水力學課件第7章_堰流

1、水利工程中為了泄水或引水，常修建水閘或溢流水利工程中為了泄水或引水，常修建水閘或溢流壩等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。壩等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受閘門控制而水流受閘門控制而從建筑物頂部與閘從建筑物頂部與閘門下緣間孔口流出門下緣間孔口流出時，這種水流狀態(tài)時，這種水流狀態(tài)叫做閘孔出流。當叫做閘孔出流。當頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對水流不起控制作用時，水流從建筑物頂部自由下泄水流不起控制作用時，水流從建筑物頂部自由下泄，這種水流狀態(tài)稱為堰流。，這種水流狀態(tài)稱為堰流。堰、閘水流的判別堰、閘水流的判別HeHe堰堰 流流閘

2、孔出流閘孔出流0.75eH0.75eH0.65eH0.65eH。堰流特征堰流特征堰流不受閘門控堰流不受閘門控制水面為一條光制水面為一條光滑的曲線?；那€。v上游壅水，水流在重力上游壅水，水流在重力作用下運動，將勢能轉(zhuǎn)化作用下運動，將勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程；為動能的過程；v急變流，能量損失主要急變流，能量損失主要是局部水頭損失。是局部水頭損失。堰高堰高P P1 1堰高堰高P P2 2堰頂厚度堰頂厚度堰頂厚度堰頂厚度堰頂厚度堰頂厚度堰寬堰寬b b堰頂水頭堰頂水頭H HHH按按/H/H分類分類/H/H0.670.67 薄壁堰流薄壁堰流0.670.67/H/H2.52.5 實用堰流實用堰流2.52.5

3、/H/H1010 寬頂堰流寬頂堰流曲線形曲線形折線形折線形有坎有坎無坎無坎按下游水位是否按下游水位是否對過堰水流有頂對過堰水流有頂托阻水的影響托阻水的影響有無側(cè)向收縮有無側(cè)向收縮無側(cè)收縮堰流無側(cè)收縮堰流 b=B有側(cè)收縮堰流有側(cè)收縮堰流bB堰流的基本公式堰流的基本公式應用能量方程式可推得應用能量方程式可推得過堰流量過堰流量堰寬堰寬堰頂全水頭堰頂全水頭2002VHHgHV0流量系數(shù)流量系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)1s水力計算類型水力計算類型計算過堰流量計算過堰流量QQ計算堰上水頭計算堰上水頭H H設計堰寬設計堰寬b b薄壁堰流的水力計算薄壁堰流的水力計算 薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量的關(guān)系，常作薄壁堰

4、流具有穩(wěn)定的水頭和流量的關(guān)系，常作為水力模型或野外測量中一種有效的量水工具。為水力模型或野外測量中一種有效的量水工具。v當矩形薄壁堰無側(cè)收縮，自由出流時，水流最當矩形薄壁堰無側(cè)收縮，自由出流時，水流最為穩(wěn)定，測量精度也較高；為穩(wěn)定，測量精度也較高；v堰上水頭不宜過小，一般不宜小于堰上水頭不宜過小，一般不宜小于2.5m2.5m；v水舌下面的空間通氣良好；水舌下面的空間通氣良好；H如圖所示，自由式時，兩次跌水如圖所示，自由式時，兩次跌水 圖圖 有坎的寬頂堰流有坎的寬頂堰流l 有坎寬頂堰流有坎寬頂堰流 底坎引起水流在垂直方向收縮底坎引起水流在垂直方向收縮H00PPv011v1Hv0圖圖 隧洞或者涵洞

5、進口無坎寬頂堰流隧洞或者涵洞進口無坎寬頂堰流無坎寬頂堰流無坎寬頂堰流 由于側(cè)向收縮，進口水面跌落，產(chǎn)生寬頂由于側(cè)向收縮，進口水面跌落，產(chǎn)生寬頂堰。例如，當水流進入涵洞或隧洞進口流，經(jīng)堰。例如，當水流進入涵洞或隧洞進口流，經(jīng)過橋墩之間的水流。過橋墩之間的水流。圖圖 橋墩之間的無坎寬頂堰流橋墩之間的無坎寬頂堰流Hv0自由式自由式: :5 . 102 HgbmQ淹沒式淹沒式: :5 . 102 HgbmQs式中式中： 進口形式進口形式,Hpfm一般由經(jīng)驗公式確定一般由經(jīng)驗公式確定1 1 流量系數(shù)流量系數(shù) 流量系數(shù)取決于堰頂進口形式、堰的相對高度流量系數(shù)取決于堰頂進口形式、堰的相對高度P P/ /H

6、HH00Phv011v1（flow coefficient）堰頂入口為直角的寬頂堰堰頂入口為直角的寬頂堰)30( 75. 046. 0301. 032. 0 HPHPHPmH00Phv011v1HPv0r堰頂入口為圓弧的寬頂堰堰頂入口為圓弧的寬頂堰36.0,3)30( 5 .12 .1301.036.0 mHPHPHPHPm當當 寬頂堰為自由出流時，堰前為緩流，進口產(chǎn)寬頂堰為自由出流時，堰前為緩流，進口產(chǎn)生第一次水面跌落（由于進口產(chǎn)生局部損失）生第一次水面跌落（由于進口產(chǎn)生局部損失）hSH00PPv02H11NNhc2 2 淹沒影響淹沒影響submerged effect 收縮斷面：在進口約為

7、收縮斷面：在進口約為2 2H H處處 h hc c h hn n，整個斷面為緩流狀態(tài)，成為淹沒出流。，整個斷面為緩流狀態(tài)，成為淹沒出流。H00PPv02H11NNhS波狀水躍波狀水躍hc當當 時，下游水流絕對不會影響時，下游水流絕對不會影響堰頂溢水流性質(zhì)堰頂溢水流性質(zhì)0 sh ph 當當 時，時，為形成淹沒式寬頂堰的為形成淹沒式寬頂堰的必要條件必要條件實驗證明，實驗證明， 為形成淹沒式為形成淹沒式寬頂堰的充分條件寬頂堰的充分條件0 sh ph 08 . 0Hhs dbbb邊墩邊墩邊墩邊墩閘墩閘墩閘墩閘墩B3. 3. 側(cè)收縮影響側(cè)收縮影響 有的堰頂過流寬小于上游渠寬；堰頂設閘墩及邊有的堰頂過流寬

8、小于上游渠寬；堰頂設閘墩及邊墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過流能力，用側(cè)收縮系墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過流能力，用側(cè)收縮系數(shù)數(shù)反映其影響。反映其影響。影響側(cè)收縮的主要因素影響側(cè)收縮的主要因素 1) 1) 閘墩和邊墩頭部形狀閘墩和邊墩頭部形狀; 2); 2)閘墩數(shù)目閘墩數(shù)目; ; 3) 3)閘墩在堰上相對位置閘墩在堰上相對位置; 4); 4)堰上水頭等堰上水頭等單孔寬頂堰單孔寬頂堰 BbBbHP12 . 0143 因因 故該潛水壩屬故該潛水壩屬于寬于寬頂堰頂堰 10,5 .294.2 H 圖示為某矩形斷面渠道中的直角進口無圖示為某矩形斷面渠道中的直角進口無側(cè)收縮潛水壩。已知壩長側(cè)收縮潛水壩。已知壩

9、長=2.5m=2.5m，壩頂水頭，壩頂水頭H H=0.85m=0.85m，壩高，壩高h hp p=h hp p=0.5m,=0.5m,壩下游水渠壩下游水渠h h=1.10m=1.10m，壩寬，壩寬b b=1.28m=1.28m，試求過壩流量，取，試求過壩流量，取動能修正系數(shù)動能修正系數(shù)a a=1.0=1.0滿足寬頂堰淹沒溢流的必要條件，但滿足寬頂堰淹沒溢流的必要條件，但不滿足充分條件，故為自由式溢流不滿足充分條件，故為自由式溢流0m6 . 05 . 010. 1 pshhhshHH m68. 085. 08 . 08 . 08 . 00因因 ，故由別列津斯基公式，故由別列津斯基公式得：得：35

10、88. 0 Hp347. 075. 046. 0301. 032. 0 HpHpmn n=0=0 ： /sm54. 131 Qn n=1 =1 ： /sm65. 132 Qn n=2 =2 ： /sm67. 133 Q因因 %1323 QQQ若該計算誤差小于要求的誤差限值，則過壩流量為若該計算誤差小于要求的誤差限值，則過壩流量為 /sm67. 133 QQ潛壩上游水流確為緩流，故上述計算有效潛壩上游水流確為緩流，故上述計算有效 m/s97. 0V0 pHbqV 1267. 0Fr0 pHgV 例：如圖所示直角進口堰，堰頂厚度例：如圖所示直角進口堰，堰頂厚度=5=5mm，堰寬與上游矩形渠道寬度相

11、同，堰寬與上游矩形渠道寬度相同，b=1.28b=1.28mm，求過，求過堰流量。堰流量。P1=0.5mH=0.85mh=1.12m解：（1 1）判別堰型）判別堰型55.880.85H（4 4）第二次近似計算流量）第二次近似計算流量3322320220.3466 1.2819.6 0.891.65/QmbgHm s222011022201.540.850.892219.6 (1.28 1.35)VQHHHmggA（3 3）第一次近似計算流量）第一次近似計算流量設設H H0101=H H=0.85=0.85mm332231020.3466 1.2819.60.851.54/QmbgHms（2 2）

12、確定系數(shù)）確定系數(shù)10.50.5930.85PH1130.320.010.34660.460.75PHmPH3322330320.3466 1.2819.60.901.68/QmbgHms222022032201.650.850.902219.6 (1.28 1.35)VQHHHmggA（5 5）第三次近似計算流量）第三次近似計算流量3231.68 1.651.79%1.68QQQ（6 6）驗證出流形式）驗證出流形式為自由出流，故所求流量為為自由出流，故所求流量為1.681.68mm3 3/ /s s。符合要求符合要求如圖所示，小橋過流宏觀上與寬頂堰溢流類似如圖所示，小橋過流宏觀上與寬頂堰溢流

13、類似橋下游水深橋下游水深式中：式中： 為橋下臨界水深為橋下臨界水深（critical depth critical depth ）ch自由式自由式（free stylefree style）chh3 . 1 chh3 . 1 淹沒式淹沒式（submerged type submerged type ）自由式：自由式： 11 chh式中：式中： 為橋孔水深為橋孔水深 為橋孔水流垂向收縮系數(shù)為橋孔水流垂向收縮系數(shù)1h淹沒式：淹沒式：hh 1水力計算原則主要從安全和經(jīng)濟兩方面考慮水力計算原則主要從安全和經(jīng)濟兩方面考慮 保證橋下不沖刷）保證橋下不沖刷）VV 橋下橋下 保證橋頭路堤不淹沒）保證橋頭路堤不

14、淹沒）HH 橋前橋前考慮標準孔徑考慮標準孔徑 （經(jīng)濟原則）（經(jīng)濟原則）bB （安全原則）（安全原則） 從從 出發(fā)進行設計出發(fā)進行設計VV 從從 出發(fā)進行設計出發(fā)進行設計HH 不管從何方案設計，都必須綜合考慮不管從何方案設計，都必須綜合考慮 、 、 三個因素，同時滿足安全、經(jīng)濟原則三個因素，同時滿足安全、經(jīng)濟原則VBH 以從以從 出發(fā)進行設計為例出發(fā)進行設計為例VV gVgVbgQhcc222322ccVhbQ VVc 試算圖解法試算圖解法hhcQ2gA3B ）自由式自由式hhc 3 . 1hhc 3 . 1淹沒式淹沒式 VhQVhQb 1（自由式）（自由式）（淹沒式）（淹沒式） 8152332

15、311892. 1 minmQh人工明渠人工明渠鐵路、公路橋梁的標準孔徑一般有鐵路、公路橋梁的標準孔徑一般有4m4m、5m5m、6m6m、8m8m、12m12m、16m16m、20m20m多種多種 選取標準孔徑選取標準孔徑B B后，需重新判別流動型態(tài)后，需重新判別流動型態(tài) 322BgQhc 自由式自由式hhc 3 . 1hhc 3 . 1淹沒式淹沒式bridge front backwater （Standard aperture ） BhQhBQBhQVc 1（自由式）（自由式）（淹沒式）（淹沒式） 橋前壅水橋前壅水H H HhHhgVHHc 2202（自由式）（自由式）（淹沒式）（淹沒式）由水文計算知小橋設計流量Q=30m3/s。根據(jù)下游河段流量-水位關(guān)系曲線，求得該流量時下游水深h=1.0m。由規(guī)范，橋前允許壅水水深H=2m，橋下允許流速v=3.5m/s。由小橋進口形式，查得各項系數(shù)：=0.9；=0.85;=0.80.試設計小橋孔徑。例2： 1.3h1.3hc c=1.04m=1.04mh=1mh=1m，因此小橋為自由出流。，因此小橋為自由出流。 mgvhc8 . 08 . 95 . 38 . 00 . 12222 mvhQbc8 .155 . 38 . 08 . 085. 030 解：解：3