宽顶堰流的水力计算

宽顶堰流的水力计算 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

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～之间，当=0时，=，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≥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

=1.0m

=4.5m

=< 为自由出流

(2)求流量系数

=+=

(3)求侧收缩系数

查表8-6得边墩形状系数=，闸墩形状系数=

＝[（10-1）＋]=

=

= 1212.76m3/s

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）=4m ＝＝3m

总水头=+=4+=4.104m (2) 按公式（8-22）求流量系数

=+=+=

因值与闸孔宽度有关，此时未知，初步假定=

则===16.71m

查表得闸墩形状系数=，边墩形状系数=

=[(2-1)+]=

此值与原假定的值较接近，现用=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。