堰流及闸孔出流

堰流及闸孔出流辽宁大学环境学院程志辉yuanfang696@INDEX堰的类型及堰流的基本公式薄壁堰宽顶堰的水力计算实用断面堰的水力计算闸孔出流Hvδ堰流及其特征在明渠流中，为控制水位或控制流量而设置构筑物，使水流溢过构筑物的流动称为堰流，该构筑物称为堰。堰流的水力特性如下：

1、堰的上游水面壅高，势能增大；在堰顶上水面下跌；

2、堰流一般从缓流向急流过渡，属于急变流。堰流的水力计算主要考虑局部阻力；

3、水流在流过堰顶时，具有自由表面的液流在表面张力的作用下，水流会收缩。堰的分类以堰顶的宽度δ与堰上水头H的比值分类：（1）薄壁堰（2）实用堰（3）宽顶堰堰的分类按上游渠道宽度B与堰宽b的相互大小分：无侧收缩堰——上游渠道宽度B等于堰宽b；有侧收缩堰——渠宽B大于堰宽b。按水流与堰的流动方向分：正堰——水流方向与堰正交；斜堰——水流方向与堰非正交；侧堰——水流方向与堰平行。堰流的基本方程H0kH0矩形薄壁堰按堰口形状的不同，分为矩形堰、三角形堰、梯形堰、比例堰等。三角形堰常用于较小的流量，矩形和梯形堰常用于量测较大的流量。（b=0.2-2.0m，H=0.10-1.24m，p＜1.1m）三角形薄壁堰θ=900，H=0.05—0.25mθ=900，H=0.25—0.55m梯形薄壁堰当梯形的θ=14°，由实验得mo=0.42比例堰：流量Q与作用水头H成直线关系竖井堰：也称环堰，是在平面上成圆形的溢流堰

其他堰无侧收缩宽顶堰自由出流Hpp'L'δvohcovcchc水流特征：因堰对水流的约束，进口前水位壅高，进入堰顶后水流产生跌落，并有垂向收缩，水深为hc，而后在跌坎处再次跌落，形成所谓二次跌落现象，堰顶上水流为急流。无侧收缩宽顶堰自由出流m=0.32

m=0.36

矩形直角进口：矩形圆弧进口：无侧收缩宽顶堰淹没出流淹没条件：必要条件：下游水位高于堰顶充分条件：堰顶上急流变为缓流综合条件：流量公式：侧收缩宽顶堰出流式中：a——墩形系数，矩形为0.19；圆形为0.10收缩条件：堰宽b小于上游渠道宽B流量公式：流量系数：

例：某矩形断面渠道，已知渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坝高p=p’=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，墩头为矩形，下游水深h=2m，试求过堰流量。解：（1）判别出流形式即满足淹没溢流必要条件，但不满足充分条件，为自由式溢流，同时b＜B，有侧向收缩。综上，本堰为自由溢流有侧向收缩的宽顶堰。

（2）计算流量系数m堰顶为直角进口，p/H=0.5＜3（3）计算侧收缩系数（4）计算流量本题计算限定计算误差为1%，当前后两次试算的值满足限定误差要求时，可认为该值为最终值。则过堰流量为Q=Q（3）=8.48m3/s。例：某矩形断面渠道，已知渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坝高p=p’=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，墩头为矩形，下游水深h=2.75m，试求过堰流量。解：（1）判别出流形式即满足淹没式溢流条件，同时b＜B，所以，本堰为淹没式有侧向收缩的宽顶堰流。（2）计算流量系数m堰顶为直角进口，p/H=0.5＜3（3）计算侧收缩系数（4）计算流量第一次：第二次：第三次：本题计算限定计算误差为1%，当前后两次试算的值满足限定误差要求时，可认为该值为最终值。则过堰流量Q=8.05m3/s。实用堰（a）曲线型；（b）折线型实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄流的构筑物，按其剖面形式可分为曲线型实用堰和折线型实用堰（部分小型堰或临时性堰经常采用）。曲线型实用堰有非真空堰和真空堰两种如果曲线与同样条件下薄壁堰自由出流的水舌下缘相重合，堰面压强为大气压强.此时流量系数m与薄壁堰基本相当。如果曲线突出水舌下缘，则堰面将顶托水流。堰面的压强应大于大气压强。堰前总水头中的一部分势能将转换成压能，过水能力就会降低。上述两类堰都称为非真空堰。曲线型——真空堰如果堰面低于水舌下缘，溢流水舌将脱离堰面。脱离处空气被水舌卷吸带走，堰面处会形成局部真空。优点——过水能力会得到提高缺点——水流不稳定，会引起构筑物的振动，而且可能在堰面产生空穴，导致堰面损坏。理想的剖面形状应使堰面曲线与薄壁堰水舌下缘重合，这样既不产生真空，又有比较大的过水能力。常用形式——克里格尔-奥菲采洛夫剖面堰、美国WES标准剖面堰、长研1型剖面堰等。实用堰的计算流量系数：曲线形m0=0.45；折线形m0=0.42流量公式：淹没影响：hs=h-p＞0侧面收缩影响：B＞b小桥孔径的水力计算特征：小桥的底板一般与河床底板齐平。由于桥墩受侧向收缩的影响，使水流的过水断面变小，形成局部阻力。水流在桥孔前水位壅高，进入桥孔后，流速增加，造成水面一次跌落；当水流流出桥孔后，由于水面变宽，又产生局部阻力，使水面再一次跌落。计算特点：运用宽顶堰流的理论，水力现象与宽顶堰水流过程相似。 水力计算的准备已知数据：根据水文资料决定的设计流量Q，按河道情况决定的对应于设计流量的天然水深H（下游）。设计选定：按河床加固情况以避免冲刷而拟定的最大允许不冲流速v。主要任务：设计小桥孔径b及桥前抬高水深H1。方案评价：小桥孔径愈小，造价愈低，但小桥前抬高水深就愈大，会影响农田或路基高度。桥下流速也愈大，使河床加固费用也愈大。反之，小桥孔径愈大，则桥前水深和桥下流速就会减少，但小桥本身的造价却增加。因此，最后应以建筑技术、造价经济等方案比较来决定。出流形式：根据桥下水深与下游水深的不同比值，可分为自由式出流和淹没式出流两种。

1.计算临界水深：以不冲允许流速v’计算桥下河槽的临界水深，已知设计流量Q桥孔过水断面为矩形，设宽度为b，因侧收缩影响，有效宽度为εb，断面水深为2.计算小桥孔径：判别桥孔出流形式并计算孔径。自由出流：h＜1.3hc，桥下河槽水深hc0=ψhc淹没出流：h＞1.3hc，桥下河槽水深hc0=h实际工程中常采用标准孔径，铁路、公路桥梁的标准孔径有4、5、6、8、1、12、16、20（m）等多种。3.按采用的标准孔径验算桥孔过流情况：按采用的标准孔径B，重新计算hc，判别桥孔出流形式并计算桥下河槽的流速v。自由出流：h＜1.3hc淹没出流：h＞1.3hcv应小于v’，以保证桥下河槽不发生冲刷。4.计算桥梁壅水：自由出流：淹没出流：例：由水文计算已知小桥设计流量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=0.90；ε=0.85；ψ=0.80。试设计此小桥孔径。解：（1）计算临界水深1.3hc