实用堰流

1、 游水位较低，水流在流出堰顶时将产生第二次跌落。

2、 4、 10>Hδ时，用明渠流理论解决不能用堰流理论。

f h不可忽略。

同一堰，当堰上水头H 较大时，视为实用堰；当堰上水头较小时，视为宽顶堰。

§8-2 堰流的基本方程以宽顶堰为例来推求堰流的基本方程 取渐变流断面1-1C-C （近似假设渐变流） 以堰顶为基准面， 列两断面能量方程：g v g v h g v H c c c 22222000ςαα++=+ 0002H g vH =+α作用水头c h 与H 有关，引入一修正系数k 。

则00H h k c =机0kH h co =。

修正系数k 取决于堰口的形状和过流断面的变化。

代入上式，整理得：021211gH k gH k v c -=++=ϕςα23021H g b k k b RH v b h v Q c c c -===ϕ 2302H g mb = 式中：b ——堰宽ϕ——流速系数ςαϕ+=1m ——流量系数，k k m -=1ϕ适用：堰流无侧向收缩注：堰流存在侧向收缩或堰下游水位对堰流的出水能力产生影响时，可对此公式进行修正。

§8-3 薄壁堰一、一、分类：矩形薄壁堰→较大流量按堰口形状： 三角形薄壁堰→较小流量梯形薄壁堰→较大流量1、 1、 矩形薄壁堰① ① 矩形薄壁堰的自由出流；在无侧向收缩的影响时，其流量公式为： 2302H g mb Q =上式为关于流速的隐式方程，了；两边均含有流速，一般计算法进行计算，较复杂，于是，为计算简便，将上式改写成： 2302H g b m Q =0m ——已考虑流速影响的薄壁堰的流量系数 0m 的确定：矩形薄壁8的流量系数由1898年法国工程师Basin 提出经验公式为：])(55.01)[0027.0405.0(20p H H H m +++=式中：H ——堰上水头（m ）p ——上游堰高 （m ）适用条件：m H 24.1~25.0= m p 75.0~24.0= m b 0.2~2.0=2、 2、 三角形薄壁堰：当流量较小时，堰上水头较小时，采用三角形薄壁堰 ⑴公式：取微元，则流量表达式为：db h g m dQ 2302= （*） 设h 为db 处水头，则由几何关系：2)(θtgh H b -=dhtgdb 2θ-=代入*式，得dhh g tgm dQ 23022θ-= 积分得：dhh g tgm Q H⎰-=0230222θ2502254H g tg m θ=当90=θ，m H 25.0~05.0=时，实验得395.00=m 。

实用堰水力计算实用堰流的水力计算[日期:06/21/200620:09:00]来源:作者:[字体:[url=javascript:ContentSize(16)]大[/url][url=javascript:ContentSize(14)]中[/url][url=javascript:ContentSize(12)]小[/url]](一)实用堰的剖面形状实用堰是工程中既可挡水又可泄水的水工建筑物，根据修筑的材料，实用堰可分为两大类型:一是用当地材料修筑的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线型，称为折线形实用堰。

一是用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰顶制成适合水流情况的曲线形，称为曲线形实用堰。

曲线型实用堰又可分为真空和非真空两种剖面型式。

水流溢过堰面时，堰顶表面不出现真空现象的剖面，称为非真空剖面堰;反之，称为真空剖面堰。

真空剖面堰在溢流时，溢流水舌部分脱离堰面，脱离部分的空气不断地被水流带走，压强降低，从而造成真空。

由于真空现象的存在，堰面出现负压，势能减少，过堰水流的动能和流速增大，流量也相应增大，所以真空堰具有过水能力较大的优点。

但另一方面，堰面发生真空，使堰面可能受到正负压力的交替作用，造成水流不稳定。

当真空达到一定程度时，堰面还可能发生气蚀而遭到破坏。

所以，真空剖面堰一般较少使用。

一般曲线型实用堰的剖面系由以下几个部分组成:上游直线段，堰顶曲线段，下游直线段及反弧段，如图所示。

上游段常作成垂直的;下游直线段的坡度由堰的稳定和强度要求而定，一般取1:0.65~1:0.75;圆弧半径可根据下游堰高和设计水头由表查得。

当10m时，可采用=0.5;当9m时，近似用下式计算，式中为设计水头。

在工程设计中，一般选用=(0.75-0.95)(为相应于最高洪水位的堰顶水头)，这样可以保证在等于或小于的大部分水头时堰面不会出现真空。

当然水头大于时，堰面仍可能出现真空，但因这种水头出现的机会少，所以堰面出现暂时的、在允许范围内的真空值是可以的。

标题：梯形堰实用流量计算公式说明：图12-10所给出的堰口形状为梯形的堰叫做梯形堰。

在流量计算时，可以认为经过梯形堰的液流流量是相应的矩形堰和三角形堰的流量之和，于是由式（12-3）和式（1 2-11）得上式中，若C1=C2=Ce，则：这是梯形堰的一般表达式，当tanθ=1/4时，可得下列公式：这种tanθ=1/4的梯形堰也叫做希普列蒂堰，希普列蒂（Ci ppoletti）给出了流量的近似计算公式：上式的适用条件为：D≥2.5h；p≥2h；b≥3h标题：矩形堰和全宽堰实用流量计算公式说明：堰口形状为矩形的堰叫做矩形堰，而宽度等于明渠宽度的矩形堰就是全宽堰，如图12-4所示。

1）矩形堰、全宽堰测流量的原理及流量计算一般式在短形堰、全宽堰的堰口曲线方程为代入式（12-8），沿高度方向积分得2）矩形堰a）金德斯瓦特卡特（Kindsvater-Carter）公式金德斯瓦特卡特于1959年发表的这个公式，是在式（12-10）的基础上对流体的表面张力和粘性的影响进行了修正，把流量系数和修正值用图给出。

式中，Ce是流量系数，是b/B和h/p的函数，式中，p是短形堰或全宽堰的下缘到堰底的距离；B是堰的宽度；b e是有效堰口宽度，be=b+k b，b是实际堰口宽度；k b是宽度修正值对应于堰宽的修正值，取表12-1中的值。

h e是堰的有效水头，h e=h+k h，h是实际测量的水头；k h是对水头的修正值，一般取O. OO1m。

公式的适用条件是C e的值可以查图12-5，或按下列公式计算上式的适用条件为3）全宽堰a）金德斯瓦特一卡特（Kindsvater-Carter）公式上式的适用条件为：SIA公式上式的适用条件为b）雷包克（Rehbock）公式上式的适用条件为：上式中的U a是明渠上游侧的平均液流速度，U a=qv/Aa，Aa是水头测量处明渠的通流面积。

因为U a是qv的函数，所以必须用逐步近似法计算。

上式的适用条件为：村石花地水电站压力管前段为铁管，后段为水泥涵管（外径为1.26米），内径均为1.10米。

实用堰水力计算公式游水位较低水流在流出堰顶时将产生第二次跌落4 不可忽略同一堰当堰上水头H较大时视为实用堰当堰上水头较小时视为宽顶堰§8-2 堰流的基本方程以宽顶堰为例来推求堰流的基本方程取渐变流断面1-1C-C近似假设渐变流以堰顶为基准面列两断面能量方程作用水头与H有关引入一修正系数k则机修正系数k取决于堰口的形状和过流断面的变化代入上式整理得式中堰宽流速系数流量系数适用堰流无侧向收缩注堰流存在侧向收缩或堰下游水位对堰流的出水能力产生影响时可对此公式进行修正§8-3 薄壁堰一分类矩形薄壁堰→较大流量按堰口形状三角形薄壁堰→较小流量梯形薄壁堰→较大流量1①矩形薄壁堰的自由出流在无侧向收缩的影响时其流量公式为上式为关于流速的隐式方程了两边均含有流速一般计算法进行计算较复杂于是为计算简便将上式改写成已考虑流速影响的薄壁堰的流量系数的确定矩形薄壁8的流量系数由1898年法国工程师Basin提出经验公式为式中堰上水头m上游堰高 m适用条件2当流量较小时堰上水头较小时采用三角形薄壁堰⑴公式取微元则流量表达式为设为处水头则由几何关系代入式得积分得当时实验得于是当时经验公式为式中以顶点为起点的堰上水头m流量⑵公式适用条件①薄壁堰水面四周均为大气必要时设通气管与大气相通②无侧向收缩的影响③堰流为自由出流⑶薄壁堰是测量渠道流量的装置注意①水面与大气相通②避免形成淹没式水流§8-4 实用堰一实用堰12 曲线形实用堰折线形实用堰3与实用堰的具体曲线类型有关也与堰上水头有关一般曲线型的实用堰可取折线型实用堰可取三实用堰所受影响1淹没式出流当堰下游水位超过堰顶标高时即淹没式出流公式设为淹没系数与淹没程度有关淹没式实用堰的流量公式为具体见P169 表8-12堰宽＜堰上游渠道过堰水流发生侧向收缩泄流能力减小用侧面收缩系数表示堰流流量为侧面收缩系数一般取值§8-5 宽顶堰一自由出流1 直角形按进口纵剖面的形式圆弧形阻力泄流能力不同流量系数不同斜角形2 流量系数取决于堰口的类型和相对堰高的经验公式和经验数据如下⑴矩形直角进口宽顶堰当时当时⑵矩形圆弧进口宽顶堰当时二淹没式出流下游水位高于堰顶且使堰顶水流由急流变缓流1特点①过堰水流水位＜下游水位②水流由急流→缓流充分条件③堰过水能力下降2淹没式堰流的充分条件是3计算公式淹没系数取值范围见P171 表8-2三侧向收缩的影响1 A流道断面面积变化水流在惯性的作用下流线发生弯曲产生附加的局部阻力造成过流能力降低其影响用收缩系数表示2自由出流收缩系数与堰宽和渠道的比值边墩的进口形状及进口断面变化有关的经验公式为墩形系数矩形边缘圆形边缘例8-1 见P171§8-6 小桥孔径的水力计算一①具有侧向影响造成局部阻力②桥孔前水位整齐桥孔内流速增加造成第一次水面跌落③桥孔后流速减小产生局部阻力造成第二次水面跌落2水流在缓流河道中由于桥墩或桥的边墩侧向收缩使水流过水断面减小造成的3分类自由出流淹没出流二自由出流12一般桥的下游水深桥下渠道的临界水深桥下水深对于矩形桥进口断面把代入上式得3列1-12-2能量方程式中令垂直收缩系数具体数据由小桥进口形状而定平滑进口非平滑进口流速小桥考虑侧向收缩侧向收缩系数小桥孔径流速系数与侧面收缩系数数据见P174 表8-3三淹没出流1淹没出流当小桥下游水深时下游水位将影响桥的过水能力此流动成为淹没出流2特点①下游②小桥水面上只发生一次跌水3计算公式例8-2 见0174堰流明渠缓流溢过建筑在渠道中的障碍物的流动障碍物称为堰在工程中障碍物为坝桥涵溢流设备等它们使上游水位壅高对堰流起侧向收缩和底坎约束的作用明渠急流流过障碍物产生不同于堰流的水力现象当流经侧收缩段时发生冲击波堰流主要研究水流流经堰的流量与其他特征量的关系表示堰流特征量除流量外尚有堰宽即水流漫过堰顶宽度堰顶水深即堰上游水位在堰顶上的最大超高堰壁厚度和它的剖面形状下游水深及下游水位高出底坎的高度为堰高为堰下游坎高0为趋近流速如图[堰流]所示堰的分类根据堰壁的相对厚度的大小分为薄壁堰 067 实用断面堰 067 25 和宽顶堰 25 10 按上游渠宽对过堰水流的收缩作用分为上游渠宽大于堰宽的有侧收缩堰＝时的无侧收缩堰按下游水位对过堰水流的淹没作用分为自由堰流和淹没堰流当一定流量流经堰时若下游水位较低 0 下游水位不影响上游水位称为自由堰流若下游水位较高＞0 下游水位影响上游水位称为淹没堰流流量计算堰流流量公式为[0648-01]或 [0648-02]式中＝＋2为堰流流量系数与堰的进口尺寸和／有关一般分别按薄壁堰实用断面堰和宽顶堰通过实验求得经验公式或数据为计及趋近流速水头2[kg2]的流量系数为侧收缩系数与引水渠及堰的尺寸有关亦由实验求得当无侧收缩时＝1为淹没系数一般分别按薄壁堰实用断面堰和宽顶堰由实验求出[kg1]与的关系当为自由堰流时＝1为重力加速度薄壁堰主要用作量测流量的设备在距离堰壁上游三倍以上水头的地方测出水头可直接计算流量堰口为矩形的无侧收缩自由薄壁堰的流量公式为[0648-03]堰口为直角三角形的流量公式为＝14适用范围为≥2≥ 3～4实用断面堰主要作为蓄水挡水构筑物的溢流坝和净水构筑物的溢流设备用途较广形式多样低溢流堰的堰身断面常为折线形而用混凝土修筑的中高溢流堰的堰身则做成适合水流情况的曲线形流量系数根据堰顶剖面外形而采取不同值沿用较广的克-奥曲线型剖面适用于≥3～5的高堰流量系数＝049美国WES标准剖面其设计水头的流量系数＝0502实验流量计算也要考虑上游收缩和下游淹没条件宽顶堰在工程中是很常见的如小桥涵过水构筑物当闸门全开时的节制闸分洪闸等均是当满足＝－＜08时为自由式宽顶堰无侧收缩自由式宽顶堰的流量系数为[kg1]的经验函数关系直角进口 3时＝032 3时＝032001[684-01]。

第九章 堰流与闸孔出流9.1堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？答：堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。

薄壁堰流的特点：当水流趋向堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状，不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线。

实用堰流的特点：由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。

宽顶堰流的特点：堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显。

进入堰顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过流断面逐渐减小，流速增大，在进口处形成水面跌落。

此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行。

9.2堰流计算的基本公式及适用条件？影响流量系数的主要因素有哪些？答：堰流计算的基本公式为23s H g 2mb Q εσ=，适用于矩形薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流。

影响流量系数m 的主要因素有局部水头损失、堰顶水流垂向收缩的程度、堰顶断面的平均测压管水头与堰上总水头之间的比例关系。

9.3 用矩形薄壁堰测量过堰流量，如何保证较高的测量精度？ 答：（1）上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶；（2）堰顶水头不宜过小，一般应使H>2.5m ，否则溢流水舌受表面张力作用，使得出流不稳定；（3）水舌下面的空气应与大气相通，否则溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，会导致出流不稳。

9.4 基本的衔接与消能措施有哪几种？各自的特点是什么？ 答：基本的衔接与消能措施有底流消能，挑流消能，面流消能。

底流消能：底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃的发生位置，通过水跃产生的表面旋滚的强烈紊动以达到消能的目的。

挑流消能：在泄水建筑物末端设置挑流坎，因势利导将水股挑射入空气中，使水流扩散并与空气摩擦，消耗部分动能，然后当水股落入水中时，又在下游水垫中冲击、扩散，进一步消耗能量。

面流消能：当下游水深较大而且比较稳定时，可将下泄的高速水流导向下游水流的表层，主流与河床之间被巨大的底部旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷。

实用堰（淹没出流）1、发生的条件：0.67＜δ/H＜2.5δ：堰顶宽度H：水头高度2、发生淹没出流的条件：（1）下游水位超过堰顶（2）下游发生淹没水跃：Z/a1＜(Z/a1)k式中：Z为堰的上下游水头差，a1为下游堰高，(Z/a1)K为z/a1的临界值，可按比值H/a1由图查得。

实用堰淹没出流的计算：公式：Q=ζεmB（2g）1/2H3/2式中：ζ：淹没系数可根据hs/H查表ε：侧收缩系数ε=1-0.2[(n-1)ξ0+ξk]H/nbξ0：闸墩系数根据hs/H值查表水力学郭卫东版338页ξk：边墩系数直角形系数1.00、斜角形0.70、圆弧形0.70n：溢流孔宽度b：每孔宽度m：流量系数，梯形实用堰根据a/H，δ/H以及上下游堰面的倾斜角查表，（水力学郭卫东版338页）曲线形实用堰流量系数根据H0/H d查图（水力学郭卫东版337页）闸孔泄流量计算如在堰上设上闸门，这时通过闸的水流状态称为闸孔出流。

孔流和堰流在一定条件下可以互相转化，在计算泄流量时，需要判断是孔流还是堰流。

闸底坎为平顶时，可用闸门开启高度e与闸前水深H的比值来判断；若e/H≤0.65 时为闸孔出流；若e/H＞0.65 时为堰流。

自由出流和淹没出流的判断水从闸孔泄出后，可能出现两种水量状态，若水跃的表面旋滚不盖住收缩断面的称自由出流；若水跃的表面旋滚盖住收缩断面的称淹没出流，见下图。

（水跃是当水流从急流过度到缓流所发生的一种突然跃起的局部现象）收缩断面自由出流式中： Q-----过坝流量（m 3/s) b ----泄流闸净宽 H 0---计入行进流速的堰闸前水深(m)e -----闸门开启高度 μ0----自由出流的流量系数淹没出流002gH be Q s μδ=式中：δs------淹没系数00.600.18e H μ=-。