7.1 堰流特征与分类——学习材料

学习单元一、堰流特征与分类
一、堰流的概念
水流受到从河底(渠底)建起的建筑物(堰体)的阻挡，或者受两侧墙体的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经堰体下泄，下泄水流的自由表面为连续的曲面，这种水流称为堰流，这种建筑物称为堰。

例如溢流坝溢流(图7-1(a))、堰顶部闸门脱离水面时的闸口出流(图7-1(b))都属堰流。

通过有边墩或中墩的小桥的孔出流(图7-1(c))、涵洞进口水流等在水力算时也按堰流考虑。

(a)溢流坝溢流(b)闸门脱离水面时的闸口出流(c)小桥桥孔出流平面图
图7-1 堰流
水流流近堰顶的过程中流线发生收缩，流速增大，势能转化为动能，堰上的水位产生跌落。

由于水流在堰顶流程较短，流线变化急剧、曲率半径很小，属于非均匀流中急变流，因此能量损失主要是局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计。

水流在流过堰顶时，一般在惯性的作用下均会脱离堰(构筑物)，在表面张力的作用下，具有自由表面的液流会产生垂直收缩。

二、堰流的类型
通常把堰前水面无明显下降的渐变流断面0―0 称为堰前断面(如下图)。

该断面处水面到堰顶的水深称为堰上水头，用H表示。

实测表明，堰前断面距堰壁上游约为(5~3) H 。

堰前断面平均流速0v称为行近流速。

P1和P 2 分别为上、下游堰高。

图7-2 堰流的类型
工程上一般以堰顶的厚度δ与堰上水头H 的比值大小，（见图7-2）将堰流分成以下3种类型。

1.薄壁堰流: 67.0/≤H δ
堰前的水流由于受堰壁的阻挡，底部水流向上收缩，水面逐渐下降，使过堰水流形如舌状，称为水舌。

水舌下缘的流速方向为堰壁边缘切线的方向，堰顶与堰上水流只有一条线的接触。

水舌离开堰顶后，在重力的作用下，自然回落。

当水舌回落到堰顶高程时，距上游堰壁约0.67H 。

这样，当67.0/≤H δ时，水舌不受堰宽的影响，这种堰流称为薄壁堰流(图7-2(a))。

薄壁堰壁一般用钢板或木板作成，常做成锐缘形，故又称锐缘堰。

薄壁堰主要用于测量流量的设备中。

2.实用堰流： 5.2/67.0≤<H δ
堰顶厚度大于薄壁堰，水舌下缘与堰顶面接触, 水舌受到堰顶面顶托和摩阻力作用, 对过流有一定的影响，堰上的水流形成连续的降落状，这样的堰流称为实用堰流。

实用堰的剖面有曲线型(图7-2(b))和折线型(图7-2(c))两种，工程中多采用曲线型实用堰；有些中、小型工程中，为方便施工，也
采用折线型实用堰。

3.宽顶堰流：10/5.2≤<H δ
堰顶的宽度较大，堰顶面对水流的顶托作用非常明显。

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，动能增大，势能相应减小；再加上水流进入堰顶时产生了局部水头损失；故水流在进入堰顶时产生第一次水面跌落。

此后水流在较宽的堰顶的顶托作用下，形成一段几乎与堰顶平行的水流。

如下游的水位较低，水流在流出堰顶时将产生第二次跌落，如图7-2(d)所示，这种的堰流称为宽顶堰流。

实验表明宽顶堰流水头损失仍以局部水头损失为主，沿程水头损失可忽略不计。

特别要注意，同一个堰，当堰上水头较大时，可能为实用堰；当较小时，则可能为宽顶堰。

当堰顶的厚度δ与堰上水头H 的比值10/>H δ时，沿程水头损失逐浙起主导作用，水流也逐浙具有明渠水流特征，其水力计算已不能用堰流理论，而要用明渠水流理论解决。

三、堰流的影响
水过堰时由于断面发生变化故其过流能力受到多种因素的影响，在水力计算中必须要加以考虑。

1.由于堰坎的存在，水流过流断面在过堰时将发生竖向收缩，在能量方程中加以考虑。

2.当堰口宽小于上游水面宽时，过水时还将产生侧向收缩，需要使用侧收缩系数进行修正。

3.进入下游时，如果下游的水位高于堰顶也将对堰流产生影响。

当下游水位较高影响堰流时，称为淹没堰流；否则就称为自由堰流。

研究堰流的目的在于探讨过堰水流的流量与堰上水头、堰顶形状以及过水宽度等因素的关系，从而解决工程中有关的水力计算问题。