流体力学第七章堰流

堰流§7-1堰流的定义及类型水流受到堰体的阻挡，或者受两侧墙体的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经堰体下泄，这一局部水流现象称为堰流。堰流的能量损失主要是局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计。堰流的类型薄壁堰δ/H＜0.67实用堰0.67＜δ/H＜2.5宽顶堰2.5＜δ/H＜10§7-2堰流的水力计算对堰前断面及堰顶断面列能量方程式：gvgvhgvH222212111200012000,2HhgvHH)1(21011gHv23000112)1()1(21HgbkbkHgHAvQ，堰流的流量系数其中)1(km2302HgmbQ一、薄壁堰的水力计算1、矩形薄壁堰2/302HgbmQ（行近流速水头计入流量系数）PHHm053.00007.0403.00适用范围：H≥0.025m，H/P≤2，P≥0.3mRehbock公式：2055.010027.0405.0PHHHm适用范围：H=0.05～1.24m，b=0.2～2m，P=0.25～1.13mBazin公式：2、三角形薄壁堰在H＜0.05m，Q＜0.1m3/s时，宜采用三角形薄壁堰作为量水堰。5.247.1HQ适用范围：θ=90°,H=0.05～0.25mThompson公式：47.2343.1HQ适用范围：θ=90°,H=0.25～0.55m金格公式：5.2CHQ适用范围：0.5m≤B≤1.2m，0.1m≤P≤0.75m，0.07m≤H≤0.26m，且H≤B/3沼知-黑川-渊泽公式：209.02.014.0004.0354.1BHPHC二、实用堰的水力计算实用堰主要用作蓄水又能泄水的挡水建筑物——坝，其剖面可设计成曲线或折线两类。真空堰：堰顶曲线低于无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线，水舌脱离堰面。流速大，流量也大，但如果真空值过大，会使堰面产生空蚀破坏。非真空堰：堰顶曲线接近或稍高于无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线。堰顶曲线高出无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线越多，流速越小，对溢流越不利。1.曲线型实用堰的剖面形状EHdP1P2ABCDOαmc上游直线段：AB堰顶曲线段：BC下游直线段：CD，坡度mc=cotα下游河底连接反弧段：DE上游直线AB段：垂直，或倾斜,取决于溢流坝体的强度和稳定要求。反弧段DE：使直线CD与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床。648.11162128.310305.0ddxHHvxR堰顶曲线BC对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状与薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流能力最大。但实际中不可能完全吻合。原因：水位波动，水舌不稳定（紊动影响）。实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水舌下缘曲线稍加修改而成。WES剖面该剖面用曲线方程表示，便于控制，堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较理想，负压不大，对安全有利。yR3xxyy/Hd=k(x/Hd)n0.276Hd0.175HdO0.282Hd式中，k，n取决于堰上游面AB的斜率。当上游面为垂直时k=0.5，n=1.85。Hd为不包括行近流速水头的设计水头dddHRHRHR04.020.050.0321堰剖面曲线的坐标值取决于设计水头Hd。两种极端情况:（1）Hd=Hmax可保证堰面不出现负压，但HHd时，堰面压强为正；流量系数减小；堰剖面偏肥，不经济。（2）如果Hd=Hmin，可得到较经济剖面。但HHd，堰面产生较大负压，严重时危及坝安全。工程中经常采用:P1/Hd≥1.33时，Hd=(0.75～0.95)HmaxP1/Hd＜1.33时，Hd=(0.65～0.75)Hmax2.曲线型实用堰的流量系数对于不同堰型，流量系数不同。水力设计时，可参考有关文献。对于重要工程需要通过模型试验确定。m=m(P1/Hd，H0/Hd，堰上游面坡度)堰上游面垂直的WES剖面：高堰：P1/Hd≥1.33m=f(H0/Hd)不计行近流速水头设计流量系数md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m＜mdH0/Hd＞1，m＞md低堰:P1/Hd＜1.33，行近流速加大，设计流量系数。0241.014987.0ddHPm侧收缩系数用于考虑边墩及闸墩对过水能力影响。溢流坝都有边墩，多孔溢流坝还有闸墩。边墩和闸墩将使水流发生平面收缩，增大了局部水头损失，降低过流能力。3.侧收缩系数实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔。db’b’b’边墩边墩闸墩闸墩侧收缩系数ε与闸墩和边墩头部形状、溢流孔数、堰上水头、溢流宽度有关。2302HgmnbQnbHnk0012.01堰下游可为自由出流：过流能力不受下游水位影响淹没出流：过水能力降低当下游水位高过堰顶至某一范围时,堰顶下游水位高于堰顶，堰下游为淹没水跃，过堰水流受下游水位顶托。4.下游水位及下游河床高程对过流能力的影响有侧收缩实用堰淹没出流的流量计算2302HgmnbQsσs：淹没系数，表示淹没出流对过流能力的影响，与hs/H0、P2/H0有关。•hs/H0（hs从堰顶算起的下游水深）hs越大，下游水位的顶托作用越大，对过流能力影响越大。•P2/H0（P2下游堰高）当下游河床较高，P2/H0较小时，即使下游水位低于堰顶，过堰水流也会受下游河床影响，产生类似的淹没效果，降低过流能力。当hs/H0≤0.15且P2/H0≥时，自由出流；当hs/H0＞0.15或P2/H0≤2时，淹没出流。三、宽顶堰的水力计算2.5＜δ/H≤10时，进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动，称宽顶堰流。有坎宽顶堰流底坎引起水流在垂直方向收缩。无坎宽顶侧向收缩，堰流由于进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水流进入涵洞或隧洞进口流，施工围堰束窄的河床，经过桥墩之间的水流。（1）有坎宽顶堰流的水力计算有坎宽顶堰出流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。有坎宽顶堰流水力计算的基本公式为2302HgmnbQs1）流量系数流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P1/H。堰顶入口为直角的宽顶堰)30(75.046.0301.032.0111HPHPHPm32.0,31mHP时当堰顶入口为圆弧形的宽顶堰36.0,3)30(5.12.1301.036.01111mHPHPHPHPm时当2）侧收缩系数影响侧收缩的主要因素有闸墩和边墩头部形状、闸墩数目、闸墩在堰上相对位置、堰上水头等。)1(2.014310BbBbHP适用条件：b/B＞0.2和P1/H＜3b/B＞0.2，取b/B＝0.2P1/H＞3，取P1/H＝3)1(2.014310BbBbHP单孔宽顶堰：用上述公式计算即可多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平均值。nn)1(其中，为中孔闸墩收缩系数，B=b+d；为边墩收缩系数,B=b+2Δ，Δ为边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。db’b’b’边墩边墩闸墩闸墩：B=b+d：B=b+2Δ3）宽顶堰的淹没影响堰顶水头及进口形式一定，当下游水位逐渐升高，hs＞(0.75～0.85)H0时，宽顶堰形成淹没出流，过堰水流受到下游水的阻碍，流量减小。淹没系数σs随hs/H0增大而减小。（2）无坎宽顶堰流的水力计算无坎宽顶堰流水力计算的基本公式为2302HgnbmQsm注：为包含侧收缩影响的流量系数流量系数单孔堰：直接查表多孔堰：取中孔与边孔流量系数的加权平均值。自由出流（h＜1.3hk）：)(2101hHgbhQ（3）小桥孔径的水力计算h1——桥下水流断面深度；——流速系数；H0——堰前水流断面总水头；——侧身收缩系数。淹没出流（h≥1.3hk）：h——下游水深；——流速系数；H0——堰前水流断面总水头；——侧身收缩系数。)(20hHgbhQ