第八章堰流及堰下游的水流衔接
【教学基本要求】
1、了解堰流、闸孔出流的流动特点和区别,掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件。
2、掌握堰流的分类和计算公式,掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法,会进行流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法,重点掌握宽顶堰流的水力计算。
3、了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。
4、掌握闸孔出流的计算公式和水力计算方法,能正确确定闸孔出流的流量系数和淹没系数。
5、了解泄水建筑物下游的水流特点和衔接消能方式,掌握底流消能的水力设计方法,会进行消力池尺寸的计算。
【学习重点】
1、堰流的分类和计算公式,掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法;
2、流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定,重点掌握宽顶堰流的水力计算。
3、小桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。
【内容提要和学习指导】
这一章的主要任务是学习堰、闸和桥涵的过流特性和水力计算以及水跃消能的水力设计。学习本章我们要了解堰流和闸孔出流的特点和互相转化的分界条件,以便正确选择对应的公式进行设计计算。本章有众多的经验公式和经验系数,我们要了解公式中各种系数的物理意义和影响因素,众多的经验公式不必强记,但要会利用公式或图表来确定计算中所需的流量系数、淹没系数、侧收缩系数的数值。
§8-1
堰流的类型及计算公式
一、堰流的类型
堰流:在明渠流中,为控制水位或控制流量而设置构筑物,使水流溢过构筑物的流动称为堰流。溢经该构筑物的水流发生收缩与跌落的水流现象称为堰流。
堰流的水力特征概括如下:
1.堰的上游水流受阻,水面壅高,势能增大;
2.在重力作用下,流经堰的水流产生跌落,同时在离心惯性力作用下,水流断面产生收缩;
3.整个堰流过程是势能积聚并重新转化为动能的过程;
4.缓流向急流连接作急变流,流线发生显著弯曲;水流内部存在离心惯性力; 5.堰流中心以局部阻力为主,很小的沿程损失可忽略不计。
堰顶厚度对堰流的跌落,收缩和水头损失等方面产生影响,根据试验资料,随堰顶厚度δ与堰顶水头H比值不同,堰流及堰可分为三种类型,即:
1.壁堰流及薄壁堰 即
67.0≤H
δ
,越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响,水舌下缘与堰顶只有线的接
触,水面呈单一的降落曲线,对应地称为薄壁堰。
图8-1
2.实用堰流及实用堰 即5.267.0≤<
H
δ
,由于堰坎加厚,水舌下缘与堰顶呈面的接触,水舌受到堰顶的约
束和顶托,但这种影响还不大,越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落,这类堰的
剖面可呈折线型或曲线型。
3.宽顶堰流及宽顶堰 即105.2≤<
H
δ
,在此条件下,
堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显,时入堰顶的水流,受到堰顶垂
直方向的约束,过水断面渐小,流速
加大,由于动能增加,势能必然减小;再加上水流进入堰顶时产生局部能量损失;所以,进口处形成水流跌落。此后,由于堰顶对水流的顶括作用,有一段水成与堰顶几乎平行,当下游水位较低时,出堰水流又产生第二次水面跌落。实验表明,宽顶堰流的水头损失仍然主要是局部水头损失,沿程水头损失可以略去不计。
(水流接近堰顶时,由于流线收缩,流速加大,自由表面也将逐惭下降,习惯
上把堰前水面列明显下降的00---断面叫做堰前断面;该断面堰顶以上的水深叫堰顶水头,以H 表示;堰前断面的流速称为行近流速0V 。实测表明,堰前断面距上游壁面的距离约为()H 5~31=)。
此外,对每一种堰,又可以从不同角度分为:自由出流(下游水位不影响堰的泄流量)和淹没出流(下游水位影响堰的泄流量);有侧收缩堰(溢流宽度小于上游行近渠道的宽度)和无侧收缩堰。
二、堰流的基本公式
它是指以矩形薄壁堰,实用堰和宽顶堰均适用的普遍流量公式。
如图所示,以矩形薄壁堰自由出流为例推导。
通过堰顶取基准面0-0,在堰上流(3-4)H处取渐变流断面1,过基准面与舌中线的交点取断面2,据试
验,断面2为渐变流断面。
对断面1、2列能量方程:
hw g
V p Z g
V p Z ++
+
=+
+
222
222
22
111
1αγ
αγ
式中:
0;
0,2
121==
==γ
γp p Z H Z (二者皆通大气)。
21V V = (行近流速);
取
g V hw V V 2,,,2
2201ξαααα====
02
002H g
V H =+
α(ξ为堰的局部水头损失)
(8.2)
将上述关系代入能量方程得:
g
v g v H 222
2
0ξα+=
(8.3)
整理得: 00221
gH gH Φ=+=
ξ
αν
(8.4)
式中:φ称为流速系数,(1>+ξα,1<φ)。
设断面2的水舌厚度为0KH ,K 为与水舌垂向收缩情况有关的系数,而溢流宽度为b ,则KHb A =2,通过堰的流量为:
??
??
?+==23
02H g b k A Q ξαν (8.5)
令
ξ
α+=
k
m (m 为流量系数)
则
23
02H g mb Q =
(8.6)
以上推导没有考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响,由于这两种影响均使过堰流量减少。所以,要把这两种影响也反映到公式中来,那就要再乘以淹没系数σ和侧收系数ε(σ和ε均小于1;当不淹没和无侧收缩时为1),于是上式变为:
23
2H g mb Q δε=
(8.7)
这就是堰流的普遍公式,虽是以薄壁堰推导而得,但仍有失其普遍性,因为三种堰的物理本质并无差异,其间的差别仅体现在流量系数m ,淹没系数σ和侧收缩系数ε的确定方法及数值上。
§8-2
宽顶堰
一、宽顶堰的流量公式
在自由出流下,水流在进口附近有收缩现象,如下图中收缩断面C—C,当堰壁厚度
H 4>σ时,水位在收缩面以后略有回升,并在堰顶上形成近似水平的流段,这与薄壁堰和
实用堰的水舌形状很不同。
对宽顶堰的流量公式除23
02H g mb Q =和23
2o H g mb Q δε=外,还有另外常用的形式,现推导如下:
以堰顶为基准面,如上图所示,断面2取在堰顶水面近似水平的流段内,写断面1、2的能量方程:
g
v g v h g v H o 2222
2
20
ξαα++=+
(8.8)
化简,得
g
v h H o 2)(2
ξα++=
(8.9)
解得
)(2)(21
h H g h H g o o -Φ=-+=
ξ
αν
(8.10)
式中:φ为流速系数。 过水面积bh A =,则
)(2h H g bh Q o -Φ=
(8.11)
上式中,若令kH h =,再合并有关系数,同样可得堰流的基本公式。
此外,在式(8.11)中,当00→V 时,即H H =0,则因Z h H =-,(8.11)写为:
gz bh Q 2Φ=
(8.12)
式中:Z 为上游水位与堰顶水位之差。
(8.11)、(8.12)同为宽顶堰自由出流的公式。
二、宽顶堰的堰顶水深(h )
关于宽顶堰自由出流时的堰顶水深,以巴赫米切夫理论为例,分析如下:
巴认为:万物在重力场作用下,总要跌落到能量最小的地方,堰流也一样,在堰顶亦具有最小能量,即当堰顶为水平时,单位机械能就是断面单位比能S E ,即堰上水深为k h 。
据巴氏理论,堰上水深()k h h 与总水头的关系仍参考上图加以推导,但此时k h h =,
k V V =。
列断面1、2的能量方程:
g
V g v hc g v H C C
C o 2222
2
20ξαα++=+
(8.13)
令ξ
α+=
Φc 1
,设1=C α,则11
2
-Φ=
ξ; g
V H H g V hc o o C 2,222
02α+==
(8.14)
hc hc hc H o 21
)11(212?-Φ
++=
(8.15)
因此
o H hc h 2
2
212Φ+Φ==
(8.16)
若不计阻力,1=φ,则o H hc h 3
2=
=;若考虑阻力,1<φ,h 则略小于o H 32
。
以上理论分析所得的结论与试验结果相一致。
三、流量系数)(m ,侧收缩系数()ε,淹没系数()δ
1. 流量系数)(m
①据以上巴氏理论,当o H hc h 3
2
=
=(即不计阻力时Ф=1)
。 ??
??
?Φ=-Φ=23
2385.0)32(232o o o
o H g B H H g H B Q
(8.17)
与堰流基本方程2
3
2o H g mB Q =比较,得:φ385.0=m 。
当1=φ时,385.0=m ,这是宽顶堰流量系数的理论最大值,实际上m 与宽顶堰的进口开形式,水头H ,堰高p 有关,可以由经验公式或表查取。
②别列辛斯基经验公式:
直角进口
????
?????+-+=<=≥H a H b m H
p m H p
75.046.0301
.032.0,332.0,3 (8.18)
圆弧进口 ????
?????+-+=<=≥H a H a m H
p m H p
5.12.1301
.036.0,336.0,3 (8.19)
上式适用于02.0H r ≥的情况。
圆弧进口
2. 侧收缩系数()ε
渠道里设置置有闸墩或边墩的宽顶堰,即堰宽小于渠道宽度的宽顶堰流将发生倾向收缩,引起水流分离,使宽顶堰主流的实际宽度
c b 小于堰宽b ,水流阻力也因此增大,所以其
泄流能力变小。
用b
bc =ε来反映侧收缩影响。
ε与堰宽与渠宽的比值B b
,边墩的进口
形状及进口断面变化)(H
h
有关,经验公式为:
4
3
)1(2.01B
b B b H
h a -+
-
=ε (8.20)
式中:A 为墩形系数,矩形边缘19.0=b ;圆形边缘10.0=a 。 3:淹没系数()σ
先说明宽顶堰的淹没条件。 在自由出流条件下,由于进口处的流线收缩,而使c c h h <0而成急流,如图1所示c c h h <0,之后,若宽顶堰厚度足够长,堰顶水面近似于水平,堰顶水深
c h h ≈。
随着下游水位上升,当s h 略大于c h 时,如下图a 所示,堰顶出现波水跃,收缩断面仍为急流,下游水位不会影响堰的泄流量,仍为自由出流。
下游水位继续升高,以致收缩断面被淹没,如(b )所示,当堰顶水流为缓流时就成为淹没出流。当水流进入下游明渠时,断面扩大,有一部分动能消耗于出口损失,另一部分将转化为位能。因此,下游水面高出堰顶水面h ?,称为恢复水深。
据分析,淹没出流时s h 比c h 大,而067.0H h c =,那么s h 究竟要多在才是淹没出流呢?
据实验,宽顶堰的淹没条件为:
8.0>o
H hs
(8.21)
δ的大小取决于淹没程度,δ与o
H hs
成反比,δ可查表得。
§8-3
实用堰与薄壁堰
一、实用堰
其流量公式和宽顶堰相同,即:
23
2H g mb Q σε=
(8.22)
但式中m 与宽顶堰不同,曲线型的实用堰m 值在52.0~45.02之前,折线型实用堰则在42.0~35.0之间,σ和ε的数值参图有有关书刊。
二、薄壁堰
1:矩形薄壁堰
薄壁堰堰壁厚度不影响水舌形状,水头相对不大,且上游行近渠道一般建造的比较规则,
为简便计,在公式2
32o H g mb Q =中,用水头H代替HO,而把g
V o 22
0α的影响并入流量系
数考虑,于是有:
2
320H g b m Q =
(8.23)
式中0m 是包括行近流速影响在内的流量系数,也称为流量系数,0m 大致在
50.0~40.0之间,可用经验公式计算:
???
??
?+++
=3)(55.01)0027.0405.0(h H H H m o (8.24)
上式的应用范围是:
堰宽m b 0.2~2.0=;堰高m h 75.0~24.0=;堰上水头m H 24.1~05.0=。
2:三角形薄壁堰
堰口横断面形状为三角形,一般采用?=90θ三角形堰,也可采用式:
5.102H g b m Q =
(8.25)
由实验可得158.00=m 。
因为?=90θ,所以堰顶水成宽H b 2=,代入上式可得:
5.24.1H Q =
(8.26) 图8-9
式中Q 单位以s m /3
计,H 以m 计。
实际上在堰口的水深并不等于H ,由实验得出的三角形薄壁堰流的经验公式:
)/(0154.047.2s L H Q =
(8.27)
该式适用于m H 25.0~05.0=,式中H以cm 计。 3:梯形薄壁堰
堰口横断面成梯形,θ一般为?14
25.0=θtg ,5
.112H g b m Q =
(8.28)
据实验42.01=m ,得:
)/(86.16.1942.035.15.1s m bH H b Q == (7.29) 图8-10
式中:B 、H 单位均以m 计,适用于H b 3>。
实验证明,当梯形二腰成?14角时,倾斜部分所增加的流量正好抵消侧向收缩所减小的流量,有倾收缩的?=14θ的梯形堰作自由出流时,其流量和没侧收缩的自由出流矩形堰相同。
堰流、闸孔出流的特点和区别
(1)堰流和闸孔出流的特点:堰流和闸孔出流都属于急变流,都是壅高水位以后,靠重力作用形成的水流运动,其能量损失以局部水头损失为主。堰和闸都是属于控制建筑物,用于控制水位和流量。
(2)堰流和闸孔出流的区别:堰流的上部不受闸门控制,水流自由表面是连续光滑的;而闸孔出流正好相反,由于受到闸门的控制,自由表面被闸门截断。堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。
(3)堰流与闸孔出流是密切相关的,当闸门开度e 大于一定值,闸门底缘对水流没有约束时,闸孔出流转化为堰流。其判别标准是:
闸底坎为平顶宽顶堰时: e /H ≤0.65为闸孔出流,e /H >0.65为堰流; 闸底坎为曲线型宽顶堰: e /H ≤0.75为闸孔出流,e /H >0.75为堰流。 闸门主要分为平板闸门和弧形闸门,闸底板形式也可分为宽顶堰和曲线型实用堰。 (1)闸孔出流的特征
宽顶堰上的闸孔出流存在收缩断面,收缩断面水深为h c
h c =ε2 e (7-6)
式中:e 是闸门开度,ε2是闸孔出流量收缩系数,取决于闸门形式、相对开度、闸底坎型式,对于平板闸门和弧型闸门分别查教材中的表7-14和表7-15。
曲线型实用堰上的闸孔出流,只有在堰下游坡角处才存在收缩断面,h c 的计算见本教材第7.5.2节。
(2)闸孔出流计算公式
(7-7) 式中:μ是闸孔流量系数,取决于闸门形式、相对开度
H
e
和闸底坎型式。b 是闸孔宽度;e 是闸门开度;σS 是闸孔出流的淹没系数,与根据闸门型式及边界条件确定,σs 与潜流比
c
c
t h H h h ''-''-有关,由图7-33查得。 注意:对比堰流和闸孔出流的计算公式,我们可以看到堰流的流量闸孔出流的流量2
10
H Q ∝。这是堰流与闸孔出流的重大区别,由闸门下缘是否对水流施
加约束造成的。利用堰流过流能力随水头迅速增加的特点,可以迅速将洪水泄排向下游;但堰顶的高程较高,不能排沙或放空水库进行检修,而闸孔出流可以完成这个任务。在大中型水利工程中,通常都设有堰和中孔或底孔,分别用来完成控制水位、流量和排沙的不同任务。由于深孔闸门的设计要求和造价较高,对于小型水库有时不设深孔排水和排沙,这样容易使水库造成淤积而兴利效益减小。
2gH be s σQ μ=
§8-4 小桥孔径水力计算
一、小桥孔径水力计算原则和水力图式
因为流经桥孔水流的水力图式类似于宽顶堰,因此宽顶堰理论被应用于小桥的水力计算中,同宽顶堰一样,按照小桥下游水流对桥孔出流的不同影响,小桥的出流也有自由出流和淹没出流之分。
据实验,桥下水深'
3.1k t h h <时,自由出流;
据实验,桥下水深'
3.1k t h h ≥时,淹没出流; 据实验,桥下水深'
k h 为桥孔内的临界水深。
设桥孔宽度为b ,考虑侧收缩的影响,桥孔主流宽b ε,则:
g
b Q h k
22
3
)(εα='
(8.30)
将5
.102H g mb Q ε=代入(8.30)得
0322H m h k
α=' (8.31)
m 值取为0.34。
则
0614.0H h k =' 或 08.03.1H h k
≈' 这与宽顶堰的淹没条件是等价的。
按宽顶堰理论分析,自由出流条件的小桥水流情况是,水流在进入桥孔(相当于宽顶堰顶)后形成一个收缩水深c h (如下图a),而'
k c h h ?=,φ值视小桥进口形式和水流收缩情况而定。但在目前小桥设计中常采取下述的水力图式进行计算:(如下图b 、c)。
图8-11
(C)
二、自由出流时小桥水力计算
1.求k h ':对于自由出流,桥孔水深k h h '=,取'V V k =(允许流速),即:
???
?
???
=''
='=322
)(g b Q h V h b Q V k k k εαε (8.32)
3122g
V h h k
k
'='α (8.33)
g
V h h k
k
223
''='α (8.34)
则
g
V h k
2
'='α
(8.35)
据给出的'V ,即可算出k h '的初始值。
2.若'
3.1k t h h <,则假设成立,按上图b 所示,桥孔孔径:
2V gQ
V h Q b k
'=''=
αεε (7.36)
据小桥结构标准尺寸,选用一个与计算的B较接近,但应稍大于b 的标准孔径(净孔尺寸)L,作为计算结果。
3:据选用孔径L,复算k h '
g
L Q h k 22
3
)('εα=
(7.37)
式中ε值可据桥台形状,查表。
因为b L >,由上式算出的k h '小于前面算得的k h ',这样有可能出理原先由(8.37)试算
时属于自流出流(即'3.1k t h h <)的情况,因b L >,即随k h '的减小,而改变成'
3.1k
t h h <的淹没出流,如果这样,那么就按淹没出流条件,重新计算。
4:若经过复算,仍为自由出流,则L 可不改变 5:复核桥前壅水深度H
g V g
V Q h H k K 221200
22α'-
'+'= (7.38)
若忽略行近流速,则
g
V Q h H k K
212
2'?+'= (7.39)
假如由L 算得的H 值小于桥前允许的壅水深度H ',那么L 即为最后解答,否则要重新计算,采用一个较大的L ,在计算过程中仍要复核k h ',检查是否有自由出流改变为淹没出流的可能性。
三、淹没出流时小桥水力计算
计算桥孔孔径:(水力图示如图C所示)
V h Q
b t '
=
ε (8.40)
选用L ,b L >,所以桥下流速:
V L
h Q
V t T '≤=
ε (8.41)
对于淹没出流的水力计算,不必复核k h '。 复核桥前壅水深度H 。
g V g
V h H o o t t 2212
22αφ-?+= (8.42)
若允许忽略g V o 220α,则:g
V h H t t 212
2?+=φ。
§8-5
堰下游水流衔接与消能
一、堰下水流衔接和消能方式
堰下水流衔接状态和所取消能方式有关,消能方式及消能措施的取用决定于水流条件,河床地质与地形因素和工程应用条件。
堰下水流衔接和消能方式有: 1.底流型衔接和消能
堰下水流(急流)贴河低射出,通过有控制地发生水跃消能后水流平缓地进入下游水体。(图A)
图8-12
2.面流型衔接和消能
溢洪道未端的“跌坎”,将下泄水流的主流射向下游水体的表层,避免直接冲刷河床(图 B),河床与高速的表层水流间的漩滚区消减水流部分能量。
3.推流型衔接和消能
下泄水流经过溢洪道末端的推流鼻坎,被推射入空中,而生落入距离建筑物较远处下游水体(如图C),水流经扩散,掺气,紊动掺混等作用被消除部分机械能。
图
8-13
(d)
(c)
4.戽流型衔接和消能
溢洪道末端形成一个具有较大反弧半径和较大推角的 面戽勺的消能戽(如图D),经戽 泄出的高速水流被下游较高水体的顶托,在戽内形成表面漩滚,贴戽 底射出的主流,被推起涌浪,在戽后主流下产生一个反向的底部漩,有时在涌浪后出现一个小的漩滚。
二、堰下底流衔接分析
1.底流衔接的三种情况:
由于收缩断面水流一般呈急流,河道下游水流一般为缓流,二者通过水跃连接。 以收缩水深c h 作为跃前水深'h ,则跃后水深"=''c h h ,据下游河段的水深t h 与"
c h 的相对大小,水跃发生的位置将有所不同,因而出现三种底流衔接情况。
①临界水跃衔衔接:
即"
=c t h h 跃前断面恰好在收缩为面,(如图A) ②远离水跃衔接:
即"
③淹没水跃: 即" >c t h h ,这个下游水深要求一个比c h 更小的跃前水深1h 与之相对应,而收缩断面水深c h 是建筑物下游的最小水深,所以不可能再找到一个比c h 更小的水深,若下游水深满足上述关系时,水跃只能淹没收缩断面,形成淹没水跃。(图C) 从以上分析可知,要判别建筑物下游水跃发生的位置,即判别水跃的形式,必须已知收缩断面水深c h ,下面介绍c h 的计算。 三、收缩断面水深c h 的计算 图8-15 以溢流坝为例。如上图所示。设流量为Q ,行近流速为0v ,坝上水头为H ,坝高为H 。以收缩断面的最低点为基准面,对坝前断面1和收缩断面c 列能量方程,则有: g v g v h g v h H c c c c 22222020ξ αα++=++ (8.43) 化简,得 g v h H c c c 2)(20ξα++= (8.44) 0H —总水头 令фξ α+= 1 ,则2 1 φξα= +, 代入上式得: 2 202φ g v h H c += (7.45) 式中:ф为溢流坝得流速系数。 用c c A Q V = (c A 为收缩断面面积)代入上式,得 2 22 02c c A g Q h H φ+= (8.46) 对于矩形断面河渠,Q =9b,b h A c c =,b 为河渠底宽,则有: 2 22 02c c h g q h H φ+= (8.47) 以上各式中,00,,,H V h q 是已知的,Φ的影响因素较多,它与进口形式、坝面粗糙程度、坝高、坝上水头等有关,其值一般由经验确定。式(8.46)和(8.47)为c h 的三次方程,一般用试算法求解,对于矩形断面河渠,c h 也可用图解法求解。 1:试算法 已知Q H ,0及河渠断面形状,在选定中值后,可假定一个c h 值,求得c A ,由(8.46)右端可算出一个数值来,若恰好等于已知的0H 值,则所设的c h 为所求;若不等,再假定c h 值继续试算,直到相等为止。 注意:(8.46)为三次方程,可以有三个根,而符合实际情况的是小于k h (8.46)(临界水深)的那一个值,所以试算时可只在小于k h 的数值中取假定值。 2:图解法 对于矩形断面明渠的c h 可用查附录Ⅵ求解。 因为 3 2 g q h k α= (8.48) 所以 223 02c k c h h h H φ+= (8.49) 四、降低护坝高程形成消力池的水力计算 若判知泄水建筑物下游发生远离水跃或临界水跃,则应采取工程措施,以保证建筑物下游能发生淹没系数''' c t h h = σ来表示。在进行泄水建筑物下游的消能设计时,一般要求: 1.1~05.1'=σ (8.50) 使远离水跃或临界水跃转变为淹没水跃的关鍵在于增大下游水深t h 值。对于一定的河床,Q 一定时,下游的水深也就定了。但是我们没有必要改变整个河道来加大水深,只要在靠近建筑物下游较短的距离内使水深增大 到足以发生淹没水跃即可。为此,可采取下列 措施: 1.把紧邻泄水建筑物后的一段下游护坝高程降低,开成一个水池,池中水深也就相应增大,并在池中发生淹没水跃。这种降低护坝高程所形成的水池称为消力池。 2.在泄水建筑物下游附近的河床中筑一道低堰,使堰前水位壅高,增大泄水建筑物后的水深以发生淹没水跃。这种下游建筑物的低堰称为水力墙。 3.若单独采用消力池或消力墙在技术经济上均不适用时,可两者兼用,这种消能设施称为消力池。 上述各种消能设施统称为消能Ⅰ。 这里讨论降低护坝高程以形成消力池的水力计算,也就是通过水力计算确定需要降低的深度S 和消力池的长度L 。 ⑴消力池挖深S 图8-16 为在消力池内形成淹没水跃,需要消力池未端水深''''c h h >,或'''''c h h σ=(0.1~05.1' =σ)。各水力参数见上图。 消力池未端水深: '''''c t h Z S h h σ=?++= (8.51) 以消力池底为基准面' O O --,取计算面1―1,2―2,写能量方程: g v g v h S g v S h Z t t 2222 2 2 2 2211ζαα+++=+++? (8.52) 取 ' '''1h q Bh Q v == ,t t h Q Bh Q v ==2 代入(8.52)得: )) (11(22'''222c t h h g q Z σ-Φ=? (8.53) 若已知S ,可得S h H H ++=0,从而求出c h ,而 ]}1)(81[2{ 3''''-+=c k c c h h h h σσ (8.54) 将(7.53)代入(7.51)得: 2 ''2 222''') (22c t t c h g q h g q S h h σφσ-++= (8.55) 或 2 22 2''2'''2)(2t t c c h g q h S h g q h φσσ+ =-+ (7.56) (7.56)式右侧各项为已知值,令A h g q h t t =+2 22 2φ,左侧为S 或S 的函数,用试算法求得。 试算中可参考下列计算S 初始值:)(25.1' 't c h h S -= (8.57) 此式中' 'c h 不考虑S 值求得。 ⑵消力池长度L L 可以看作由堰下射流长度i L 和水跃长度j L 组成,由于形成淹没水跃。故j L 可乘以 小于1.0的?的系数修正。一般取75.0=?,池长:j i L L L ?+= (8.58) 式中:i L 和j L 都可以按经验公式计算: )24.0(74.100H S P H L i ++= (8.59) )(9.6''c c j h h L -= (8.60) 第七章 堰流和闸孔出流能力计算 一、选择题 1、作用水头相同时,孔口的过流量要比相同直径的管咀过流量 (1)大 (2)小 (3)相同 (4)无法确定 。 2、堰流的流量与堰顶水头的( )成正比。 (1)1/2次 (2)3/2次方 (3)2次方 (4)1次方 3、闸孔出流的流量与闸前水头( )成正比 (1)1次方 (2)2次方 (3)0.5次方 4、对WES 曲线型实用堰来说,当实际水头小于设计水头时,实用堰的实际过水能力( )设计过水能力。 (1)大于 (2)小于 (3)等于 (4)不一定 5、发生水跃是水流由 (1)缓流过渡到急流 (2)临界流过渡到急流 (3)急流过渡到急流 (4)急流过渡到缓流 6、当堰厚为δ,堰上水头为H ,那么0.67 2、何谓堰流,堰流的类型有哪些?如何判别? 3、下图中的溢流坝只是作用水头不同,其它条件完全相同,试问:流量系数哪个大?哪个小?为什么? 四、计算题 1、如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流,闸门底缘斜面朝向下游,当闸门开 度e=1m 时,其泄流量Q = 24.33m /s ,闸孔宽b= 4m ,试求:堰上水头H 。 2、一曲线型实用堰,堰顶设有弧型闸门,如下图所示。已知堰顶宽度b=10m ,堰顶水头H=6m ,闸门开度e=2m ,不计行近流速,闸下游为自由出流。试求闸孔泄流量Q 。 (流量系数H e 19.0685.0-=μ) 3、有一三角形薄壁堰,堰口夹角090=θ,夹角顶高程来0.6m,溢流时上游水位为0.82m, 下游水位为0.4m ,求流量。 4、为了灌溉需要,在某河修建拦河溢流坝一座,如图所示。溢流坝采用堰顶上游为三圆弧段的WES 型 实用堰剖面。(单孔边墩为圆弧形)坝的设计洪水流量为540s m /3 ,相应上、下游设计 洪水位分别为50.7m 和48.1m 。坝址处河床高为38.5m ,坝前河道过水断面面积为5242m .根据灌溉水位要求,已确定坝顶高程为48.0m ,求:坝的溢流宽度B 。 第八章 堰流及闸孔出流 第一节 概 述 水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的,常需要修建堰闸等泄水建筑物,以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。 一.堰流及闸孔出流的概念 既能壅高上游水位,又能从自身溢水的建筑物称为堰。 水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍,上游水位壅高,水流经过溢流堰顶下泄,其溢流水面上缘不受任何约束,而成为光滑连续的自由降落水面,这种水流现象称为堰流。 水流受到闸门或胸墙的控制,闸前水位壅高,水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出,过水断面受闸门开启尺寸的限制,其水面是不连续的,这种水流现象称为闸孔出流。 二.堰流与闸孔出流的水流状态比较 堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象:堰流时,水流不受闸门或胸墙控制,水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。而闸孔出流时,水流要受到闸门的控制,闸孔上下游水面是不连续的。 对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言,在一定边界条件下,堰流与闸孔出流是可以相互转化的,即在某一条件下为堰流,而在另一条件下可能是闸 孔出流。堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e 有关外,还与闸底坎形式或闸门(或胸墙)的形式有关,另外,还与上游来水是涨水还是落水有关。经过大量的试验研究,一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。 闸底坎为平顶堰 65 .0≤H e 为闸孔出流, 65 .0>H e 为堰流。 闸底坎为曲线堰 75 .0≤H e 为闸孔出流, 75 .0>H e 为堰流。 式中,H为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深,e为闸门开度。 堰流与闸孔出流又有许多共同点:①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位,形成了一定的作用水头,即水流具有了一定的势能。泄水过程中,都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物,其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流,在较短距离内流线发生急剧弯曲,离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响;④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。 第二节堰流的类型及水力计算公式 一、堰流的类型 常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同,其水流特征也不相同。在水力计算时,并不按堰的用途分类,而是按堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小来划分堰流类型,即按堰的相对厚度对堰流进行分类。 (1)薄壁堰流: 67 .0 < H δ 。此时越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响,水 舌下缘与堰顶只呈线的接触,水面为单一的降落曲线。由于薄壁堰常将堰顶做成锐缘,故薄壁堰也称为锐缘堰。 (2)实用堰流: 5.2 67 .0< ≤ H δ 。水舌下缘与堰顶呈面的接触,水舌受到堰顶的 约束和顶托,但这种影响还不是很大,越过堰顶的水流主要还是在重力作用下的自由跌落。 (3)宽顶堰流: 10 5.2< ≤ H δ 。此时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,过水断面减小,流速增大,加之水流进入堰顶时存在局部水头损失,因此,在进口处形成了水面跌落。然后水面几乎与堰顶保持平行,当下游水位较低时,流出堰顶的水流又会产生第二次水面跌落。 当 10 > H δ 时,沿程水头损失已不能忽略,此时的水流特性不再属于堰流, 而应该按明渠水流处理。对同一个堰而言,堰坎厚度δ是一定的,但堰上水头H 却是随水流状况变化的。 堰流的类型虽然有以上几种,但其水流的运动却有着共同的规律。比如,水流在趋近堰顶时,由于流线收缩,流速增大,溢流自由水面均有明显的降落;从作用力方面来讲,重力作用是主要的;从水流的流线变化情况来看,堰流都属于明渠急变流,离心惯性力的影响比较显著,有时还存在表面张力的影响;从能量方面讲,都是势能转换为动能,而且水流运动过程中以局部水头损失为主。既然如此,堰流问题就可以用同一个公式来描述。 第十章 明渠流和闸孔出流及堰流 10—1某梯形断面粉质粘土渠道中的均匀流动,如图所示。已知渠底宽度b =2.0m ,水深h 0=1.2m ,边坡系数m =1.0,渠道底坡度i =0.0008,粗糙系数n =0.025,试求渠中流量Q 和断面平均流速v ,并校核渠道是否会被冲刷或淤积. 解: A =222200(2 1.21 1.2m 3.84m )bh mh +=?+?= Q 1 22 3 53 i A n χ - = v = 3.46 m/s 0.90m/s 3.84 Q A == 校核:由表10-3查得粉质粘土最大允许流速为1m/s ,因h 0=1.2m>1.0m ,需乘以系数k =1.25,所以v m ax =1?1.25 m/s =1.25m/s ,最小允许流速v m in =0.4m/s ,满足v max >v >v min 条件。 10—2 设有半正方形和半圆形两种过流断面形状的渠道,具有相同的n =0.02,A =1.0m 2,i =0.001,试比较它们在均匀流时的流量Q 的大小。 解:设正方形渠道流量为Q 1,半圆形渠道流量为Q 2, Q 1 =152 21 3 31111 i AC A n χ-= 其中 A A A n n i i ====212121,,,2 12321 ()Q Q χχ= 由于 212A h = ,1h = 114h χ===又 22222π,π2r A r r χ===== 210.89χχ== , 2232 193.0)89.0(Q Q Q == 10—3 某梯形断面渠道中的均匀流动,流量Q =20m 3/s ,渠道底宽b =5.0m ,水深h 0=2.5m ,边坡系数m =1.0,粗糙系数n =0.025,试求渠道底坡i 。 解:1522 233523 3 ()i Qn Q A i n A χχ--==由知 可保证正常的排水条件,且不必人工加固。 10—4为测定某梯形断面渠道的粗糙系数n 值,选取L =1500m 长的均匀流段进行测量。已知渠底宽度b =10m ,边坡系数m =1.5,水深h 0=3.0m 。两断面的水面高差z ?=0.3m ,流量Q =50m 3/s ,试计算n 值。 解:12f z z z h -=?=,0.30.00021500 f f h i J J L === == 由均匀流基本方程可得15 22 33i n A Q c -=,式中22 2(10 3.0 1.5 3.0)m 43.5m A =?? 第八章 孔口(管嘴)出流、堰顶溢流和闸孔出流 1、当 H =2 m ,δ=0.6 m ,如图所示的的建筑物为实用堰。 ( ) 2、当水头及其它条件相同时,薄壁堰的流量大于实用堰的流量。 ( ) 3、只要下游 水位超过宽顶堰堰顶,一定是淹没出流。 ( ) 4、两个WES 型实用堰,堰高大于三倍水头,它们的设计水头不等,即d2d1H H ≠,但泄水时d11H H =,d22H H =,则它们的流量系数 m 1=m 2。 ( ) 5、无侧收缩与收缩的实用堰,当水头、堰型及其它条件相同时,后者通过的流量比前者大。 ( ) 6、锐缘平面闸门的垂向收综系数 'ε 随相对开度 H e 的增大而 ( ) (1) 增大 (2) 减小 (3) 不变 (4) 不定 7、当实用堰水头 H 大于设计水头 H d 时,其流量系数 m 与设计流量系数 m d 的关系是 ( ) (1) m =m d (2) m > m d (3) m < m d (4) 不能确定 8、平底渠道中弧形闸门的闸孔出流,其闸下收缩断面水深 h c0 小于下游水跃的跃前水深 h 1,则下游水跃的型式为 ( ) (1) 远离式水跃 (2) 临界式水跃 (3) 淹没式水跃 (4)无法判断 9、有两个 WES 型实用堰(高堰),它们的设计水头分别为 H 1=H d1,H 2=H d2,则它们的流量系数 m 1 与 m 2 之间的关系为 ( ) (1) m 1 > m 2 (2) m 1 < m 2 (3) m 1=m 2 (4)无法确定 10、WES 型实用堰 (高堰),当水头等于设计水头 H d 时,其流量系数 m 等于 ( ) (1) 0.385 (2) 0.49 (3) 0.502 (4) 0.65 11、闸孔自由出流的流量公式为 ( ) (1) 2 30 v 2H g mnb q ε= (2) 2 3 v 2H g mnb q σε= (3) )(20v e H g nbe q εμ'-= (4) )(20v e H g mnbe q ε'-= 12、宽顶堰的总水头 H 0=2 m ,下游水位超过堰高度 h a =1.0 m ,此种堰流为_______________出流。 13、图示 4 种管嘴出流中,出口流速最大的是________,流量系数最大的是_______。 14、影响宽顶堰流量系数 m 值的主要因素为_________________________和________________________。 15、当堰的溢流宽度与上游渠道宽度相等时,称为_______________的堰流,当堰的溢流宽度小于上游渠道宽度时,称为________________的堰流。 16、对于宽顶堰式闸孔出流,当下游水深 t < h c02时,发生________________水跃;当 t > h c02 时,发生____ ___________水跃;当 t =h c02 时,发生_________________水跃。 17、闸孔出流和堰流的水流特征的不同点是 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 18、在下图中绘出宽顶堰淹没出流时的水面曲线示意图。 19、薄壁堰的水流阻力小于实用堰的水流阻力,为何其流量系数却小于后者? 20、某溢流坝,共 4 孔,每孔宽度 b =8 m ,各部分高程如图所示。上游设计水位为 210.0 m ,下游水位为 168.0 m 。当闸门开启高度 e =5 m 时,求通过溢流坝的流量。 ( 968.18m 3/s ) 21、某宽顶堰式水闸闸门全部开启时,上游水位为 0.6 m ,闸底坂高程为 0.4 m ,河底高程为 0,下游水位为 0.5 m ,流量系数 m =0.35。不计侧收缩影响。求水闸的单宽流量 q 。 ( 0.141m 3/sm ) 22、某水库的溢洪道断面为 WES 实用剖面。溢洪道共五孔,每孔净宽 b =10 m 。堰顶高程为 343 m 。上游水位 为 358.7 m ,下游水位为 303.1 m 。流量系数 m =0.45,侧收缩系数 95.0=ε。忽略行近流速 v 0。求通过溢洪道 的流量 q v 。 ( 5886.9m 3/s ) 23、在宽度 B =1 m 的矩形明渠中,前后各装设一矩形薄壁堰(堰高 a 1=1 m)和三角形薄壁堰(堰高 a 2=0.5 m),如图所示。水流为恒定流时,测得矩形薄壁堰前水头 H 1=0.13 m ,下游水深 t =0.4 m 。试求:(1)通过明渠的流量 q v ;(2) 三角堰前水头 H 2。 ( 0.0861m 3/s; 0.328m ) 24、有一溢流堰,堰顶厚度 δ=2 m ,堰上水头 H =2 m ,下游水位在堰顶以下,如图所示。如上、下游水位及堰高、堰宽均不变、堰宽均不变,当 δ 分别增大至 4 m 及 8 m 时,堰的过水能力有无变化?为什么? 25、在堰上水头 H 相同的条件下,为何实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数? 26、图示的三个溢流坝,作用水头不同,而其其它条件完全相同,试比较其流系数 m 的大小,并说明理由。 27、简述堰流淹没和水跃淹没的概念,并说明堰流淹没系数σ 和水跃淹没系数σ'的物理意义。 28、某矩形断面渠道中,设一弧形闸门,如图所示。已知闸前水深 H =14 m ,闸门开度 e =1 m ,闸孔净宽与渠道宽度 b 相等,且 b =3 m ,闸孔垂向收缩系数='ε0.72。流量系数=μ0.732。通过设计流量时,渠中正常水深h 0=3 m 。不计闸前行近流速。要求:(1)计算闸孔的流量 q v ;(2)判别闸下游水流衔接形式;(3)定性绘出闸上、下的水面曲线,并标明曲线类型。 ( 36.38m 3/s; ) 第八章 堰流及闸孔出流 水利工程中,为防洪、灌溉、航运、发电等要求,需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如,溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。 堰是顶部过流的水工建筑物。 图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响 闸孔出流:过堰水流受闸门控制时,就是孔流 堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强,而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位;在重力作用下形成水流运动;明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲,有离心力;出流过程的能量损失主要是局部损失。 相对性: 堰流和孔流是相对的,堰流和孔流取决于闸孔相对开度,闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件(涨水或落水)。 平顶堰: e /H ≤0.65 孔 流 曲线型堰:e/H ≤ 0.75 孔 流 e/H > 0.75 堰 e/H >0.65 堰 流 式中:e 为 闸孔开度; H 为 堰上水头 堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象,其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。 图4 闸孔出流 e H H v 0 图1 堰流 b H 图2 堰流 b e 图3 堰流及闸孔出流 H 第一节堰流的分类及水力计算基本公式 一、堰流的分类 水利工程中,常根据不同建筑材料,将堰作成不同类型。例如,溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型;实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同,能量损失及过水能力不同。 堰前断面:堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头:堰前断面堰顶以上的水深,用H 表示 行进流速:堰前断面的流速称为行进流速,用v0表示 堰前断面距离上游壁面的距离:L =(3~5) H 研究表明,流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ/H 而变,工程上,按δ与H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。 1. 薄壁堰:δ/H<0.67 越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响,水舌下缘与堰顶为线接触,水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形,故薄壁堰也称锐缘堰。 2. 实用堰流:0.67 <δ/H <2.5 水利工程,常将堰作成曲线型,称曲线型实用堰。堰顶加厚,水舌下缘与堰顶为面接触,水舌受堰顶约束和顶托,已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰:水利工程,常将堰作成折线形。 3. 宽顶堰:2.5<δ/ H<10 宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。 水流特征:水流在进口附近的水面形成降落;有一段水流与堰顶几乎平行;下游水位较低时,出堰水流二次水面降。 4. 明渠水流:堰坎厚度δ>10H 0 v0 H δ 1 1 图6 曲线型实用堰 P v v H P 1 1 δ 图7 折线型实用堰 当水流接近堰顶,流线收缩,流速加大,自由表面逐渐下降 H P1 v0 1 11v1 P2 δ 图5 薄壁堰 第八章 堰流和闸孔出流 第一节 概述 一、堰流及闸孔出流的概念 堰流:顶部闸门完全开启,闸门下缘脱离水面,水流从建筑物顶部自由下泄。 闸孔出流:顶部闸门部分开启,水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。 二、堰流及闸孔出流的水流状态比较 1、堰流和闸孔出流的区别:堰流的水面线是光滑的降落曲线;闸孔出流的上下游水面是不连续的。由于边界条件的这种差异,它们的水流特征及过水能力也不相同。 2、堰流和闸孔出流的相同点:引起壅水,然后水面降落,是在重力作用下形成的一种水流运动,都是从势能转化为动能的过程。都属于明渠急变流,主要是局部水头损失。 3、堰流和闸孔出流的转化: 闸底坎为平顶堰时: 65.0≤H e 时为闸孔出流;65.0>H e 时为堰流。 闸底坎为曲线型堰时: 75.0≤H e 时为闸孔出流;75.0>H e 时为堰流。 式中,e 为闸孔开度;H 为从堰顶算起的闸前水深。 第二节 堰流的类型及水力计算公式 一、堰流的类型 定义:堰前断面,堰顶水深,行近流速。堰前断面距上游壁面的距离:H l )5~3(= 1.薄壁堰流: 67.0 10第十章明渠流和闸孔出流及堰流 第十章 明渠流和闸孔出流及堰流 10—1某梯形断面粉质粘土渠道中的均匀流动,如图所示。已知渠底宽度b =2.0m ,水深h 0=1.2m ,边坡系数m =1.0,渠道底坡度i =0.0008,粗糙系数n =0.025,试求渠中流量Q 和断面平均流速v ,并校核渠道是否会被冲刷或淤积. 解: A =22 2 2 (2 1.21 1.2m 3.84m )bh mh +=?+?= 22 21(22 1.211m 5.39m )o b h m χ=++=+?+= Q =AC 1 223 53 i Ri A n χ - = 1 5 2 2 33330.0008 3.84 5.39m /s 3.46m /s 0.025- = ??= v = 3.46m/s 0.90m/s 3.84 Q A == 校核:由表10-3查得粉质粘土最大允许流速为1m/s ,因h 0=1.2m>1.0m ,需乘以系数k =1.25,所以v m ax =1?1.25 m/s =1.25m/s ,最小允许流速v m in =0.4m/s ,满足v max >v >v min 条件。 10—2 设有半正方形和半圆形两种过流断面形状的渠道,具有相同的n =0.02,A =1.0m 2,i =0.001,试比较它们在均匀流时的流量Q 的大小。 解:设正方形渠道流量为Q 1,半圆形渠道流量为Q 2, Q 1 =152 21 3 3 11 1111 i AC R i A n χ-= 1 52 2 233 2222 2 i Q A C A n χ- == 其中A A A n n i i= = = = 2 1 2 1 2 1 , ,,2 123 21 () Q Q χ χ = 由于2 1 2 A h = ,1h= 11 4h χ=== 又 2 2 222 π ,π 2 r A r r χ ===== 2 1 0.89 χ χ ==,2 2 3 2 1 93 .0 ) 89 .0(Q Q Q= = 1 1 5252 2 233 13333 11 1 0.001 1m/s0.8m/s 0.02 i Q A n χ-- ==??= 33 2 0.8 m/s0.86m/s 0.93 Q== 10—3 某梯形断面渠道中的均匀流动,流量Q=20m3/s,渠道底宽b=5.0m,水深h0=2.5m,边坡系数m=1.0,粗糙系数n=0.025,试求渠道底坡i。 解:152 2 2 33 52 33 () i Qn Q A i n A χ χ - - == 由知 2222 00 (5 2.51 2.5)m18.75m A bh mh =+=?+?= 2(5212.07m b h χ=+=+?= 2 52 33 200.025 ()0.0004 18.7512.07 i - ? == ? 0.00030.01 i<< 可保证正常的排水条件,且不必人工加固。 10—4为测定某梯形断面渠道的粗糙系数n 值,选取L=1500m长的均匀流段进行测量。已知渠底宽度b=10m,边坡系数m=1.5,水深h0=3.0m。两断面的水面高差z?=0.3m,流量Q=50m3/s,试计算n值。 水力学(堰流及闸孔出流)-试卷1 (总分:94.00,做题时间:90分钟) 一、单项选择题(总题数:6,分数:12.00) 1.单项选择题下列各题的备选答案中,只有一个是符合题意的。(分数: 2.00) __________________________________________________________________________________________ 解析: 2.两个WES型实用堰,都属于高堰,它们的设计水头H d1>H d2,但堰顶水头H 1 =H d1,H 2 =H d2,两者的流量系数关系是_____。 ( ) (分数:2.00) A.m 1 =m 2√ B.m 1>m 2 C.m 1<m 2 D.不能确定 解析: 3.锐缘平面闸门的垂向收综系数ε’随相对开度e/H的增大而_______。 ( ) (分数:2.00) A.增大√ B.减小 C.不变 D.不能确定 解析: 4.当实用堰堰顶水头大于设计水头时,其流量系数m与设计水头的流量系数m d的关系是____。 ( ) (分数:2.00) A.m=m d B.m>m d√ C.m<m d D.不能确定 解析: 5.平底渠道中弧形闸门的闸孔出流,其闸下收缩断面水深h c小于下游水深对应的水跃跃前水深,则下游水跃的型式为_______。 ( ) (分数:2.00) A.远离式水跃√ B.临界式水跃 C.淹没式水跃 D.无法判断 解析: 6.当水头等于设计水头H d时,WES型实用堰(高堰)的流量系数m等于______。 ( ) (分数:2.00) A.0.385 B.0.36 C.0.502 √ D.0.32 解析: 二、填空题(总题数:6,分数:12.00) 7.填空题请完成下列各题,在各题的空处填入恰当的答案。(分数:2.00) __________________________________________________________________________________________ 第八章堰流及堰下游的水流衔接 【教学基本要求】 1、了解堰流、闸孔出流的流动特点和区别,掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件。 2、掌握堰流的分类和计算公式,掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法,会进行流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法,重点掌握宽顶堰流的水力计算。 3、了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。 4、掌握闸孔出流的计算公式和水力计算方法,能正确确定闸孔出流的流量系数和淹没系数。 5、了解泄水建筑物下游的水流特点和衔接消能方式,掌握底流消能的水力设计方法,会进行消力池尺寸的计算。 【学习重点】 1、堰流的分类和计算公式,掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法; 2、流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定,重点掌握宽顶堰流的水力计算。 3、小桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。 【内容提要和学习指导】 这一章的主要任务是学习堰、闸和桥涵的过流特性和水力计算以及水跃消能的水力设计。学习本章我们要了解堰流和闸孔出流的特点和互相转化的分界条件,以便正确选择对应的公式进行设计计算。本章有众多的经验公式和经验系数,我们要了解公式中各种系数的物理意义和影响因素,众多的经验公式不必强记,但要会利用公式或图表来确定计算中所需的流量系数、淹没系数、侧收缩系数的数值。 §8-1 堰流的类型及计算公式 一、堰流的类型 堰流:在明渠流中,为控制水位或控制流量而设置构筑物,使水流溢过构筑物的流动称为堰流。溢经该构筑物的水流发生收缩与跌落的水流现象称为堰流。 堰流的水力特征概括如下: 1.堰的上游水流受阻,水面壅高,势能增大; 2.在重力作用下,流经堰的水流产生跌落,同时在离心惯性力作用下,水流断面产生收缩; 3.整个堰流过程是势能积聚并重新转化为动能的过程; 4.缓流向急流连接作急变流,流线发生显著弯曲;水流内部存在离心惯性力; 5.堰流中心以局部阻力为主,很小的沿程损失可忽略不计。 堰顶厚度对堰流的跌落,收缩和水头损失等方面产生影响,根据试验资料,随堰顶厚度δ与堰顶水头H比值不同,堰流及堰可分为三种类型,即: 1.壁堰流及薄壁堰 即 67.0≤H δ ,越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响,水舌下缘与堰顶只有线的接 触,水面呈单一的降落曲线,对应地称为薄壁堰。 图8-1 2.实用堰流及实用堰 即5.267.0≤< H δ ,由于堰坎加厚,水舌下缘与堰顶呈面的接触,水舌受到堰顶的约 束和顶托,但这种影响还不大,越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落,这类堰的 堰流及闸孔出流 第一节 概述 水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的,常需要修建堰闸等泄水建筑物,以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。 一.堰流及闸孔出流的概念 既能壅高上游水位,又能从自身溢水的建筑物称为堰。 水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍,上游水位壅高,水流经过溢流堰顶下泄,其溢流水面上缘不受任何约束,而成为光滑连续的自由降落水面,这种水流现象称为堰流。 水流受到闸门或胸墙的控制,闸前水位壅高,水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出,过水断面受闸门开启尺寸的限制,其水面是不连续的,这种水流现象称为闸孔出流。 二.堰流与闸孔出流的水流状态比较 堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象:堰流时,水流不受闸门或胸墙控制,水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。而闸孔出流时,水流要受到闸门的控制,闸孔上下游水面是不连续的。 对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言,在一定边界条件下,堰流与闸孔出流是可以相互转化的,即在某一条件下为堰流,而在另一条件下可能是闸 孔出流。堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e 有关外,还与闸底坎形式或闸门(或胸墙)的形式有关,另外,还与上游来水是涨水还是落水有关。经过大量的试验研究,一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。 闸底坎为平顶堰65.0≤H e 为闸孔出流,65.0>H e 为堰流。 闸底坎为曲线堰75.0≤H e 为闸孔出流,75.0>H e 为堰流。 式中,H 为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深,e 为闸门开度。 堰流与闸孔出流又有许多共同点:①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位,形成了一定的作用水头,即水流具有了一定的势能。泄水过程中,都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物,其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流,在较短距离内流线发生急剧弯曲,离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响;④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。 第二节堰流的类型及水力计算公式 一、堰流的类型 常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同,其水流特征也不相同。在水力计算时,并不按堰的用途分类,而是按堰坎厚度δ与堰上水头H 的比值大小来划分堰流类型,即按堰的相对厚度对堰流进行分类。 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23 s 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 第八章 堰流及闸孔出流 堰流:顶部闸门完全开启,闸门下缘脱离水面,水流从建筑物顶部自由下泄。 闸孔出流:顶部闸门部分开启,水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。 堰流和闸孔出流的区别:堰流的水面线是光滑的降落曲线;闸孔出流的上下游水面是不连续的。由于边界条件的这种差异,它们的水流特征及过水能力也不相同。 堰流和闸孔出流的共同点:A 都是在重力作用下形成的水流运动,都是势能转化为动能的过程;B 流线急剧弯曲,离心惯性力对压强分布及过水能力有一定影响,都是急变流,局部水头损失占主导地位。 堰流和闸孔出流的转化: 闸底坎为平顶堰时: 65.0≤H e 时为闸孔出流; 65.0>H e 时为堰流。 闸底坎为曲线型堰时: 75.0≤H e 时为闸孔出流;75.0>H e 时为堰流。 式中,e 为闸孔开度;H 为从堰顶算起的闸前水深。 8-1 堰流的类型及计算公式 一、堰流的类型 定义:堰前断面,堰顶水深,行近流速。堰前断面距上游壁面的距离:H l )5~3(= 1.薄壁堰流: 67.0堰流和闸孔出流能力计算
闸孔出流计算
第十章明渠流和闸孔出流及堰流
孔口(管嘴)出流、堰顶溢流和闸孔出流_水力学
2堰流公式
第八章 堰流和闸孔出流
10第十章明渠流和闸孔出流及堰流
水力学(堰流及闸孔出流)-试卷1
第八章 堰流及堰下游的水流衔接
堰流及闸孔出流
第九章堰流与闸孔出流
堰流及闸孔出流