第九章 堰流

堰流特点：在堰面附近较短的距离内流线急剧弯曲，属于明渠中的 急变流，过堰水流由势能转化为动能，在重力作用下自由跃落。
三角堰泄流量：量纲分析解
Qg h
5/ 2
基本概念（续）
堰流：当堰顶无闸门设置时，水流通过堰顶表面自然下泄，称为堰流。 但当堰顶设有闸门时，过堰水流可能出现两种不同的情况：闸孔出流 和堰流
堰流和闸孔出流有不同之处：
堰流和闸孔出流的不同之处是：
⑴闸孔出流受闸门控制，而堰流不受闸门控制； ⑵堰流的水面线是光滑连续降落的，而闸孔出 流的水面线被闸门截断，上下游不连续。
Notes: 由于堰流和闸孔出流存在上述相同之处，因此，对这两种水 流现象的研究方法是相似的。 但因为还有不同之处，所以这两种水流现象的具体过流规律 及影响因素各不相同。在进行堰上设有闸门的组合建筑物的水力 计算时，首先要进行堰流和闸孔出流的判别。
2 0v0
2g
)3 / 2 m(1
2 0v0
2g
)3 / 2 b 2 g H 3 / 2
v
2 0 0 3/ 2
2g
)
称为包含行近流速水头 影响在内的流量系数
包含行近流速水头影响在内的流量系数，可按下列经验 公式计算：
雷伯克（T.Rehbock）公式
m0 0.403 0.053
第九章 堰流
• • • • • • • • 第一节 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 小 结 概述 堰流的分类及水力计算的基本公式 薄壁堰流的水力计算 实用堰流的水力计算 宽顶堰流的水力计算 闸孔出流的水力计算 桥、涵水力计算
教学目的与要求
• 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。 • 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。 • 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。 • 了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。
第一节 堰流的分类及水力计算的基本公式
一、堰流的分类
根据不同的使用要求和施工条件，常将堰做成不同的形状，如图所示。 不同形状、大小的堰之间的主要区别在于堰顶厚度δ 对过堰水流的影 响不同。因此，工程中常根据堰顶厚度δ 与堰上水头H 的比值大小， 将相应的堰流分为三类。
第一节 堰流的分类及水力计算的基本公式
s
3/ 2 0
=1；若堰流为无侧收缩
第二节 薄壁堰流的水力计算
当堰顶厚度δ /H＜0.67时，属于薄壁堰流。由于薄壁堰流 具有稳定的水头～流量关系，因此，常被作为水力模型实 验和野外测量中的一种有效易行的量水设备。根据其堰口 形状，薄壁堰又可分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、梯形 薄壁堰和比例薄壁堰。
重点与难点
• 实用堰、宽顶堰的水力计算方法，流量 系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系 数的确定方法。 • 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。
基本概念
堰：阻挡水流、壅高水位、并使水流在其上流过的泄水建筑物称为堰。
如：桥梁中的桥孔过流，给排水工程中的蓄水、排水建筑的过流、 水利工程中的溢流坝等，是常遇到的堰流类型。
当下游水位超过堰顶、并在堰下游 形成淹没水流时，下游水位将影响 过堰流量，形成淹没出流。 淹没出流时，下游水位波动很大， 使过堰流量不稳定。因此，用来测 量流量的薄壁堰不宜在淹没情况下 工作。 实验证明，当矩形薄壁堰流为 无侧收缩、自由出流时，水流最为 稳定，测量流量的精度也较高。右 图是在实验室中测得的无侧收缩、 自由出流的矩形薄壁堰流的水舌形 状。
称为堰 的流量 系数
Q mb 2 g H 0
从上述推导过程可以看出，影响流量系数m的主要因素是:
, K1 , K 2
K2 1 K1 m

主要反映局部水头损失的影响；
K1表示堰顶1－1断面的平均测压管水头与堰上全水头之比 值；
K2反映了堰顶水股的收缩程度。 因此，不同水头、不同类型、不同尺寸的堰流，其流量系 数m值各不相同。 如果下游水位较高，影响到1－1断面的水流条件时，则 在相同水头H时，其过流量Q将小于由式的计算值，这时 称为淹没出流。用淹没系数ζ s反映其影响。
B (3 ~ 4) H
当上述薄壁堰作为量水设备时，测量水头H 的位置应选 在上游距堰板约为（3－5）H 的距离处。此外，为了减 小水面波动，提高量测精度，在上游水槽中应设置平水 栅。
例8－1:当堰口断面水面宽度为50cm，堰高P1=40cm，水头H=20cm时，
分别计算无侧收缩矩形薄壁堰、直角三角形薄壁堰的过流量
二、直角三角形薄壁堰流
当所测流量较小时，若用矩形薄壁堰测量，则水头过小，测量误差很 大。改为三角形薄壁堰后，增大了堰上水头，故可提高小流量的测量 精度。 常用的三角形薄壁堰多为直角三角形薄 壁堰。其流量可按下式计算
Q 1.4H 2.5
式中：H以m计，Q以m3/s计。
适用范围为：P 2H 1 渠槽宽:
当堰顶存在边墩或闸墩时, 即堰顶宽度小于上游河渠 宽度时，过堰水流在平面上受到横向约束，流线将出现横 向收缩，使水流的有效宽度小于实际的堰顶净宽，局部水 头损失hj增大，过堰流量将有所减小。用侧收缩系数ε 1反 映其影响。 故，堰流的基本计算公式应为：
Q m1 sb 2 g H
若堰流为自由出流时，取ζ 时，取ε 1 =1。
堰流和闸孔出流的判别条件为：
根据实验，可得堰流和闸孔出流的判别条件为： 当闸底坎为平顶堰或平底时：
e/H ≤ 0.65 为闸孔出流
e/H ＞ 0.65 为堰流
当闸底坎为曲线型堰时 ：
e/H ≤ 0.75 为闸孔出流 e/H ＞ 0.75 为堰流
堰流和闸孔出流既有共同之处：
堰流和闸孔出流的共同之处是： ⑴ 二者都是壅高了上游水位之后，在重力作 用下而形成的水流运动； ⑵ 从能量观点看，二者的出流过程都是一种 由势能转化为动能的过程； ⑶ 二者均属于急变流，过水断面上的压强分 布不符合静水压强分布规律； ⑷ 二者的能量损失中主要为局部水头损失。
1 1
称为流速系数。
因为1－1断面一般为矩形，设其宽度为b ，水舌厚度为 K2H0 ， K2为堰顶水流的水股收缩系数。则1－1断面的面 积为A1= K2H0 b，通过的流量为:
Q K 2 H 0bv1 K 2 H 0b 2 gH0 (1 K1 )
堰流水力 计算的基 本公式
K2 1 K1 m
宽顶堰流：
播放录像
当2.5＜δ /H＜10时，堰顶厚度对水流的顶托作用更为明显，使 得水流在进口处出现第一次跌落后，在堰顶形成一个水面与堰顶几 乎平行的渐变流段，然后出现第二次水面跌落（下游水位较低时）， 这种堰流称为宽顶堰流。
根据这种定义，宽顶堰流又可分为有坎宽顶堰流和无坎宽顶堰 流两种。无坎宽顶堰流完全是由于断面的侧向收缩、使得其过流现 象与有坎宽顶堰流相类似而定义的。 实验表明，宽顶堰流的水头损失主要还是局部水头损失，沿程水 头损失不必单独考虑。 当δ /H＞10时，因为沿程水头损失将不能忽略不计，水流特征 不再属于堰流，而应视为明渠水流。
Q mb 2 g H 0
应用能量方程可推导出堰流水力计算的基本公式。 如图列能量方程式为 ：
p v12 H z (1 ) 2g 2g
2 0v0
式中：v1为1－1断面的平均流速；α 0、α 1是相应断 面的动能修正系数；ζ 为局部水头损失系数；
2 0 v0
2g
称为行近流速水头。
令 H0 H 2g
2 0v0
称为堰上全水头。
p 令 z k1H 0 k1 为一修正系数，称为压强系数。 则能量方程可写为
v12 H 0 k1H 0 (1 ) 2g

v1 1 1 2 gH0 (1 K1 ) 2 gH0 (1 K1 )
。
解：对于无侧收缩矩形薄壁堰，b = 0.5m，H = 0.2m，由式（8 －4）得流量系数为
m 0 0.403 0.053 H 0.0007 0.2 0.0007 0.403 0.053 0.433 0.4 0.2 P1 H
由式（8－3）得流量为
Q1 m 0 b 2 g H 3 2 0.433 0.5 19.6 0.2 3 2 0.0857m 3 s 85.7 L s
H 0.0007 P H 1
适用范围为：H = 0.025～0.6 m，P1 = 0.1～1.0 m及H / P1＜2 巴赞(Bazin)公式
m0 0.405 0.0027 )[1 0.55( H / H P ) 2 ] 1 H
适用范围为：H = 0.1～0.6 m，堰宽b = 0.2～2.0 m及H/ P1≤2 其中：H为堰上水头，P1为上游堰高，均以m计。
为了保证堰为自由出流，并使过堰水流稳定，还应注意以下两个方面：
⑴ 堰上水头H应大于2.5cm，不宜过小。否则，水舌在表面张力的作 用下将挑射不出，易发生贴附溢流。 ⑵ 堰后水舌下面的空间应与大气相通。否则空气逐渐被水舌带走， 压强降低，水舌下面形成局部真空，影响出流稳定。在堰后侧壁上设置通 气管是一个有效的措施。
第三节 实用堰流的水力计算
当0.67＜δ /H＜2.5时，称为实用堰。
根据其剖面形状，又可分为曲线型和折线型两种实用堰。
曲线型实用堰常用于混凝土修筑的中、高水头溢流坝，堰顶的曲线形 状适合水流情况，可提高过流能力。
折线型实用堰常用于中、小型溢流坝, 具有取材方便和施工简单的优 点。
实用堰流的计算公式
薄壁堰流 播放录像
当δ /H＜0.67 时，过堰的水舌形状不受堰顶厚度δ 的影响，水 舌下缘与堰顶呈线接触，水面为单一的降落曲线。这种堰流称为薄 壁堰流。