水力学课件第7章_堰流

1、水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受闸门控制而水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出门下缘间孔口流出时，这种水流状态时，这种水流状态叫做闸孔出流。当叫做闸孔出流。当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。，这种水流状态称为堰流。堰、闸水流的判别堰、闸水流的判别HeHe堰堰 流流闸

2、孔出流闸孔出流0.75eH0.75eH0.65eH0.65eH。堰流特征堰流特征堰流不受闸门控堰流不受闸门控制水面为一条光制水面为一条光滑的曲线。滑的曲线。v上游壅水，水流在重力上游壅水，水流在重力作用下运动，将势能转化作用下运动，将势能转化为动能的过程；为动能的过程；v急变流，能量损失主要急变流，能量损失主要是局部水头损失。是局部水头损失。堰高堰高P P1 1堰高堰高P P2 2堰顶厚度堰顶厚度堰顶厚度堰顶厚度堰顶厚度堰顶厚度堰宽堰宽b b堰顶水头堰顶水头H HHH按按/H/H分类分类/H/H0.670.67 薄壁堰流薄壁堰流0.670.67/H/H2.52.5 实用堰流实用堰流2.52.5

3、/H/H1010 宽顶堰流宽顶堰流曲线形曲线形折线形折线形有坎有坎无坎无坎按下游水位是否按下游水位是否对过堰水流有顶对过堰水流有顶托阻水的影响托阻水的影响有无侧向收缩有无侧向收缩无侧收缩堰流无侧收缩堰流 b=B有侧收缩堰流有侧收缩堰流bB堰流的基本公式堰流的基本公式应用能量方程式可推得应用能量方程式可推得过堰流量过堰流量堰宽堰宽堰顶全水头堰顶全水头2002VHHgHV0流量系数流量系数侧收缩系数侧收缩系数1s水力计算类型水力计算类型计算过堰流量计算过堰流量QQ计算堰上水头计算堰上水头H H设计堰宽设计堰宽b b薄壁堰流的水力计算薄壁堰流的水力计算 薄壁堰流具有稳定的水头和流量的关系，常作薄壁堰

4、流具有稳定的水头和流量的关系，常作为水力模型或野外测量中一种有效的量水工具。为水力模型或野外测量中一种有效的量水工具。v当矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流时，水流最当矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高；为稳定，测量精度也较高；v堰上水头不宜过小，一般不宜小于堰上水头不宜过小，一般不宜小于2.5m2.5m；v水舌下面的空间通气良好；水舌下面的空间通气良好；H如图所示，自由式时，两次跌水如图所示，自由式时，两次跌水 图图 有坎的宽顶堰流有坎的宽顶堰流l 有坎宽顶堰流有坎宽顶堰流 底坎引起水流在垂直方向收缩底坎引起水流在垂直方向收缩H00PPv011v1Hv0图图 隧洞或者涵洞

5、进口无坎宽顶堰流隧洞或者涵洞进口无坎宽顶堰流无坎宽顶堰流无坎宽顶堰流 由于侧向收缩，进口水面跌落，产生宽顶由于侧向收缩，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，经堰。例如，当水流进入涵洞或隧洞进口流，经过桥墩之间的水流。过桥墩之间的水流。图图 桥墩之间的无坎宽顶堰流桥墩之间的无坎宽顶堰流Hv0自由式自由式: :5 . 102 HgbmQ淹没式淹没式: :5 . 102 HgbmQs式中式中： 进口形式进口形式,Hpfm一般由经验公式确定一般由经验公式确定1 1 流量系数流量系数 流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P P/ /H

6、HH00Phv011v1（flow coefficient）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. 0301. 032. 0 HPHPHPmH00Phv011v1HPv0r堰顶入口为圆弧的宽顶堰堰顶入口为圆弧的宽顶堰36.0,3)30( 5 .12 .1301.036.0 mHPHPHPHPm当当 宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流，进口产宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流，进口产生第一次水面跌落（由于进口产生局部损失）生第一次水面跌落（由于进口产生局部损失）hSH00PPv02H11NNhc2 2 淹没影响淹没影响submerged effect 收缩断面：在进口约为

7、收缩断面：在进口约为2 2H H处处 h hc c h hn n，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。H00PPv02H11NNhS波状水跃波状水跃hc当当 时，下游水流绝对不会影响时，下游水流绝对不会影响堰顶溢水流性质堰顶溢水流性质0 sh ph 当当 时，时，为形成淹没式宽顶堰的为形成淹没式宽顶堰的必要条件必要条件实验证明，实验证明， 为形成淹没式为形成淹没式宽顶堰的充分条件宽顶堰的充分条件0 sh ph 08 . 0Hhs dbbb边墩边墩边墩边墩闸墩闸墩闸墩闸墩B3. 3. 侧收缩影响侧收缩影响 有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边有的堰顶过流宽

8、小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数数反映其影响。反映其影响。影响侧收缩的主要因素影响侧收缩的主要因素 1) 1) 闸墩和边墩头部形状闸墩和边墩头部形状; 2); 2)闸墩数目闸墩数目; ; 3) 3)闸墩在堰上相对位置闸墩在堰上相对位置; 4); 4)堰上水头等堰上水头等单孔宽顶堰单孔宽顶堰 BbBbHP12 . 0143 因因 故该潜水坝属故该潜水坝属于宽于宽顶堰顶堰 10,5 .294.2 H 图示为某矩形断面渠道中的直角进口无图示为某矩形断面渠道中的直角进口无侧收缩潜水坝。已知坝长侧收缩潜水坝。已知坝

9、长=2.5m=2.5m，坝顶水头，坝顶水头H H=0.85m=0.85m，坝高，坝高h hp p=h hp p=0.5m,=0.5m,坝下游水渠坝下游水渠h h=1.10m=1.10m，坝宽，坝宽b b=1.28m=1.28m，试求过坝流量，取，试求过坝流量，取动能修正系数动能修正系数a a=1.0=1.0满足宽顶堰淹没溢流的必要条件，但满足宽顶堰淹没溢流的必要条件，但不满足充分条件，故为自由式溢流不满足充分条件，故为自由式溢流0m6 . 05 . 010. 1 pshhhshHH m68. 085. 08 . 08 . 08 . 00因因 ，故由别列津斯基公式，故由别列津斯基公式得：得：35

10、88. 0 Hp347. 075. 046. 0301. 032. 0 HpHpmn n=0=0 ： /sm54. 131 Qn n=1 =1 ： /sm65. 132 Qn n=2 =2 ： /sm67. 133 Q因因 %1323 QQQ若该计算误差小于要求的误差限值，则过坝流量为若该计算误差小于要求的误差限值，则过坝流量为 /sm67. 133 QQ潜坝上游水流确为缓流，故上述计算有效潜坝上游水流确为缓流，故上述计算有效 m/s97. 0V0 pHbqV 1267. 0Fr0 pHgV 例：如图所示直角进口堰，堰顶厚度例：如图所示直角进口堰，堰顶厚度=5=5mm，堰宽与上游矩形渠道宽度相

11、同，堰宽与上游矩形渠道宽度相同，b=1.28b=1.28mm，求过，求过堰流量。堰流量。P1=0.5mH=0.85mh=1.12m解：（1 1）判别堰型）判别堰型55.880.85H（4 4）第二次近似计算流量）第二次近似计算流量3322320220.3466 1.2819.6 0.891.65/QmbgHm s222011022201.540.850.892219.6 (1.28 1.35)VQHHHmggA（3 3）第一次近似计算流量）第一次近似计算流量设设H H0101=H H=0.85=0.85mm332231020.3466 1.2819.60.851.54/QmbgHms（2 2）

12、确定系数）确定系数10.50.5930.85PH1130.320.010.34660.460.75PHmPH3322330320.3466 1.2819.60.901.68/QmbgHms222022032201.650.850.902219.6 (1.28 1.35)VQHHHmggA（5 5）第三次近似计算流量）第三次近似计算流量3231.68 1.651.79%1.68QQQ（6 6）验证出流形式）验证出流形式为自由出流，故所求流量为为自由出流，故所求流量为1.681.68mm3 3/ /s s。符合要求符合要求如图所示，小桥过流宏观上与宽顶堰溢流类似如图所示，小桥过流宏观上与宽顶堰溢流

13、类似桥下游水深桥下游水深式中：式中： 为桥下临界水深为桥下临界水深（critical depth critical depth ）ch自由式自由式（free stylefree style）chh3 . 1 chh3 . 1 淹没式淹没式（submerged type submerged type ）自由式：自由式： 11 chh式中：式中： 为桥孔水深为桥孔水深 为桥孔水流垂向收缩系数为桥孔水流垂向收缩系数1h淹没式：淹没式：hh 1水力计算原则主要从安全和经济两方面考虑水力计算原则主要从安全和经济两方面考虑 保证桥下不冲刷）保证桥下不冲刷）VV 桥下桥下 保证桥头路堤不淹没）保证桥头路堤不

14、淹没）HH 桥前桥前考虑标准孔径考虑标准孔径 （经济原则）（经济原则）bB （安全原则）（安全原则） 从从 出发进行设计出发进行设计VV 从从 出发进行设计出发进行设计HH 不管从何方案设计，都必须综合考虑不管从何方案设计，都必须综合考虑 、 、 三个因素，同时满足安全、经济原则三个因素，同时满足安全、经济原则VBH 以从以从 出发进行设计为例出发进行设计为例VV gVgVbgQhcc222322ccVhbQ VVc 试算图解法试算图解法hhcQ2gA3B ）自由式自由式hhc 3 . 1hhc 3 . 1淹没式淹没式 VhQVhQb 1（自由式）（自由式）（淹没式）（淹没式） 8152332

15、311892. 1 minmQh人工明渠人工明渠铁路、公路桥梁的标准孔径一般有铁路、公路桥梁的标准孔径一般有4m4m、5m5m、6m6m、8m8m、12m12m、16m16m、20m20m多种多种 选取标准孔径选取标准孔径B B后，需重新判别流动型态后，需重新判别流动型态 322BgQhc 自由式自由式hhc 3 . 1hhc 3 . 1淹没式淹没式bridge front backwater （Standard aperture ） BhQhBQBhQVc 1（自由式）（自由式）（淹没式）（淹没式） 桥前壅水桥前壅水H H HhHhgVHHc 2202（自由式）（自由式）（淹没式）（淹没式）由水文计算知小桥设计流量Q=30m3/s。根据下游河段流量-水位关系曲线，求得该流量时下游水深h=1.0m。由规范，桥前允许壅水水深H=2m，桥下允许流速v=3.5m/s。由小桥进口形式，查得各项系数：=0.9；=0.85;=0.80.试设计小桥孔径。例2： 1.3h1.3hc c=1.04m=1.04mh=1mh=1m，因此小桥为自由出流。，因此小桥为自由出流。 mgvhc8 . 08 . 95 . 38 . 00 . 12222 mvhQbc8 .155 . 38 . 08 . 085. 030 解：解：3