10747各种堰流各种条件下水力计算解析及实例
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宽顶堰流的水力计算
如图所示,水流进入有底坎的堰顶后,水流在垂直方向受到堰坎边界的约束,堰顶上的过水断面缩小,流速增大,势能转化为动能。同时堰坎前后产生的局部水头损失,也导致堰顶上势能减小。所以宽顶堰过堰水流的特征是进口处水面会发生明显跌落。从水力学观点看,过水断面的缩小,可以是堰坎引起,也可以是两侧横向约束引起。当明渠水流流经桥墩、渡槽、隧洞〈或涵洞)的进口等建筑物时,由于进口段的过水断面在平面上收缩,使过水断面减小,流速加大,部分势能转化为动能,也会形成水面跌落,这种流动现象称为无坎宽顶堰流,仍按宽顶堰流的方法进行分析、计算。
(一)流量系数宽顶堰的流量系数取决于堰的进口形状和堰的相对高度,不同的进口堰头形状,可按下列方法确定。
1、进口堰头为直角
(8-22)
2、进口堰头为圆角
(8-23)
3、斜坡式进口流量系数可根据及上游堰面倾角由表选取。
在公式(8-22)、(8-23)中为上游堰高。当≥3时,由堰高引起的水流垂向收缩已达到相当充分程度,故计算时将不考虑堰高
变化的影响,按=3代入公式计算值。由公式可以看出,宽顶堰的流量系数的变化范围在0.32~0.385之间,当=0时,
=0.385,此时宽顶堰的流量系数值最大。比较一下实用堰和宽顶堰的流量系数,我们可以看到前者比后者大,也就是说实用堰有较大的过水能力。对此,可以这样来理解:实用堰顶水流是流线向上弯曲的急变流,其断面上的动水压强小于按静水压强规律计算的值,即堰顶水流的压强和势能较小,动能和流速较大,故过水能力较大;宽顶堰则因堰顶水流是流线近似平行的渐变流,其断面动水压强近似按静水压强规律分布,堰顶水流压强和势能较大,动能和流速较小,故过水能力较小。
(二)侧收缩系数宽顶堰的侧收缩系数仍可按公式(8-21)计算。
(三)淹没系数
当堰下游水位升高到影响宽顶堰的溢流能力时,就成为淹没出流。试验表明:当≥0.8时,形成淹没出流。淹没系数可根据
由表查出。
无坎宽顶堰流在计算流量时,仍可使用宽顶堰流的公式。但在计算中一般不单独考虑侧向收缩的影响,而是把它包含在流量系数中一并考虑,即(8-24)
式中为包含侧收缩影响在内的流量系数。可根据进口翼墙形式及平面收缩程度查得。表中为引水渠的宽度,为闸孔宽度,为圆角半径。无坎宽顶堰流的淹没系数可近似由表查得:
例:某进水闸,闸底坎为具有圆角进口的宽顶堰,堰顶高程为22.0m,渠底高程为21.0m。共10孔,每孔净宽8m,闸墩头部为半圆形,边墩头部为流线形。当闸门全开,上游水位为25.50m,下游水位为23.20m,不考虑闸前行近流速的影响,求过闸流量。解:(1)判断下游是否淹没
=22.0-21.0=1.0m =25.50-21.0=4.5m
=0.34<0.8 为自由出流
(2)求流量系数
=0.36+0.01=0.378
(3)求侧收缩系数
查表8-6得边墩形状系数=0.4,闸墩形状系数=0.45
=1-0.2[(10-1)0.45+0.4]=0.949
==0.9490.378108= 1212.76 m3
例8-11某进水闸,具有直角形的前沿闸坎,坎前河底高程为100.0m,河水位高程为107.0m,坎顶高程为103.0m。闸分两孔,闸墩头部为半圆形,边墩头部为圆角形。下游水位很低,对溢流无影响。引水渠及闸后渠道均为矩形断面。宽度均为20m,求下泄流量为200m3/s时所需闸孔宽度。
解:(1)=107.0-103.0=4m, ==103.0-100.0=3m
总水头=+=4+=4.104m
(2) 按公式(8-22)求流量系数
=0.32+0.01=0.32+0.01=0.342
因值与闸孔宽度有关,此时未知,初步假定=0.95
则===16.71m
查表得闸墩形状系数=0.45,边墩形状系数=0.7
=1-0.2[(2-1)0.45+0.7]=0.944
此值与原假定的值较接近,现用=0.944再计算值==16.8m
此值与第一次成果已很接近,即用此值为最后计算成果,故每孔净宽==8.4m,实际工程中应考虑取闸门的尺寸为整数。
实用堰流的水力计算
(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。
堰顶曲线段是设计曲线型实用堰的关键。国内外对堰面形状有不同的设计方法,其轮廓线可用坐标或方程来确定。目前国内外采用较多的是WES剖面,因为该剖面与其它形式的剖面相比,在过水能力、堰面压强分布和节省材料等方面要优越一些。
WES剖面如图所示,其堰顶上游部分曲线用两段圆弧连接,堰顶下游的曲线用下列方程表示:
式中、是与上游迎水面坡度有关的参数
对上游面垂直的WES型实用堰,后人通过试验,又将原堰顶上游的两段圆弧改为三段圆弧,即在上游面增加了一个半径为的圆弧,这样就避免了原有的上游面边界上存在的折角,改善了堰面压力条件,增加了堰的安全度,如图所示。
(二)流量系数
曲线型实用堰的流量系数主要取决于上游堰高与设计水头之比()、堰顶全水头与设计水头之比()以及堰上游面的坡度。在堰的运用过程中,常不等于。当<时,过水能力减小,<;当>时,过水能力增大,>。