水力学2(33)

第九章堰流第33讲在明渠中设置障碍物，水流在障碍物上游产生壅水，并经障碍物形成缓流溢流的局部水力现象称为堰流。此障碍物称为堰。堰可以从底面或侧面约束水流，也可同时从底、侧两方面约束水流.如果堰上的水流受到闸门控制，水流经闸门下缘和堰顶之间的闸孔泄流，则称为闸孔出流。堰流与闸孔出流都是水流在局部区段由势能转化为动能的急变流过程，水头损失以局部水头损失为主，沿程水头损失可以忽略不计。它们的区别在于：堰流不受闸门控制，水面是光滑连续降落的；而闸孔出流则受闸门控制，闸孔上、下游的水面不连续。堰流及闸孔出流是水利工程和给水排水工程中常见的水流现象。本章应用水力学的基本原理，在恒定条件下，讨论堰流的水力特性及有关的水力计算方法。位高出堰顶的高度hs;堰上、下游坎高hp及;行近流速v0等.第一节堰流的分类及堰流基本公式一、堰流的分类如图，表征堰流的特征量有：堰宽b,即水流浸过堰顶的宽度;堰顶水头H,即堰上游水位在堰顶的最大超高,一般在堰上游（3~4）H处测量;堰壁厚度和它的剖面形状;下游水深及下游水phph根据堰顶溢流的情况，按堰壁厚度与堰前水头H的相对大小，可将堰流分为以下三类。（3）当时,称为宽顶堰.此时,堰顶对水流的顶托作用变得明显.进入堰顶水流受到堰的垂向约束,水流动能加大,势能减小,加之堰进口处的局部水头损失,使水面在堰的进口附近形成一次跌落.此后,水流在堰面的顶托作用下,水面先略有回升,（2）当时,称为实用堰.随着堰顶厚度的加大,堰流受到堰顶的约束和顶托,但影响还不大,过堰水流主要还是在重力作用下的自由跌落.实用堰根据其剖面形状,有曲线型实用堰和折线型实用堰两种.（1）当,称为薄壁堰.水流流经堰壁时,因惯性作用使堰顶水舌底部上弯.实验表明,水舌上弯后又回落到堰顶高程时,距上游堰壁面约0.67H.因此,薄壁堰（0.67H）的特点是堰顶水舌的下缘与堰顶只为线接触,水舌形状不受堰壁厚度影响.实际应用的薄壁堰,堰顶常做成锐缘形,故也称其为锐缘堰.0.67Hδ2.5Hδ0.6710Hδ2.5薄壁堰、实用堰和宽顶堰,虽然因边界条件不同引起堰流性质的差异,但它们都是可不计沿程水头损失的明渠缓流溢流.这种共性决定了三种形式的堰流应具有结构相同的基本公式,其差别则应表现在某些系数值的不同上.当后,水流的沿程水头损失已不能忽略,水流不再属于堰流,而是明渠流了.二、堰流基本公式然后几乎与堰顶平行.当下游水位较低时,水面在堰出口处会产生二次跌落.10Hδ根据堰下游水位对过堰流量是否有影响,将堰的出流方式分为自由出流(下游水位较低,不影响过堰流量)和淹没出流(下游水位较高,影响过堰流量)。根据堰宽度b与堰上游渠道宽度B是否相等,堰流可分为无侧收缩堰流(b=B)和侧收缩堰流(bB).根据能量方程可推得，无侧向收缩的自由堰流流量公式为式中为反映下游水位对过堰流量影响的系数，称为淹没系数；是反映堰流因侧收缩对过堰流量影响的系数，称为收缩系数。显然，和都小于1。230H2gmbQ式中为堰前总水头；m为反映堰流边界条件影响的系数，称为堰流流量系数。2gvαHH2000若考虑淹没出流和侧收缩的影响，可将上式改写为230H2gσεmbQ上述两式就是无侧向收缩的自由堰流和考虑淹没出流和侧收缩影响的堰流基本公式.下面分别讨论各种类型堰流的各项系数的计算方法.第二节薄壁堰式中m0为计入行近流速水头影响的流量系数，可由实验确定。薄壁堰是一种常用的量水设备.堰口形状主要有矩形和三角形两种,分别称为矩形薄壁堰和三角形薄壁堰.1．矩形薄壁堰无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流的流量可用式计算.为了能以实测的堰顶水头H直接计量流量,将行近流速水头的影响计入流量系数内,则上式可改写为230H2gmbQ230H2gbmQ1889年法国工程师巴赞提出的流量系数经验公式为])hHH0.55()[1H0.0027(0.405m2p0式中堰顶水头H、堰上游坎高hp均以m计.公式的适用范围是0.2mb2m，0.24mhp1.13m，0.05mH1.24m。1912年德国工程师雷布克提出的流量系数经验公式为H0.0007hH0.0530.403mp0式中堰顶水头H、堰上游坎高hp均以m计.实验表明,上式在0.10mhp1.0m,0.024mH0.6m,且的条件下，误差在0.5％以内.1hHp当堰宽度b小于上游渠道宽度B时，过堰水流产生侧收缩，使堰的过流能力降低。若将侧收缩的影响也归到流量系数中，并设流量系数为m。则修正后的巴赞经验公式为])Bb()hHH0.55()[1BbB0.03H0.0027(0.405m22p0式中H、hp、B、b均以m计。堰淹没出流的条件是：堰下游水位高于堰顶,即hs0,并且在堰的下游形成淹没式水跃.实验表明,矩形薄壁堰的此条件可具体表示为：hs0,且堰的上、下游水位差z与堰下游坎高之比堰淹没出流时,过流能力降低,下游水面波动较大,溢流不稳定.故用于量测流量用的薄壁堰,不宜在淹没出流条件下工作.当所量测的流量很小(Q0.1m3/s)时,因堰顶水头过小,使误差增大,一般改用三角形薄壁堰.三角堰可在小流量下得到较大的堰顶水头,从而可提高量测精度。ph0.7hzp因此,用于量测流量的矩形薄壁堰,应避免发生这种情况.2．三角形薄壁堰三角堰与矩形堰不同，其堰顶横向各点的水头是变化的。三角堰的三角形堰流面积，可以看成是许多高度不同的微小矩形断面面积的叠加,三角堰的流量就是这许多微小矩形堰流量的叠加.设三角堰顶的夹角为，自三角堰顶点算起的堰顶水头为H,则结合式可推得,三角形薄壁堰自由出流的流量公式为对于常用的=90的等腰直角三角形薄壁堰,当H=0.05~0.25m时,由实验得M=1.4,则流量公式为第三节实用堰230H2gmbQ25MHQ式中M是与和H有关的系数,可由实验确定。251.4HQ式中H以m计；Q以m3/s计。实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的水工建筑物,给水与污废水处理厂的溢流设备也是实用堰的例子.实用堰按剖面形状分为曲线型实用堰和折线型实用堰.曲线型实用堰的剖面，是按矩形薄壁堰自由出流时水舌下缘面的形状设计的。由于不同的堰顶水头，其水舌形状不同，当堰顶的实际水头超过堰顶的设计水头时，水舌下缘面将部分与坝面脱离，脱离处的空气被水流带走后形成真空，这种堰称为真空堰。真空堰可增大堰的过水能力，但真空区的存在，将引起水流不稳定和建筑物振动，真空度过大，还会使堰面发生气蚀损害。所以，真空堰一般较少使用。折线型实用堰多用于低溢流坝，用石料砌筑而成，其剖面形状多为梯形。实用堰的基本公式为式和式.其流量系数m与堰的剖面形状、尺寸和堰顶水头大小有关,可由实验具体确定.初步估算时,曲线型实用堰可取m=0.45,折线型实用堰可取m=0.35~0.42.230H2gmbQ230H2gσεmbQ第四节宽顶堰许多水工建筑物的水流性质，从水力学的观点看，一般都属于宽顶堰流。例如，小桥桥孔的过流，无压短涵管的过流和水利工程、灌溉工程中的各种水闸闸门全开时，都具有宽顶堰的水力性质。坎高为零的宽顶堰称为无坎宽顶堰。宽顶堰流的基本公式仍为式和230H2gmbQ230H2gσεmbQ一、宽顶堰的流量系数宽顶堰的流量系数m取决于堰顶的进口形式和堰的相对高度p/H,可采用下列经验公式计算：当堰顶进口为直角(如图a)时Hh0.750.46Hh30.010.32mpp(a)当堰顶进口为圆角(如图b)时Hh1.51.2Hh30.010.36mpp上两式的适用范围是0hp/H3.当hp/H3时,m可取上两式hp/H=3时的m值,即对于式（a）m=0.32,对于式（b）m=0.36.(b)二、宽顶堰的侧收缩系数当宽顶堰的溢流宽度较大时，需要分孔设置闸墩和边墩。其侧收缩系数的经验公式为Bb1BbHh0.2a1ε43p0式中的b和B分别为堰的溢流宽度和堰上游渠道宽度;a0为考虑墩形影响的系数。对于矩形闸墩(或边墩)a0=0.19,对于圆弧形闸墩(或边墩)a0=0.10.上式的适用条件是b/B0.2和hp/H3.当b/B0.2和hp/H3时,应采用b/B=0.2和hp/H=3.Bb1BbHh0.2a1ε43p0对于单孔宽顶堰(只有边墩),可直接应用上式计算侧收缩系数ε。对于多孔宽顶堰(既有边墩也有闸墩,如图),其侧收缩系数可由上式分别计算边孔和中孔的侧收缩系数,再由下式取加权平均值得到.即nεε1)(nε式中n为孔数;为中孔的侧收缩系数,按上式计算时,b为单孔净宽,B=b+d,(d为闸墩厚度);为边孔的侧收缩系数,按上式计算时,b为单孔净宽,B=b+2d'εε宽顶堰淹没出流时,堰顶中间段水面大致平行于堰顶,在堰的出口处,因水流的部分动能转换为势能,所以堰下游的水位是略高于堰顶水位的。(d'为边墩计算厚度,是边墩边缘与堰上游同侧水流边线间的距离)三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数实验表明，宽顶堰淹没出流的条件可近似为hs0.8H0宽顶堰的淹没系数随的增大而减小,其对应关系可查下表确定.0sHh淹没系数表0.800.810.820.830.840.850.860.870.880.891.000.9950.990.980.970.960.950.930.900.870.900.910.920.930.940.950.960.970.980.840.820.780.740.700.650.590.500.400sHh0sHh例题：书中P.180例8-1