水力學(xué)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(mén)控制而水流受閘門(mén)控制而從建筑物頂部與閘從建筑物頂部與閘門(mén)下緣間孔口流出門(mén)下緣間孔口流出時(shí)，這種水流狀態(tài)時(shí)，這種水流狀態(tài)叫做閘孔出流。當(dāng)叫做閘孔出流。當(dāng)頂部閘門(mén)完全開(kāi)啟，閘門(mén)下緣脫離水面，閘門(mén)對(duì)頂部閘門(mén)完全開(kāi)啟，閘門(mén)下緣脫離水面，閘門(mén)對(duì)水流不起控制作用時(shí)，水流從建筑物頂部自由下泄水流不起控制作用時(shí)，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(mén)控堰流不受閘門(mén)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(yùn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化作用下運(yùn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程；為動(dòng)能的過(guò)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(lèi)分類(lèi)/H/H0.670.67 薄壁堰流薄壁堰流0.670.67/H/H2.52.5 實(shí)用堰流實(shí)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(wú)坎無(wú)坎按下游水位是否按下游水位是否對(duì)過(guò)堰水流有頂對(duì)過(guò)堰水流有頂托阻水的影響托阻水的影響有無(wú)側(cè)向收縮有無(wú)側(cè)向收縮無(wú)側(cè)收縮堰流無(wú)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(yīng)用能量方程式可推得應(yīng)用能量方程式可推得過(guò)堰流量過(guò)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(jì)算類(lèi)型水力計(jì)算類(lèi)型計(jì)算過(guò)堰流量計(jì)算過(guò)堰流量QQ計(jì)算堰上水頭計(jì)算堰上水頭H H設(shè)計(jì)堰寬設(shè)計(jì)堰寬b b薄壁堰流的水力計(jì)算薄壁堰流的水力計(jì)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(cè)量中一種有效的量水工具。為水力模型或野外測(cè)量中一種有效的量水工具。v當(dāng)矩形薄壁堰無(wú)側(cè)收縮，自由出流時(shí)，水流最當(dāng)矩形薄壁堰無(wú)側(cè)收縮，自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度也較高；為穩(wěn)定，測(cè)量精度也較高；v堰上水頭不宜過(guò)小，一般不宜小于堰上水頭不宜過(guò)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(shí)，兩次跌水如圖所示，自由式時(shí)，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(jìn)口無(wú)坎寬頂堰流隧洞或者涵洞進(jìn)口無(wú)坎寬頂堰流無(wú)坎寬頂堰流無(wú)坎寬頂堰流 由于側(cè)向收縮，進(jìn)口水面跌落，產(chǎn)生寬頂由于側(cè)向收縮，進(jìn)口水面跌落，產(chǎn)生寬頂堰。例如，當(dāng)水流進(jìn)入涵洞或隧洞進(jìn)口流，經(jīng)堰。例如，當(dāng)水流進(jìn)入涵洞或隧洞進(jìn)口流，經(jīng)過(guò)橋墩之間的水流。過(guò)橋墩之間的水流。圖圖 橋墩之間的無(wú)坎寬頂堰流橋墩之間的無(wú)坎寬頂堰流Hv0自由式自由式: :5 . 102 HgbmQ淹沒(méi)式淹沒(méi)式: :5 . 102 HgbmQs式中式中： 進(jìn)口形式進(jìn)口形式,Hpfm一般由經(jīng)驗(yàn)公式確定一般由經(jīng)驗(yàn)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(jìn)口形式、堰的相對(duì)高度流量系數(shù)取決于堰頂進(jìn)口形式、堰的相對(duì)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(dāng)當(dāng) 寬頂堰為自由出流時(shí)，堰前為緩流，進(jìn)口產(chǎn)寬頂堰為自由出流時(shí)，堰前為緩流，進(jìn)口產(chǎn)生第一次水面跌落（由于進(jìn)口產(chǎn)生局部損失）生第一次水面跌落（由于進(jìn)口產(chǎn)生局部損失）hSH00PPv02H11NNhc2 2 淹沒(méi)影響淹沒(méi)影響submerged effect 收縮斷面：在進(jìn)口約為

7、收縮斷面：在進(jìn)口約為2 2H H處處 h hc c h hn n，整個(gè)斷面為緩流狀態(tài)，成為淹沒(méi)出流。，整個(gè)斷面為緩流狀態(tài)，成為淹沒(méi)出流。H00PPv02H11NNhS波狀水躍波狀水躍hc當(dāng)當(dāng) 時(shí)，下游水流絕對(duì)不會(huì)影響時(shí)，下游水流絕對(duì)不會(huì)影響堰頂溢水流性質(zhì)堰頂溢水流性質(zhì)0 sh ph 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，為形成淹沒(méi)式寬頂堰的為形成淹沒(méi)式寬頂堰的必要條件必要條件實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明， 為形成淹沒(méi)式為形成淹沒(méi)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(guò)流寬小于上游渠寬；堰頂設(shè)閘墩及邊有的堰頂過(guò)流寬

8、小于上游渠寬；堰頂設(shè)閘墩及邊墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過(guò)流能力，用側(cè)收縮系墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過(guò)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(duì)位置閘墩在堰上相對(duì)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(jìn)口無(wú)圖示為某矩形斷面渠道中的直角進(jìn)口無(wú)側(cè)收縮潛水壩。已知壩長(zhǎng)側(cè)收縮潛水壩。已知壩

9、長(zhǎng)=2.5m=2.5m，壩頂水頭，壩頂水頭H H=0.85m=0.85m，壩高，壩高h(yuǎn) 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(guò)壩流量，取，試求過(guò)壩流量，取動(dòng)能修正系數(shù)動(dòng)能修正系數(shù)a a=1.0=1.0滿足寬頂堰淹沒(méi)溢流的必要條件，但滿足寬頂堰淹沒(méi)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(jì)算誤差小于要求的誤差限值，則過(guò)壩流量為若該計(jì)算誤差小于要求的誤差限值，則過(guò)壩流量為 /sm67. 133 QQ潛壩上游水流確為緩流，故上述計(jì)算有效潛壩上游水流確為緩流，故上述計(jì)算有效 m/s97. 0V0 pHbqV 1267. 0Fr0 pHgV 例：如圖所示直角進(jìn)口堰，堰頂厚度例：如圖所示直角進(jìn)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(guò)，求過(guò)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(jì)算流量）第二次近似計(jì)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(jì)算流量）第一次近似計(jì)算流量設(shè)設(shè)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(jì)算流量）第三次近似計(jì)算流量3231.68 1.651.79%1.68QQQ（6 6）驗(yàn)證出流形式）驗(yàn)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(guò)流宏觀上與寬頂堰溢流類(lèi)似如圖所示，小橋過(guò)流宏觀上與寬頂堰溢流

13、類(lèi)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(méi)式淹沒(méi)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(méi)式：淹沒(méi)式：hh 1水力計(jì)算原則主要從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮水力計(jì)算原則主要從安全和經(jīng)濟(jì)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(méi)）保證橋頭路堤不

14、淹沒(méi)）HH 橋前橋前考慮標(biāo)準(zhǔn)孔徑考慮標(biāo)準(zhǔn)孔徑 （經(jīng)濟(jì)原則）（經(jīng)濟(jì)原則）bB （安全原則）（安全原則） 從從 出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)VV 從從 出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)HH 不管從何方案設(shè)計(jì)，都必須綜合考慮不管從何方案設(shè)計(jì)，都必須綜合考慮 、 、 三個(gè)因素，同時(shí)滿足安全、經(jīng)濟(jì)原則三個(gè)因素，同時(shí)滿足安全、經(jīng)濟(jì)原則VBH 以從以從 出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)為例出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(méi)式淹沒(méi)式 VhQVhQb 1（自由式）（自由式）（淹沒(méi)式）（淹沒(méi)式） 8152332

15、311892. 1 minmQh人工明渠人工明渠鐵路、公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)孔徑一般有鐵路、公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)孔徑一般有4m4m、5m5m、6m6m、8m8m、12m12m、16m16m、20m20m多種多種 選取標(biāo)準(zhǔn)孔徑選取標(biāo)準(zhǔn)孔徑B B后，需重新判別流動(dòng)型態(tài)后，需重新判別流動(dòng)型態(tài) 322BgQhc 自由式自由式hhc 3 . 1hhc 3 . 1淹沒(méi)式淹沒(méi)式bridge front backwater （Standard aperture ） BhQhBQBhQVc 1（自由式）（自由式）（淹沒(méi)式）（淹沒(méi)式） 橋前壅水橋前壅水H H HhHhgVHHc 2202（自由式）（自由式）（淹沒(méi)式）（淹沒(méi)式）由水文計(jì)算知小橋設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)口形式，查得各項(xiàng)系數(shù)：=0.9；=0.85;=0.80.試設(shè)計(jì)小橋孔徑。例2： 1.3h1.3hc c=1.04m=1.04mh=1mh=1m，因此小橋?yàn)樽杂沙隽鳌?，因此小橋?yàn)樽杂沙隽鳌?mgvhc8 . 08 . 95 . 38 . 00 . 12222 mvhQbc8 .155 . 38 . 08 . 085. 030 解：解：3