水力学课件第7章-堰流

水力学

HYDRAULICS第7章堰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。水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流。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。堰、闸水流的判别HeHe堰流闸孔出流为控制水位和流量而设置的顶部溢流障蔽称为堰。堰流特征堰流不受闸门控制水面为一条光滑的曲线。上游壅水，水流在重力作用下运动，将势能转化为动能的过程；急变流，能量损失主要是局部水头损失。堰流的分类堰的外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同堰高P1堰高P2堰顶厚度δδ堰顶厚度δ堰顶厚度堰宽b堰顶水头HHH按δ/H分类δ/H<0.67

薄壁堰流0.67<δ/H<2.5

实用堰流2.5<δ/H<10

宽顶堰流曲线形折线形有坎无坎按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响自由堰流淹没堰流有无侧向收缩无侧收缩堰流

b=B有侧收缩堰流b≠B堰流的基本公式应用能量方程式可推得过堰流量堰宽堰顶全水头HV0流量系数侧收缩系数淹没系数水力计算类型计算过堰流量Q计算堰上水头H设计堰宽b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，常作为水力模型或野外测量中一种有效的量水工具。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；堰上水头不宜过小，一般不宜小于2.5m；水舌下面的空间通气良好；H§7-2宽顶堰溢流一、水流特点如图所示，自由式时，两次跌水broadcrestweir

图有坎的宽顶堰流

有坎宽顶堰流

底坎引起水流在垂直方向收缩H00PP’v0δ11v1Hv0图隧洞或者涵洞进口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。图

桥墩之间的无坎宽顶堰流Hv0二、流量公式自由式:淹没式:式中：一般由经验公式确定1流量系数

流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P/HH00Phv0δ11v1（flowcoefficient）堰顶入口为直角的宽顶堰H00Phv0δ11v1HPv0r堰顶入口为圆弧的宽顶堰

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）hSH00PP′v02H11NNhc2淹没影响submergedeffect

收缩断面：在进口约为2H处hc<hn

，为急流堰顶水流：保持急流出口附近:产生水面第二次跌落，为急流hSH00PP′v02H11NNhc随下游水位升高，下游逐渐升高到N-N线上，堰顶产生水跃，跃首随下游水位升高向上游移动P′H00Pv02H11NNhS波状水跃hc

试验证明：当hs≥(0.75-0.95)H0

时，水跃移动到收缩断面，收缩断面的水深增大到h>hn，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。H00PP′v02H11NNhS波状水跃hc淹没系数淹没标准当时，下游水流绝对不会影响堰顶溢水流性质当时，为形成淹没式宽顶堰的必要条件实验证明，为形成淹没式宽顶堰的充分条件dbbb边墩边墩闸墩闸墩B3.侧收缩影响有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数ε反映其影响。影响侧收缩的主要因素

1)闸墩和边墩头部形状;2)闸墩数目;3)闸墩在堰上相对位置;4)堰上水头等单孔宽顶堰[解]

因故该潜水坝属于宽顶堰[例1]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δ=2.5m，坝顶水头H=0.85m，坝高hp=hp′=0.5m,坝下游水渠h=1.10m，坝宽b=1.28m，试求过坝流量，取动能修正系数a=1.0三、宽顶堰溢流的计算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1.判别出流形式2.计算流量系数m

因，故由别列津斯基公式得：n=0

：n=1：n=2：因若该计算误差小于要求的误差限值，则过坝流量为3.计算流量Q

潜坝上游水流确为缓流，故上述计算有效4.校核潜坝上游流动状态

例：如图所示直角进口堰，堰顶厚度δ=5m，堰宽与上游矩形渠道宽度相同，b=1.28m，求过堰流量。P1=0.5mH=0.85mh=1.12m解：（1）判别堰型三、宽顶堰溢流的计算（4）第二次近似计算流量（3）第一次近似计算流量设H01=H=0.85m（2）确定系数（5）第三次近似计算流量（6）验证出流形式为自由出流，故所求流量为1.68m3/s。符合要求§7-4 小桥孔径水力计算一、小桥过流现象如图所示，小桥过流宏观上与宽顶堰溢流类似二、淹没标准（submergedcriterion）桥下游水深式中：为桥下临界水深（criticaldepth）自由式（freestyle）淹没式（submergedtype）三、计算图式自由式：式中：为桥孔水深

ψ

为桥孔水流垂向收缩系数淹没式：四、水力计算原则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）保证桥头路堤不淹没）考虑标准孔径（经济原则）（安全原则）五、设计方案从出发进行设计

从出发进行设计不管从何方案设计，都必须综合考虑、、三个因素，同时满足安全、经济原则六、小桥孔径水力计算方法以从出发进行设计为例1.计算桥孔临界水深hc试算图解法hhcQ2gA3B2.判别流动型态（modesofflow

）自由式淹没式3.计算小桥孔径b（自由式）（淹没式）人工明渠4.选取标准孔径B≥b铁路、公路桥梁的标准孔径一般有4m、5m、6m、8m、12m、16m、20m多种5.校核桥前壅水H

选取标准孔径B后，需重新判别流动型态自由式淹没式bridgefrontbackwater

（Standardaperture）

桥孔流速V（自由式）（淹没式）

桥前壅水H（自由式）（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：φ=0.9；ε=0.85;ψ=0.80.试设计小桥孔径。例2：1、计算临界水深hc:

1.3h