第8章 堰流及闸孔出流

1、水力学教案第八章 堰 流目的要求：掌握堰流的基本概念和计算方法；小桥孔径的水力计算方法。全部为重点§8-1堰流的特点及其分类一、定义水流受到从河底（渠底）建起的建筑物（堰体）的阻挡，或者受两侧墙体的约束影响，使堰体上游产生壅水，水流经堰体下泄，下泄水流的自由表面为连续的曲面，这种水流现象称为堰流，这种建筑物称为堰（结合上图解释几个常用符号）。二、分类 薄壁堰：； 1 从堰的几何形状分： 实用堰：； 宽顶堰： 水舌下缘与堰顶只有线水舌下缘与堰顶呈面的进口迭落，水流受堰的接触，水面呈单一的接触，水流受堰顶的顶顶顶托，堰顶上水流降落曲线，水舌上、下托，但基本上还是重力流线近似平行。边界都是

2、大气压强。作用下的自由跌落。 自由出流：下游水深小，不影响堰的过流能力2 从下游水深对Q 的影响分 淹没出流：下游水深影响堰的过流能力 有侧收缩堰： B>b； 3从堰宽b和河宽B的大小分无侧收缩堰：B=b正堰：堰与水流方向正交4从水流方向分 斜堰：堰与水流方向不正交 侧堰：堰与水流方向平行§ 8-2 堰流的基本公式以薄壁堰为例推导，结果适用于其它堰型。以 为基准面，建立0-0和1-1断面的能量方程。 -堰上水头为1-1断面的平均测压管水头，因水舌被大气包围， 其中， 表示流速系数；b表示堰宽；e表示1-1断面的水舌厚。 令 堰流的基本公式： 或 以上推导是无侧收缩、无淹没的情况

3、。考虑侧向收缩和淹没影响， 淹没系数 侧收缩系数 m流量系数§ 8-3 薄壁堰一、矩形薄壁堰矩形堰通常用于实验室量测流量。1 完全堰1、渠宽与堰宽相同。条件 2、下游水位低于堰顶。3、堰上水头不宜过小（H>2.5cm），否则受表面张力作用。4、水舌下面的空间应与大气相通。薄壁堰通常的工作条件为无侧收缩，无淹没，此时： 其中 式中H以米计，该式的适用范围为：且。或 式中H以米计，该式的适用范围为：。 2 侧收缩堰有侧收缩时 其中 式中H以m计。3 淹没堰淹没条件：（1）必要条件：下游水位高于堰顶 （2）充分条件：下游产生淹没水跃判别公式： 或 其中：z为上下游水位差，为临界水跃时

4、上下游水位差，为下游堰高。淹没出流的计算公式为： 其中二、三角形薄壁堰 堰口形状为三角形称为三角堰，计算公式为： 量测较小流量，堰口夹角通常为90°，此时 式中H为堰顶水头，以cm计。三、梯形堰 堰口形状为梯形叫梯形堰。计算公式为： 其中： ，当14°时，流量系数不随H及b变化，且约为0.42。§8-4 实用堰(a)非真空堰 (b)真空堰实用堰主要用作蓄水挡水建筑物坝，或净水建筑物的溢流设备。根据堰的专门用途和结构本身稳定性要求，其剖面可设计成曲线形或折线形。曲线形实用堰又可分成非真空堰和真空堰两大类，如果堰的剖面曲线基本上与薄壁堰的水舌下缘外形相符，水流作用在堰

5、面上的压强仍近似为大气压强，称为非真空堰，如图8-4-1(a)所示。 若堰剖面曲线低于薄壁堰的水舌下缘，溢流水舌脱离堰面，脱离处的空气被水流带走而形成真空区，这种堰称为真空堰，如图8-4-1(b)所示。 真空堰由于堰面上真空区的存在，增加了堰的过水能力，即增大了流量系数。但是，由于真空区的存在，水流不稳定而引起建筑物的振动，且在堰面发生空穴现象，使坝过早地破损。 当建筑材料不便加工成曲线时，常采用折线多边形，如图8-4-2所示。实用堰的流量公式仍采用式(8-2-2)，即当无侧收缩、无淹没时，取1.0，1.0。 由于实用堰堰面对水舌有影响，所以堰壁的形状及尺寸对流量系数有影响，其精确数值应由模型

6、实验决定。在初步估算时，可取真空堰，非真空堰，折线多边形堰m0.350.42。侧收缩系数可用下式计算 式中，a为考虑坝墩形状影响的系数，矩形坝墩a0.2，半圆形或尖形坝墩a0.11，曲线形尖墩a=0.06。实用堰的淹没标准与薄壁堰相同，即下游水位高于堰顶，并且堰下游发生淹没式水跃。非真空堰淹没系数可由表8-1确定。表8-1 非真空堰淹没系数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 宽顶堰有坎宽

7、顶堰：存在垂直收缩宽顶堰 引起水面跌落无坎宽顶堰：水流宽度发生变化，产生侧向收缩 一、宽顶堰流的特点（1），垂直收缩的影响，流线收缩，水面下降，在断面达最小值（2处），以后水受阻力影响，水面微微上升，下游水位较低时产生第二次跌落。断面以后属急流渐变流，不受下游水位影响，自由出流。图a（2）下游水位上升达到线堰上水流仍属于急流，hc与下游水位无关，堰出口没有水面跌落，仍为自由出流。图b（3）当hs>hk，从hc hs发生水跃（超过幅度不大）。当水跃还没有淹没收缩断面时仍不变，此时Q仍不受下游水位影响，仍为自由出流。图c（4）下游水位再升高至，收缩断面被淹没，水跃消失，堰上水流为缓流，Q减小

8、，变为淹没出流。图d二、宽顶堰流量系数宽顶堰计算公式 当时，直角进口边缘；圆角进口边缘当时，堰顶进口为直角时， 堰顶进口为圆弧形， 三、侧收缩系数当宽顶堰溢流宽度较大时，同样需设置闸墩和边墩，产生侧收缩使减小，计算公式为：式中，为墩形系数，矩形边缘，圆形边缘。四、淹没条件及淹没系数宽顶堰淹没条件：当堰顶收缩断面被淹没时为淹没出流，实验结果为，值见下表：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、无坎宽顶堰无底坎有侧向收缩的宽顶堰称无坎宽顶堰。公式仍为： ：包括侧收缩系数在内的流量系数 。 近似采用有坎宽顶堰值。n为孔数。多孔时，因上游边界条件不同，边孔、中孔应分别计算（引出计算边孔的概念），计算中孔和边孔，加权平均= 。§ 8-6 小桥孔径水力计算小桥过水时由于侧向收缩使水位雍高再迭落，属无坎宽顶堰。一、小桥孔径的水力计算公式 若桥孔水流的临界水深为，实验证明：当桥下游水深为自由式小桥过水，见图a；为淹没式小桥过水，此种情况下通常认为桥下水深与

10、下游水深相等，见图b。根据宽顶堰理论，自由式小桥过水，令。在图a中以为基准面建立00和11断面的能量方程 令 桥下矩形过水断面的宽度为b，当水流发生侧向收缩时有效水流宽度为，则 同理可得淹没式小桥过流量公式为： 式中和分别为小桥的侧收缩系数和流速系数，与小桥进口形式有关，其实验值见下表：桥台形状收缩系数流速系数单孔、有堆体填土（堆体护坡）0.900.90单孔、有八字翼墙0.850.90多孔或无堆体填土多孔或桥台伸出堆体之外0.800.85拱脚浸水的拱桥0.750.80二、小桥孔径水力计算原则和步骤 设计桥孔的两个控制条件：（1）桥孔流速不超过桥下铺砌材料或天然土壤的不冲允许流速；（2）桥前壅水水位H不大于规范允许值，该值由路肩标高及桥梁梁底标高决定。 1、计算公式 若桥下过水断面宽度为b，当水流发生侧向收缩时，有效水流宽度为，则设计流量下的临界水深为： 将代入上式得： 在设计流量下若按允许流速设计，自由式小桥过水，则： 将自由式宽顶堰公式代入 ，得： 将与比较得： 再代入，得： 以上各式中的值，对于非平滑进口，；对于平滑进口，。 2、计算步骤 （1）从允许流速出发计算小桥孔径b ，校核是否淹没。自由式小