9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[e-mail]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67.0/H5.2/67.0H（2）实用堰（3）宽顶堰2.5/10H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222000222ccvvvHhgggH0kH00011212cvkgHkgH3322000122QvkHbkkgHmbgH3202sQmbgH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。2/302HgbmQ255.010027.0405.0pHHHmo（b=0.2-2.0m，H=0.10-1.24m，p＜1.1m）三角形薄壁堰2/54.1HQθ=900，H=0.05—0.25mθ=900，H=0.25—0.55m47.2343.1HQ梯形薄壁堰当梯形的θ=14°，由实验得mo=0.42232386.1242.0bHHgbQ比例堰：流量Q与作用水头H成直线关系kHQ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。2302HgmbQ无侧收缩宽顶堰自由出流HpHpmHp75.046.0301.032.00.30时，0.3Hpm=0.32HpHpmHp5.12.1301.036.00.30时，0.3Hpm=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：osHphh8.0'2/32ossHgmbQQ侧收缩宽顶堰出流2/32oHgmbQQBbBbHpa12.0143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'10shhpm00.80.80.821.6sHHmh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＜330.320.010.350.460.75pHmpH43110.9360.2abbBBpH3202QmbgH（3）计算侧收缩系数（4）计算流量)(22pHBQvgvHHooo，3332223(1)0(1)20.350.9362222.928.20/QmbgHgms(1)0(1)8.200.91/()9QvmsBHp220(1)0(2)0.9122.042219.6vHHmg33223(2)0(2)2.92.92.0428.46/QHms(2)0(2)8.460.94/()9QvmsBHp220(2)0(3)0.9422.045219.6vHHmg33223(3)0(2)2.92.92.0458.48/QHms(3)(2)(3)8.488.460.0028.48QQQ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sshmHHmphh6.128.08.08.0075.10'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＜330.320.010.350.460.75pHmpH43110.9360.2abbBBpH（3）计算侧收缩系数3202sQmbgH（4）计算流量)(22pHBQvgvHHooo，915.0,875.00SsHh第一次：smpHBQvsmHgmbQooos/833.0)(/50.72)1()1(32/3)1()1(smpHBQvsmHgmbQooo/889.0)(/00.82)2()2(32/3)2()2(第二次：00.86,0.95sShH220(1)0(2)0.83322.035219.6vHHmg220(1)0(2)0.88922.040219.6vHHmg第三次：00.858,0.952sShHsmHgmbQo/05.8232/3)3()3(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。(3)(2)(3)8.058.000.0068.05QQQ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。2302HgmbQ2/302HgbmQQss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＞b2/302HgbmQQ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232cQhgb0''ccQbhvbhv22'cvhg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'cQbhv淹没出流：h＞1.3hc，桥下河槽水深hc0=h'Qbhv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＜1.3hccQvBhQvBh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：202'2cvHHhHg202'2vHHhHg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2222'1.00.83.50.89.8cvhmg1.3hc=1.3×0.8=1.04m＞h=1.0m，此小桥过流为自由出流。（2）计算小桥孔径3015.8'0.850.80.83.5cQbmhv取标准孔径B=16m（3）重新计算临界水深2233221300.7929.80.8516cQhmgB1.3hc=1.3×0.792=1.03m＞h=1.0m，仍为自由出流。303.48/0.85160.80.792cQvmsBh桥孔的实际流速：v＜v’不会发生冲刷。（4）验算桥前壅水水深220223.480.80.7921.397219.60.9cvHHhmgH＜H’满足设计要求。