流体力学第七章堰流[课堂课资]

1、1章节内容 7-1 7-1 堰流的定义及类型堰流的定义及类型 水流受到堰体的阻挡，或者受两侧墙体水流受到堰体的阻挡，或者受两侧墙体 的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经 堰体下泄，这一局部水流现象称为堰体下泄，这一局部水流现象称为堰流堰流。 堰流的能量损失主要是局部水头损失，堰流的能量损失主要是局部水头损失， 沿程水头损失可忽略不计。沿程水头损失可忽略不计。 2章节内容 堰流的类型堰流的类型 薄壁堰薄壁堰/ /H H 0.67 0.67 实用堰实用堰0.670.67/ /H H2.52.5 宽顶堰宽顶堰 2.52.5/ /H H 10 10 3章节内容

2、7-2 7-2 堰流的水力计算堰流的水力计算 对堰前断面及堰顶断面列能量方程式：对堰前断面及堰顶断面列能量方程式： g v g v h g v H 222 2 1 2 11 1 2 00 01 2 00 0 , 2 Hh g v HH )1(2 1 0 1 1 gHv 4章节内容 2 3 0 00 1 1 2)1( )1(2 1 Hgbk bkHgHAvQ ，堰堰流流的的流流量量系系数数其其中中)1( km 2 3 0 2 HgmbQ 5章节内容 一、薄壁堰的水力计算一、薄壁堰的水力计算 1 1、矩形薄壁堰、矩形薄壁堰 2/3 0 2 HgbmQ （行近流速水头计入流量系数）（行近流速水头计入

3、流量系数） P H H m053. 0 0007. 0 403. 0 0 适用范围适用范围 ：H H0.025m0.025m，H/P2H/P2，P P0.3m0.3m RehbockRehbock公式：公式： 6章节内容 2 0 55. 01 0027. 0 405. 0 PH H H m 适用范围：适用范围：H=0.05H=0.051.24m1.24m，b=b= 0.20.22m2m， P=0.25P=0.251.13m1.13m BazinBazin公式：公式： 7章节内容 2 2、三角形薄壁堰、三角形薄壁堰 在在H H0.05m0.05m，Q Q0.1m0.1m3 3/s/s时，宜采用三

4、角时，宜采用三角 形薄壁堰作为量水堰形薄壁堰作为量水堰 。 8章节内容 5 . 2 47. 1HQ 适用范围：适用范围：=90=90,H=0.05,H=0.050.25m0.25m ThompsonThompson公式公式： 47. 2 343. 1HQ 适用范围：适用范围：=90=90,H=0.25,H=0.250.55m0.55m 金格公式金格公式： 9章节内容 5 . 2 CHQ 适用范围：适用范围：0.5mB1.2m0.5mB1.2m， 0.1mP0.75m0.1mP0.75m， 0.07mH0.26m 0.07mH0.26m ，且，且 HB/3 HB/3 沼知沼知- -黑川黑川- -

5、渊泽公式渊泽公式： 2 09. 0 2 . 0 14. 0 004. 0 354. 1 B H PH C 10章节内容 二、实用堰的水力计算二、实用堰的水力计算 实用堰主要用作蓄水又能泄水的挡水建筑物实用堰主要用作蓄水又能泄水的挡水建筑物 坝坝 ，其剖面可设计成曲线或折线两类。，其剖面可设计成曲线或折线两类。 11章节内容 真空堰：真空堰：堰顶曲线堰顶曲线低于低于无侧收缩矩形薄壁堰水无侧收缩矩形薄壁堰水 舌下缘曲线，水舌脱离堰面。流速大，流量也大，舌下缘曲线，水舌脱离堰面。流速大，流量也大， 但如果真空值过大，会使堰面产生空蚀破坏。但如果真空值过大，会使堰面产生空蚀破坏。 非真空堰：非真空堰：

6、堰顶曲线堰顶曲线接近或稍高于接近或稍高于无侧收缩矩无侧收缩矩 形薄壁堰水舌下缘曲线。堰顶曲线高出无侧收缩形薄壁堰水舌下缘曲线。堰顶曲线高出无侧收缩 矩形薄壁堰水舌下缘曲线越多，流速越小，对溢矩形薄壁堰水舌下缘曲线越多，流速越小，对溢 流越不利。流越不利。 12章节内容 1.1.曲线型实用堰的剖面形状曲线型实用堰的剖面形状 E Hd P1 P2 A B C D O mc 上游直线段：上游直线段：AB 堰顶曲线段：堰顶曲线段：BC 下游直线段：下游直线段：CD，坡度，坡度 mc =cot 下游河底连接反弧段：下游河底连接反弧段：DE 13章节内容 上游直线上游直线 ABAB 段：垂直，或倾斜段：垂

7、直，或倾斜, , 取决于取决于 溢流坝体的强度和稳定要求。溢流坝体的强度和稳定要求。 反弧段反弧段DEDE：使直线：使直线CDCD与下游河底平滑连与下游河底平滑连 接，避免水流冲刷河床。接，避免水流冲刷河床。 648 .11 162128. 3 10305. 0 d d x H Hv x R 14章节内容 堰顶曲线堰顶曲线BCBC 对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面 形状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状与形状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状与 薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流 能力最大。但实际中不可能

8、完全吻合。原因：能力最大。但实际中不可能完全吻合。原因： 水位波动，水舌不稳定（紊动影响）。水位波动，水舌不稳定（紊动影响）。 15章节内容 实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水 舌下缘曲线稍加修改而成。舌下缘曲线稍加修改而成。 16章节内容 WESWES剖面剖面 该剖面用曲线方程表示，便于控制，该剖面用曲线方程表示，便于控制， 堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较 理想，负压不大，对安全有利。理想，负压不大，对安全有利。 17章节内容 y R1 R2 R3 x x y y /Hd= k ( x/Hd )n 0.276Hd 0.1

9、75Hd O 0.282Hd 式中，式中，k k，n n取决于堰上游面取决于堰上游面ABAB的斜率。的斜率。 当上游面为垂直时当上游面为垂直时 k=0.5k=0.5，n=1.85n=1.85。 H Hd d为不包括行近流速水头的设计水头为不包括行近流速水头的设计水头 d d d HR HR HR 04. 0 20. 0 50. 0 3 2 1 18章节内容 堰剖面曲线的坐标值取决于设计水头堰剖面曲线的坐标值取决于设计水头H Hd d 。 两种极端情况两种极端情况: : （1 1）H Hd d=H=Hmaxmax可保证堰面不出现负压，但可保证堰面不出现负压，但 HHHHHHd d， 堰面产生较大

10、负压，严重时危及坝安全。堰面产生较大负压，严重时危及坝安全。 19章节内容 工程中经常采用工程中经常采用: P1 /Hd 1.331.33时，时， Hd= (0.750.95) Hmax P1 /Hd 1.331.33时，时， Hd= (0.650.75) Hmax 20章节内容 2.2.曲线型实用堰的流量系数曲线型实用堰的流量系数 对于不同堰型，流量系数不同。水力设计对于不同堰型，流量系数不同。水力设计 时，可参考有关文献。对于重要工程需要通时，可参考有关文献。对于重要工程需要通 过模型试验确定。过模型试验确定。 m = m (P1/Hd，H0/Hd，堰上游面坡度，堰上游面坡度) 21章节内

11、容 堰上游面垂直的堰上游面垂直的WES剖面：剖面： 高堰高堰：P1/Hd1.33 m=f(H0/Hd) 不计行近流速水头不计行近流速水头 设计流量系数设计流量系数 md= 0.502 H0/Hd=1，m=md=0.502 H0/Hd1，mmd H0/Hd1， mmd 22章节内容 低堰低堰:P:P1 1/H/Hd d1.331.33，行近流速加大，设计流，行近流速加大，设计流 量系数。量系数。 0241. 0 1 4987. 0 d d H P m 23章节内容 侧收缩系数用于考虑边墩及闸墩对过水能侧收缩系数用于考虑边墩及闸墩对过水能 力影响。力影响。 溢流坝都有边墩，多孔溢流坝还有闸墩。溢流

12、坝都有边墩，多孔溢流坝还有闸墩。 边墩和闸墩将使水流发生平面收缩，增大了局边墩和闸墩将使水流发生平面收缩，增大了局 部水头损失，降低过流能力。部水头损失，降低过流能力。 3.3.侧收缩系数侧收缩系数 24章节内容 实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔 成数个等宽堰孔。成数个等宽堰孔。 d b b b 边墩边墩 边墩边墩 闸墩闸墩 闸墩闸墩 25章节内容 侧收缩系数侧收缩系数与闸墩和边墩头部形状、溢与闸墩和边墩头部形状、溢 流孔数、堰上水头、溢流宽度有关。流孔数、堰上水头、溢流宽度有关。 2 3 0 2 HgmnbQ nb H n k 0 0 12 . 01 26

13、章节内容 堰下游可为堰下游可为 自由出流自由出流： 过流能力不受下游水位影响过流能力不受下游水位影响 淹没出流淹没出流： 过水能力降低过水能力降低 当下游水位高过堰顶至某一范围时当下游水位高过堰顶至某一范围时, 堰顶下堰顶下 游水位高于堰顶，堰下游为淹没水跃，过堰水游水位高于堰顶，堰下游为淹没水跃，过堰水 流受下游水位顶托。流受下游水位顶托。 4.4.下游水位及下游河床高程对过流能下游水位及下游河床高程对过流能 力的影响力的影响 27章节内容 有侧收缩实用堰有侧收缩实用堰淹没出流淹没出流的流量计算的流量计算 2 3 0 2 HgmnbQ s s s：淹没系数，表示淹没出流对过流：淹没系数，表示

14、淹没出流对过流 能力的影响，与能力的影响，与h hs s/H/H0 0 、P P2 2/H/H0 0 有关。有关。 28章节内容 h hs s/ /H H0 0（h hs s从堰顶算起的下游水深）从堰顶算起的下游水深） h hs s越大，下游水位的顶托作用越大，对越大，下游水位的顶托作用越大，对 过流能力影响越大。过流能力影响越大。 P P2 2 / /H H0 0 （P P2 2下游堰高）下游堰高） 当下游河床较高，当下游河床较高，P P2 2/ /H H0 0 较小时，即使较小时，即使 下游水位低于堰顶，过堰水流也会受下游河下游水位低于堰顶，过堰水流也会受下游河 床影响，产生类似的淹没效果

15、，降低床影响，产生类似的淹没效果，降低 过流能力。过流能力。 29章节内容 当当hs/H0 0.15且且P2/H0时，自由出流时，自由出流 ； 当当hs /H00.15或或P2/H0 2时，淹没出流时，淹没出流 。 30章节内容 三、宽顶堰的水力计算三、宽顶堰的水力计算 2.52.5/H/H1010时，进口处形成水面跌落，堰时，进口处形成水面跌落，堰 顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动，顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动， 称宽顶堰流。称宽顶堰流。 31章节内容 有坎宽顶堰流有坎宽顶堰流 底坎引起水流在底坎引起水流在垂直方向收缩。垂直方向收缩。 无坎宽顶无坎宽顶侧向收缩，侧向收缩，

16、堰流堰流 由于进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水由于进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水 流进入涵洞或隧洞进口流，施工围堰束窄的河床，流进入涵洞或隧洞进口流，施工围堰束窄的河床， 经过桥墩之间的水流。经过桥墩之间的水流。 32章节内容 （1）有坎宽顶堰流的水力计算）有坎宽顶堰流的水力计算 有坎宽顶堰出流会产生垂直、侧向收有坎宽顶堰出流会产生垂直、侧向收 缩，还受下游水位影响。缩，还受下游水位影响。 有坎宽顶堰流水力计算的基本公式为有坎宽顶堰流水力计算的基本公式为 2 3 0 2 HgmnbQ s 33章节内容 1 1）流量系数）流量系数 流量系数取决于堰顶进口形式、堰的流量系数取决于堰顶进口

17、形式、堰的 相对高度相对高度P P1 1/H/H。 堰顶入口为直角的宽顶堰堰顶入口为直角的宽顶堰 )30( 75. 046. 0 3 01. 032. 0 1 1 1 H P H P H P m 32.0,3 1 m H P 时时当当 34章节内容 堰顶入口为圆弧形的宽顶堰堰顶入口为圆弧形的宽顶堰 36.0,3 )30( 5 .12 .1 3 01.036.0 1 1 1 1 m H P H P H P H P m 时时当当 35章节内容 2 2）侧收缩系数）侧收缩系数 影响侧收缩的主要因素有闸墩和边墩影响侧收缩的主要因素有闸墩和边墩 头部形状、闸墩数目、闸墩在堰上相对位头部形状、闸墩数目、闸

18、墩在堰上相对位 置、堰上水头等。置、堰上水头等。 )1( 2 . 0 1 4 3 1 0 B b B b H P 36章节内容 适用条件：适用条件： b/Bb/B0.2 0.2 和和P P1 1/H/H3 3 b/B b/B0.20.2，取，取b/Bb/B0.20.2 P P1 1/H/H3 3，取，取P P1 1/H/H3 3 )1( 2 . 0 1 4 3 1 0 B b B b H P 37章节内容 单孔宽顶堰：用上述公式计算即可单孔宽顶堰：用上述公式计算即可 多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平 均值均值 。 n n )1( 其中，其中， 为中孔闸墩收缩系数，为中孔闸墩收缩系数，B=b+dB=b+d； 为边墩收缩系数为边墩收缩系数, B=b+2, B=b+2， 为边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。为边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。 38章节内容 d b b b 边墩边墩 边墩边墩 闸墩闸墩 闸墩闸墩 ：B=b+dB=b+d ：B=b+2B=b+2 39章节内容 3 3）宽顶堰的淹没影响）宽顶堰的淹没影响 堰顶水头及进口形式一定，当下游水堰顶水头及进口形式一定