流體力學(xué)第七章堰流

堰流第7章當(dāng)前1頁，總共44頁。§7-1堰流的定義及類型

水流受到堰體的阻擋，或者受兩側(cè)墻體的約束影響，在堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體下泄，這一局部水流現(xiàn)象稱為堰流。

堰流的能量損失主要是局部水頭損失，沿程水頭損失可忽略不計(jì)。當(dāng)前2頁，總共44頁。堰流的類型

薄壁堰δ/H

＜0.67實(shí)用堰0.67＜δ/H＜2.5寬頂堰2.5＜δ/H

＜10當(dāng)前3頁，總共44頁?！?-2堰流的水力計(jì)算

對堰前斷面及堰頂斷面列能量方程式：當(dāng)前4頁，總共44頁。當(dāng)前5頁，總共44頁。

一、薄壁堰的水力計(jì)算1、矩形薄壁堰（行近流速水頭計(jì)入流量系數(shù)）適用范圍：H≥0.025m，H/P≤2，P≥0.3mRehbock公式：當(dāng)前6頁，總共44頁。適用范圍：H=0.05～1.24m，b=

0.2～2m，P=0.25～1.13mBazin公式：當(dāng)前7頁，總共44頁。2、三角形薄壁堰在H＜0.05m，Q＜0.1m3/s時，宜采用三角形薄壁堰作為量水堰。當(dāng)前8頁，總共44頁。適用范圍：θ=90°,H=0.05～0.25mThompson公式：適用范圍：θ=90°,H=0.25～0.55m金格公式：當(dāng)前9頁，總共44頁。適用范圍：0.5m≤B≤1.2m，0.1m≤P≤0.75m，0.07m≤H≤0.26m，且H≤B/3沼知-黑川-淵澤公式：當(dāng)前10頁，總共44頁。

二、實(shí)用堰的水力計(jì)算

實(shí)用堰主要用作蓄水又能泄水的擋水建筑物——壩，其剖面可設(shè)計(jì)成曲線或折線兩類。當(dāng)前11頁，總共44頁。

真空堰：堰頂曲線低于無側(cè)收縮矩形薄壁堰水舌下緣曲線，水舌脫離堰面。流速大，流量也大，但如果真空值過大，會使堰面產(chǎn)生空蝕破壞。非真空堰：堰頂曲線接近或稍高于無側(cè)收縮矩形薄壁堰水舌下緣曲線。堰頂曲線高出無側(cè)收縮矩形薄壁堰水舌下緣曲線越多，流速越小，對溢流越不利。當(dāng)前12頁，總共44頁。1.曲線型實(shí)用堰的剖面形狀EHdP1P2ABCDOαmc

上游直線段：AB

堰頂曲線段：BC

下游直線段：CD，坡度mc=cotα

下游河底連接反弧段：DE當(dāng)前13頁，總共44頁。上游直線AB

段：垂直，或傾斜,取決于溢流壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求。

反弧段DE：使直線CD與下游河底平滑連接，避免水流沖刷河床。當(dāng)前14頁，總共44頁。

堰頂曲線BC對堰流影響最大，是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰剖面形狀的關(guān)鍵。理想的曲線型實(shí)用堰剖面形狀與薄壁堰水舌下緣形狀吻合，不產(chǎn)生真空，過流能力最大。但實(shí)際中不可能完全吻合。原因：水位波動，水舌不穩(wěn)定（紊動影響）。當(dāng)前15頁，總共44頁。

實(shí)際采用的剖面形狀是按薄壁堰下游水舌下緣曲線稍加修改而成。當(dāng)前16頁，總共44頁。

WES剖面該剖面用曲線方程表示，便于控制，堰剖面較瘦可節(jié)省工程量，堰面壓強(qiáng)較理想，負(fù)壓不大，對安全有利。當(dāng)前17頁，總共44頁。yR1R2R3xxyy/Hd=k(x/Hd)n0.276Hd0.175HdO0.282Hd式中，k，n取決于堰上游面AB的斜率。當(dāng)上游面為垂直時k=0.5，n=1.85。Hd為不包括行近流速水頭的設(shè)計(jì)水頭當(dāng)前18頁，總共44頁。堰剖面曲線的坐標(biāo)值取決于設(shè)計(jì)水頭Hd

。兩種極端情況:（1）Hd=Hmax可保證堰面不出現(xiàn)負(fù)壓，但H<Hd時，堰面壓強(qiáng)為正；流量系數(shù)減??；堰剖面偏肥，不經(jīng)濟(jì)。（2）如果Hd=Hmin，可得到較經(jīng)濟(jì)剖面。但H>Hd，堰面產(chǎn)生較大負(fù)壓，嚴(yán)重時危及壩安全。

當(dāng)前19頁，總共44頁。

工程中經(jīng)常采用:P1

/Hd≥1.33時，Hd=(0.75～0.95)HmaxP1

/Hd＜1.33時，Hd=(0.65～0.75)Hmax當(dāng)前20頁，總共44頁。2.曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)

對于不同堰型，流量系數(shù)不同。水力設(shè)計(jì)時，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。對于重要工程需要通過模型試驗(yàn)確定。

m=m(P1/Hd，H0/Hd，堰上游面坡度)當(dāng)前21頁，總共44頁。堰上游面垂直的WES剖面：高堰：P1/Hd≥1.33

m=f(H0/Hd)

不計(jì)行近流速水頭設(shè)計(jì)流量系數(shù)md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m＜mdH0/Hd＞1，m＞md當(dāng)前22頁，總共44頁。低堰:P1/Hd＜1.33，行近流速加大，設(shè)計(jì)流量系數(shù)。當(dāng)前23頁，總共44頁。

側(cè)收縮系數(shù)用于考慮邊墩及閘墩對過水能力影響。溢流壩都有邊墩，多孔溢流壩還有閘墩。邊墩和閘墩將使水流發(fā)生平面收縮，增大了局部水頭損失，降低過流能力。3.側(cè)收縮系數(shù)當(dāng)前24頁，總共44頁。

實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個等寬堰孔。db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩當(dāng)前25頁，總共44頁。側(cè)收縮系數(shù)ε與閘墩和邊墩頭部形狀、溢流孔數(shù)、堰上水頭、溢流寬度有關(guān)。當(dāng)前26頁，總共44頁。堰下游可為自由出流：過流能力不受下游水位影響

淹沒出流：過水能力降低當(dāng)下游水位高過堰頂至某一范圍時,堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒水躍，過堰水流受下游水位頂托。4.下游水位及下游河床高程對過流能力的影響當(dāng)前27頁，總共44頁。有側(cè)收縮實(shí)用堰淹沒出流的流量計(jì)算σs：淹沒系數(shù)，表示淹沒出流對過流能力的影響，與hs/H0

、P2/H0

有關(guān)。當(dāng)前28頁，總共44頁。hs/H0（hs從堰頂算起的下游水深）

hs越大，下游水位的頂托作用越大，對過流能力影響越大。P2/H0

（P2下游堰高）當(dāng)下游河床較高，P2/H0

較小時，即使下游水位低于堰頂，過堰水流也會受下游河床影響，產(chǎn)生類似的淹沒效果，降低過流能力。當(dāng)前29頁，總共44頁。當(dāng)hs/H0

≤0.15且P2/H0≥時，自由出流

；當(dāng)hs/H0＞0.15或P2/H0

≤2時，淹沒出流

。當(dāng)前30頁，總共44頁。

三、寬頂堰的水力計(jì)算

2.5＜δ/H≤10時，進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動，稱寬頂堰流。當(dāng)前31頁，總共44頁。有坎寬頂堰流

底坎引起水流在垂直方向收縮。無坎寬頂側(cè)向收縮，堰流由于進(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，施工圍堰束窄的河床，經(jīng)過橋墩之間的水流。當(dāng)前32頁，總共44頁。（1）有坎寬頂堰流的水力計(jì)算有坎寬頂堰出流會產(chǎn)生垂直、側(cè)向收縮，還受下游水位影響。有坎寬頂堰流水力計(jì)算的基本公式為當(dāng)前33頁，總共44頁。

1）流量系數(shù)流量系數(shù)取決于堰頂進(jìn)口形式、堰的相對高度P1/H。堰頂入口為直角的寬頂堰

當(dāng)前34頁，總共44頁。堰頂入口為圓弧形的寬頂堰

當(dāng)前35頁，總共44頁。

2）側(cè)收縮系數(shù)影響側(cè)收縮的主要因素有閘墩和邊墩頭部形狀、閘墩數(shù)目、閘墩在堰上相對位置、堰上水頭等。

當(dāng)前36頁，總共44頁。適用條件：b/B＞0.2和P1/H＜3b/B＞0.2，取b/B＝0.2P1/H＞3，取P1/H＝3

當(dāng)前37頁，總共44頁。單孔寬頂堰：用上述公式計(jì)算即可多孔寬頂堰：應(yīng)采取邊孔和中孔的加權(quán)平均值。

其中，為中孔閘墩收縮系數(shù)，B=b+d；

為邊墩收縮系數(shù),B=b+2Δ，Δ為邊墩邊緣與堰上游同側(cè)水邊線間的距離。當(dāng)前38頁，總共44頁。db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩：B=b+d

：B=b+2Δ當(dāng)前39頁，總共44頁。

3）寬頂堰的淹沒影響堰頂水頭及進(jìn)口形式一定，當(dāng)下游水位逐漸升高，hs＞(0.75～0.85)H0時，寬頂堰形成淹沒出流，過堰水流受到下游水的阻礙，流量減小。

淹沒系數(shù)σs隨hs/H0增大而減小。

當(dāng)前40頁，總共44頁。（2）無坎寬頂堰流的水力計(jì)算無坎寬頂堰流水力計(jì)算的基本公式為注：為包含側(cè)收縮影響的流量系數(shù)當(dāng)前41頁，總共44頁。流量系數(shù)

單孔堰：直接查表多孔堰：取中孔與邊孔流量系