰頂為直角進(jìn)口，P/H=0.5(2 04耳妙=S,4Sm3/s本題計算誤差限值定為 1%則過堰流量為 Q=Q3） =8.48m3/s（5）校核堰上游流動狀態(tài)廠互爲(wèi)T響=例細(xì)仏0.P4279 8x3=0 174 1上游來流為緩流，流經(jīng)障壁形成堰流，上述計算有效。用迭代法求解寬頂堰 流量高次方程，是一種基本的

12、方法，但計算繁復(fù)，可編程用計算機求解。堰流的計算用表堰流芬埃判別標(biāo)準(zhǔn)計算問題及計算涉驟應(yīng)洼意的間題薄拒形堰計算間題Q =或叫）血行講涼速和側(cè)收縮的影響 一般包含在涼量系數(shù)呵中 水頭為堰前水頭丘壁三角堰l.33H 樂耳式中島 為WES堰的設(shè)計水頭）時，=0.502 o當(dāng)少疑時.択A叫當(dāng)時寬頂堰250.8H。堰流流量公式中的流量系數(shù)m和mO有什么區(qū)別？答案：:J - 中的.沒有計及行近流速-中的 考慮了行近流速的影響第五節(jié)無坎寬頂堰水流流經(jīng)小橋孔，由于受橋臺、橋墩的側(cè)向約束，使過水?dāng)嗝鏈p小，形成寬頂堰溢流。一般情況下，橋孔下坎高 P=P仁0,故小橋孔的過水是無底坎平底（i=0 ）的寬頂堰溢流。無坎

13、寬頂堰流形式在工程上有很多，如經(jīng)過平底水閘、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流等。因此可利用無坎寬頂堰的原理對上述相關(guān)工程的溢流能力進(jìn)行計算。2a自由岀流b淹沒出流圖 10-20一、無坎寬頂堰的水力計算1.流量系數(shù)形式在無坎寬頂堰中，流量系數(shù)經(jīng)驗值包含了側(cè)壓縮的影響，即；.因此由堰流基本公式（10-3）可得T為寬頂堰淹二U（ 10-21）式中：m為包含側(cè)收縮影響的流量系數(shù)，可據(jù)平面布置形成查水力計算手冊 沒系數(shù)。2.流速系數(shù)形式如圖所示，以坎底為基準(zhǔn)面，設(shè)1-1斷面的總水頭為 H0, 2-2斷面的水深（即坎頂實際水深）嗒為h2,平均流速為 u ,兩斷面之間的損失為。對1-1與2-2斷面列能量方程（4-

14、15 ）得即:(10-22 )式中霍； I、，流速系數(shù)由試驗給岀，可查資料確定，一般二、無坎寬頂堰出流判別標(biāo)準(zhǔn)在無坎寬頂堰中，其判別出流標(biāo)準(zhǔn)如下：自由岀流：ht1.3hc（10-24 ）式中：ht為下游河槽水深；hc為臨界水深。該判別標(biāo)準(zhǔn)與有坎寬頂堰的淹沒判別式（10-18）,基本上是一致的，現(xiàn)說明如下:實驗知/：s，?。?| .，二-，代入有0 R嘰=0.6147/,対鳳 1,3 或1.3hc=O.8Ho代入有坎寬頂堰的淹沒岀流條件式（10-18）得弋（無坎寬頂堰 hs=ht）（注意，這里的hc對應(yīng)過流寬度為 b,而不是。3. 計算橋前的壅水水深 H列橋前水深與橋下水流的能量方程：H+t 4

15、亠弋亠一旦=& +（】+亠一2g Zg Zg2g 2gJ3? 為流速系數(shù)，由橋臺形狀決定，則橋前壅水水深為:嶼2品也討 2g式中：U 0 橋前行進(jìn)流速，當(dāng)U 0 1?時，淹沒岀流，橋下水深為下游天然河槽水深ht4 ）確定橋孔孔徑 B、長度L;計算橋前的壅水水深Ho例：在某河道上有一鋼筋混凝土橋。該橋有一半圓形中墩d=1.0m，橋下斷面為梯形，m=1.5m。已知側(cè)收縮系數(shù)- =0.90，流速系數(shù)=0.90。根據(jù)河床土質(zhì)及加固條件，允許流速u=3.0m/s。當(dāng)橋孔通過設(shè)計流量Q=35ni/s，下游河槽天然水深ht=1.15m。試設(shè)計橋孔孔徑，橋前雍水水深。解：1.設(shè)計橋孔孔徑，求橋孔下臨界水深he

16、,取 u= u=3.0m/sF =0.918m貝H .： J ：ggt_ 9.81x35305-12.71mh =吧冥應(yīng)耳瓦=171 1271?二40 5蘭12一了1勺竽 _=1d2xw2x1,53,0判別橋下水流狀態(tài)：由h=1.15m ; 1.3 he= 1.3 X 1.05=1.365m則h1.3 he，為自由岀流。9.8x3531.0 = 14.1 + 1.015 lm,取B =16m2.計算橋前雍水水深如行進(jìn)流速 U0忽略不計，則:0918Ko71.05 + 0.566 = 1.616m（注：因標(biāo)準(zhǔn) B=16m時接近設(shè)計 B=15.1m，故he用B=15.1m時的he值1. 05m計算，誤差許可。）本章小結(jié)一、堰流特點及分類堰流是明渠水流受豎向（或側(cè)向）收縮而引起雍高而后跌落（或二次跌落）的局部水流現(xiàn)象，在堰上游積聚的勢能于跌落中轉(zhuǎn)化為動能，在計算中不考慮沿程水頭損失。根