宽顶堰流的水力计算

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就是进口处水面会发生明显跌落。从水力学观点瞧,过水断面的缩小,可以就是堰坎引起,也可以就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与堰的相对高度,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。

由公式可以瞧出,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。

比较一下实用堰与宽顶堰的流量系数,我们可以瞧到前者比后者大,也就就是说实用堰有较大的过水能力。对此,可以这样来理解:实用堰顶水流就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,即堰顶水流的压强与势能较小,动能与流速较大,故过水能力较大;宽顶堰则因堰顶水流就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,堰顶水流压强与势能较大,动能与流速较小,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,而就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23.20 m,不考虑闸前行近流速的影响,求过闸流量。

解:

(1)判断下游就是否淹没

=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= 1212.76m3/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)=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、34 2

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。