宽顶堰计算(淹没流)
【doc】淹没宽顶堰泄流能力计算公式探讨
淹没宽顶堰泄流能力计算公式探讨]j淹没宽顶堰泄流能力计算公式探讨竺翌,/'/32_:2-/(水利部淮河水利委冤会规划设计院)[提要]淹没式宽厦堰藏量的计算,因水闸布置型式,假定条件不弼,计算出的漉量或同孔宽度与实际往往出入比较大,作者通过设计工作中计算分析,认为淹没式宽琅堰堰疆水探h 值是随hs/,E,Ⅱ一而变化,而且h(0.6O～O.99)Ho,对《水闸设计规范》推荐的公式,做了一些补充分析,求出新的淹没系数,可供中小型水闸闸下河道断面与I田孔断面扩散比较小的淹没式宽顶堰出漉计算参考.[关键词]淹没式宽厦堰淹没系数藏量平原区中小型承搠1前言平原水闸大多采用宽顶堰过水型式,根据水工试验,当宽顶堰下游水探hs等于或大于堰顶总水头H.的0.8倍时,下游水位对其泄流能力发生影响.此时宽顶堰处于淹没出流状态.在我国常用的淹没宽顶堰泄流量计算公式有以下两式1.1以流速水头为主要因素的计算公式●--...●............-.●__●一Qe.卧2g(H.--h)(1)1.2以堰上水头为主要因素的算式Q=OV.mB2gHoS(2)以上两式中的符号意义详见本文末的符号说明.(2)式是《水闸设计规范》推荐采用的公式.笔者在设计工作中,常发现(1), (2)两式所算出的流量不同.有时按(2)式算式的闸孔净宽比(1)式要小5～i0.为了寻求较正确合理的计算公式,且便于工程中的实际应用,笔者经一系列的分析,研究和推导,最后得出新的淹没系数(即本文中lk的d!)与竽,￡,m的关系表,即本文中的附110 表3另外,现有文献书籍中对于淹没宽顶堰顶的水深h值有多种意见;有的认为h=hk.有的认为h=寺H.也有的认为h=(0.80～0.92)H本文对h值通过分析发现是随竽, E,m而变化的,且h=(0.6O～0.99)H.,详见附表4,应用附表3与附表4可以很方便的查出屯与最,现把分析探讨的全过程叙述于后面,供大家研讨和指正.2分析比较(1),(2)两式2I(1)式是根据伯努利方程得出的(参阅附图1)断面0一O与1—1的能量关系如下:H+V2-h++~=…n.令⑦?暴得H.一h+V-'TV=.2g(H.--h)Q=~BhV=EBh(2g(H.--h)(1)式2.2将(1)式进一步演变令k一与ⅡlI=.k1F代入C1)式Q=eB(kH=￡Bm.H(3)附图1淹没宽顶堰2.3分析比较(2),(3)两式(3)式是从(1)式演变来的.比较(2)(3)两式,仅淹没系数一项不同.(3)式中的与.,k,m有关,而k又与hs和Z (逆向恢复落差)有关,经分析(详见后文) 最终与.e,m有关.考虑的因素较全面''ca周详.而(2)式中的d仅与享有关.这就是为什么(1),(2)两公式计算成果不同的根本原因.也是为什么(1)式比(2)式正确合理的原因.3新淹没系数的推隶方法对矩形过水断面,由(3)式可碍q=1￡m2gHc':3—_=临界水深h.一'':,.—————一=2e~:m:Hc=AHf(4) 3,——————一(4)式中A=V2aa.:e:m:逆同恢复落差】8z,..一,=..3AH一h,-甄1.—3A=_H=~(5)二:垒垦一3.22h.…『-一J'b0连=一.?sA+--1.3A令=毒N代人式得K=N一0.3A+(7)前面已知:==(8)O当已知N,￡m值时.联介(7)(8)两式}即可求出有关的屯和K值,笔者已计算并整理成附表@,④备用.另外,为了便于比较与值,已将e=1.m=..385时的畿6'毛'与a,如的关系绘于附图2,还将气～鼍关系计算整理于附表2囤2(),旦H!o关系线4结束语4.1本文中的逆向恢复落差z未考虑下游河道断面与闸孔断面扩散比的影响.因此,本文的计算方法适用布置简单,闸下河道断面与闸孔断面的扩散比较小的中,小型水闸工程.4.2从附表3可以很清楚的看到,不仅与竽有关,而且还与e,m朋关k4.3从附图2可以看到a与与半之间的L变化规律,当.t.Lj≤..89时.与a:比较接近.4.4从附表2可以看到,当￡;1.m—o.385,每一0.77时,=8.7.这与《水闸设计规范》编制说明第4.0.2二条中所提到的安徽省水科所作的阉町节制闸水工模型试验成果相似.该试验成果中.当:0.97时.按(2)式计算误差达7.5.而按(1)式计算误差仅2.5从附表4可见,h足腿瓦h.,E,m而变化.并非某一定值.s附表34应用举例某水闸m=0.385,E=1,Q=1000m'/s,H.=4?2m,h.=4.0m,试求闸孔总净宽度.5.1应用附表3,4求解.因鼍=端.952,查得=o.58,K%舯蒜117.7d'EmVZH^一h=KH0=3.91mj.2如应用(2)式求解,查附表一o=0.64,B一106.7m5.3如应用(1)式计算,因h为未知值,需先假设B.再通过公式计算h,再由①式计算B.如此反复计算,直至所假设的B值与最后算出的B值相等为止,比较繁复,试看以下过程19B=118rn47m|/s./m,h/詈_1.94mh=}1s—Z=ks—hk(0.30一盏二..3.22hs365…….一一/警-o.s.-o.呲...B:————==一118.0D1￡.h2g(I-I~--h)与假设的B值相等.从以上计算结果知,应用表3的计算成果与(1)式完全相同,而且十分方便,优点很明显而如按公式(1)计算出的f回孔宽度比(1)式偏小11m,将影响其过水能力.本文符号说明H——堰上游水深(以堰厦为基准面) hs——堰下游水深(同上)h——堰顶水深h—hs--Zz——逆向恢复落差一1.30z,_nIIh(0.30一)—■._.——淹没宽顶堰的流速系数.=一v/怠一o.800:1—0.—38—5--m三一1.8Om——公式(1)的宽顶堰淹没系数,与宰有关,见附表lI$2——本文新推求出的宽顶堰淹没系数,与警,em有关,见附表3.参考文献[1]华东承利学院主编水工设计手册第一卷承利电力出版社1983年[2]张世儒高逸士,夏维城编灌区水工建筑曲丛书《水闸》水利出版杜lgSO年[3]水闸设计规范(SD133--84)水利电力出版社1g85年9lf表1淹没宽顶堰淹没系数4表hs,HD0.80.81也B20.830.队0.850860.B70.B80.B9 1.00.9950.990.g80.970.960.95O.930.g087hslH.0.gO0.9】0.g:.n930.940.%0.960.9709B0.99 0.840.810.780.740.7O0.650.j90.5O0.400.28附裹2淹没宽礓擐o--a~～lls裹(￡=1,m=0l385),HO80.81也80.830.队0.85860.盯0.880.B9警(1.01.S2.12.12.1.1ll】.11.11.1.H09O0.910.92.0.930.940.90.日6097啦980.99Ia--a~(柳2.{.I5.45.77.?10.2l1.3B.?5.30.{尉囊3jII浸盘藕堰鼍聂秉鼙畴～薏,‰m美幕寰1.Oe.孽5鲁0"3g5..3735n33385n3乱藉0.33n3舒乱新乱衢啦l三80O.991.01.01.OO.991.O0】.0船l-蛔∞D1乱盘l"慧B0.991.01.098n船00n9巷1.00Ⅱ.0320.摹81.01.On97n端丑.口1.0札雪札卿00船n釉&97驰1.Dn9B仉端0】.0乱甄..雷叮n蚺1.0n甜O.§5n钾0J奇91.0O.94n粥瓣0nl孽l札衢札蛳6nB595仉瑚仉981.OO.00.95O.96n驺O.童2nl皿n粤4仉0l瞄O.94ol仉弱o'g7n92n驼矗∞n童sn蛐n帅札91n甥ol87仉92乱g20J金20.93n曲n船0.90n驼ni玎n蓝7n矗B仉珈O.880.甚90.苫9仉89O.9O0.860.秭n87n暑g0|8lln衢"85D.毒7仉B9O.B6O.B60.87O.87O.83n8=30.越n85n81n矗10.82.83n9O0.820.8282O.B3o.BOO.8O仉80仉g1O.78O.780.79O.B00l91O.7B0l780l78O.78O.76n760.770l770'Zl0.74仉75o.76O.92O.74O.0J710J93O.70O.6867O.940.65乱630l62n95O.59D.SB0.570l960.530.52O.51仉97oJ46O.460|45仉9B0.3BO.370l37●0.99O.27O.27n26驸表淹没宽厦堰顶水深与蓐承要乏比～鼍,e.m关系表l00.95l09O.0.3850.37O.350.330.3850.37o|350.33l0.3850.37l0.35O.33L0.800.600.600.600.610.6:10.6:10.61061O.61O.620.640.65 0.8i0.610.62O.62O.620.620.630.640650.650.67O.6S0.69 820.620.63O.64O.650.630.65o.67n690.680.69O.订O.72o.830.630.640.66O.680.660680.700.72O.710.720.74O.75o.840.65O.670.7OO.720.690.710.730750.730.750.76O77_ 0.850.680.70O.730.750'/20.740.76m770.760.770.7S0.790.860.710.73旺"/60.770.7s0.770.78O.790.7S0.790.800.8:1 O.870.0.767S0.8OO.馋O-79O.80O.8l0.800.810.820.82J-O88o.78n7g0.81n820.8OO.81O.S0O.S3OS2O.83O.S3O.841n89O.S0O.820.83n840_S3O83084O.S5O.84O85O850.S6 0.90O.B3O.84O,85O.860.850+850B6O.B60.86O.87O.87O.87 O.910.850.860.870.8'/0.860.870.87n880.87O.88O.88O.88r0.g20.870880.88m89O.880.890.890.890.S90.890.9OO.90-O.93O.9O0.900.910.940.920.920.92J0.g50.930.930.93O.960.940.g,SO.95 0.90.960.960.g6 0.980.970.9"ZO.97 0.99O.99O.990.g9 22。
宽顶堰流的水力计算PPT课件
d 0.2 0.06 0.1，为小孔口 H 3 A
4
d 2 0.0314
v 0.62, H 0 H 0 3.03 2g
叫做闸孔出流。
当顶部闸门完全开 启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时， 水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
堰坎外形及厚度不同其能量损失及过水能力也会不同。
工程上通常按照堰坎厚度 δ 与堰上水头H 的比值大小及水
流的特征将堰流分作：
1．薄壁堰流：
即
H 0.67
。
2．实用堰：
2 gH0 2 gH0
式中 为流速系数。
流量为 Q vc Ac A 2gH0 A 2gH0 式中 为孔口出流的流量系数。 缩系数。 根据实验，小孔口的
为孔口的收
缩系数
0.06, 0.97 ， ， 、收 0.62 。不同边界形式的孔口的流速系数
2 2 0 0 c c 1 w
所以
v 带入 hw ( 1) c 2g
0v0 2 c vc 2
2
2
v H H1 ( 1) c 2g 2g 2g z0 z
0v0
2g
2
H H1
0v0
2g
2
(b)
所以流量公式为:
Q A 2 gz0
淹没出流中的流量系数 , 一般与自由出流的流量系数 相同。
第八章 堰流及闸孔出流
8.1 概述 在容器壁上开孔 , 液体经过孔口泄流的水力现象 , 称为孔 口出流。若孔口上加设短管，而且壁厚或短管长度是孔口 尺寸的 3~4 倍，这段短管称为管嘴。经过管嘴的泄流，称 为管嘴出流。
宽顶堰淹没出流水气二相流数值模拟
Ｏ ｔ
＋
Ｏ ｉ ｘ
：０
（ ） １
对 于不可 压 缩流 体 ：
ＯＵ ｉ
一
运方程 ， 从而使得方程封闭。 目前常采用 的是反映紊动 能 的 ｋ 程 和反 映紊 动 能耗散 的 方程 进行 封 闭 。 方
ｋ 程 方
ｐ Ｐ Βιβλιοθήκη ＿ｐ ：Ｏ ｘｉ
Ｌ２
＝
啊
（ ｂ ５）
＋
Ｃ
１２ Ｒ 一 紊 流模 型 ． ＮＧ 因为雷 诺 应力 和紊 流 的粘性 系 数均 是未 知 的 ， 以 所 雷 诺方 程 是不 封 闭的 ， 要 补充 建立 与未 知 量有 关 的输 需
＋
连续性 方 程 即质 量守 恒定 律 的数 学表 达 式 ， 角坐 直
积分数 的求 解 ， Ｐ和 的值可 由式 （０ 、 １ ）求 １） （１
０
（） ２
Ｏ ｔ ａ ｘ Ｊ
２ ）动 量方 程
该 定 律 其 实 是 牛 顿 第 二 定 律 或 动 量 守 恒 定 律 的 数 学 表 达 式 ， 角 坐 标 系 下 的 张 量 形 式 ， Ｎ —ｓ方 直 即
程为 ： ＋—
＋ ＝ Ｐ
方 程
ａ ｔ
韭 一以 ＋ — — ＋
． ， 代 表 ’均 应 变 率 ｊ 伏 了平 ｝’。 又 早 对
２ ）属性
在 Ｖ Ｆ模型 中 ， Ｏ 由于水 和 气 体 具 有 相 同 的速 度 场 和压 力场 ， 水气 两相 流场 可 以像单 相流 场那 样用 一 组方 程来 描述 。 以引入 ＶＯ 模 型 的 ｋ一 紊 流模 型与单 相 所 Ｆ 流 的 ｋ一 模 型形 式 完全相 同 ， 只是 密度 Ｐ和分子粘 性 系 数 的具体 表 达式不 同 ， 它们是 通 过体积 分数 的加 权 平
水闸计算表
闸门孔数n 4中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb 0.908872896总净宽B040侧收缩系数ξ0.943531613闸墩厚度dz 4断面面积2321.5436b b30.95原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.278656闸墩顶高程191.1189.18 1.92堰上水深H021.36464下游水位189.14 1.96自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P 0.5下游水位h s 19.140.895873闸墩高H 21.6淹没系数σ0.837306m(直角）0.382361m(圆角）0.384109自由过流流量Q 淹没过流流量Q Q(直角）6312.225Q(直角）5285.263Q(圆角）6341.097Q(圆角）5309.4375290闸门孔数n4中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb 0.908872896总净宽B040侧收缩系数ξ0.943531613闸墩厚度dz 4断面面积2321.5436b b30.95原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.0159闸墩顶高程189.93188.16 1.77堰上水深H020.13713下游水位188.12自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P 0.5下游水位h s 18.120.89983闸墩高H 20.43淹没系数σ0.82807m(直角）0.382203m(圆角）0.38406自由过流流量Q淹没过流流量Q宽顶堰堰流泄流能力计算(P=1)宽顶堰堰流泄流能力计算(P=2)Q(直角）5773.732Q(直角）4781.054Q(圆角）5801.781Q(圆角）4804.284680闸门孔数n 4中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb 0.909780316总净宽B040侧收缩系数ξ0.943758468闸墩厚度dz 4断面面积1715.1756b b25.9原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.250498闸墩顶高程188.05186.43 1.62堰上水深H018.30814下游水位186.39自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P 0.5下游水位h s 16.390.89523闸墩高H 18.55淹没系数σ0.838767m(直角）0.381911m(圆角）0.383968自由过流流量Q 淹没过流流量Q Q(直角）5002.632Q(直角）4196.041Q(圆角）5029.579Q(圆角）4218.6443860闸门孔数n 4中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb 0.910700081总净宽B040侧收缩系数ξ0.943988409闸墩厚度dz 4断面面积1468.0005b b23原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.207084闸墩顶高程186.26184.89 1.37堰上水深H016.50828下游水位184.85自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s14.850.899549宽顶堰堰流泄流能力计算(P=5)宽顶堰堰流泄流能力计算(P=10)。
两种不同表达式的水闸淹没宽顶堰流量计算公式计算结相一致的讨论
两种不同表达式的水闸淹没宽顶堰流量计算公式计算结相一致的讨论水闸淹没宽顶堰流量计算公式有两种表达形式：一种是 Q=φsεBh…………（0-1）另一种是Q=σsεBm H03/2 …………（0-2）式中：Q－过闸流量；ε－侧收缩系数；B－闸室净过水宽度；h－闸室水深，比势能；g－重力加速度；H0－闸上游翼墙前河道末收缩断面（后简称断面1－1）单位水体总能量；m－流量系数；φs－淹没流速系数；σs－淹没流量系数。
从水力学知，式（0－1）是由闸室过水断面（后简称断面2－2）与断面1－1建立能量关系方程H0=h++ξ…………（0－3）推导而来；而式（0－2）又是引进参数K=,m=φK由式（0－1）演变而得，二式同根同源。
然而水闸设计工程师都知道，此二公式在相同条件下计算结果是不等的。
对某闸过闸流量核算淹没度hs/h0=0.965，用【参1】按式（0－1）计算得Q=470m3/s;用【参2】按式（0-2）计算得Q=394 m3/s，相差近20％。
式（0－1）、（0－2）本同根同源，它们计算结果却不一致，这是不合理的，也不是必然的。
对一个具体的水闸来说，其闸室q~h关系曲线只有一条，即在某一水深只能通过一个流量。
一、室矩形过水断面的水力特性特性方程：E s=h+=h+（1-1）式中：E s－闸室收缩断面2－2单位水体总能量；V2－平均流速；q－单宽流量；a2－动能改正系数；－断面2－2比动能；h－同前。
式（1－1）即式（0－3）等号右边的前两项。
式（1－1）E s＝f(h,q),令q=常量，使其变为平面问题，（如q=5，10，15，25）可作E~h关系曲线，见图1s图1中相应于每一个流量q的曲线就是一条E s~h关系曲线。
该曲线以横坐标和与横坐标成45°的线oa为渐近线，并且有一断面单位能量最小的点k,该点将曲线分为上、下两支。
在下支为急流，E s随h增大而减小；在上支属缓流，E s随h增大而增大。
宽顶堰流计算公式
糙率（n）面积（s)
比降（i）水力半径（R）谢才系数（C） 水深（h) 流量（Q）流速v
hs/H0
28+908-29+115
10.0
0
0.014
20.90
0.01
1.474
76.20
2.090
193.32 9.250555 0.413989
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.05 不计行进流速的堰上水头H（m) 5.50 计入行进流速的堰上水头H0（m) 5.55 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 222.98 试算上游流速V0（m) 1.01 桩号 底宽（b) 边坡（m）
0
0.014
3.93
0.01
0.364
60.36
0.393
14.3 3.641871 0.261258
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.02 不计行进流速的堰上水头H（m) 2.00 计入行进流速的堰上水头H0（m) 2.02 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 48.90 试算上游流速V0（m) 0.61 桩号 底宽（b) 边坡（m）
糙率（n）面积（s)
比降（i）水力半径（R）谢才系数（C） 水深（h) 流量（Q）流速v
hs/H0
28+908-29+115
10.0
0
0.014
38.81
0.01
2.185
81.37
3.881
466.84 12.02783 0.427167
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.09 不计行进流速的堰上水头H（m) 9.50 计入行进流速的堰上水头H0（m) 9.59 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 506.21 试算上游流速V0（m) 1.33 桩号 底宽（b) 边坡（m）
宽顶堰流流量计算举例
2. 根据流量公式，借助表、经验公式能确定流量系数m、侧收缩系数ε
和淹没系数σs。
3. 迭代试算思路：先近似 H0≈H，计算hs/ H0 ，查表确定σs，求流量，
然后再计算v0、hs/ H0 ，再确定σs，再计算流量，直到前后两次计算流量相 等（近）。
水力分析与计算
布置任务：
小结、布置任务
如题图6-1所示，一灌溉进水闸为3孔，每孔净宽b=10m；闸墩头部为半圆 形，闸墩厚度d=3m；边墩头部为圆弧形，边墩计算厚度△=2m；闸前行近流 速v0=0.5m/s；其它数据如图示。试确定下游水位不同时的过流量： （1）下游水位为17.75m；（2）下游水位为16.70m 。
3.流量系数m确定 m=0.378
4.侧收缩系数ε确定
1
3
a0 0.2
P1
4
b B0
1
b B0
分别计算边孔、H中孔收缩系数，
然后加权平均计算侧收缩系数。
边墩头部为圆形，B0 b
1
3
a0 0.2
P1
4
b B0
1
b B0
1
3
a0 0.2
P1
4
b b
1
b
b
H
H
1
3
0.1 0.2 0.6
1.水流现象分析：堰流 2.流量公式 3.流量系数m确定 m=0.505
v0
Q A
Q H1 B0
36.87 29.76
1.24m / s
H0
H
v02 2g
1.242 2.5
19.6
2.58m
4.侧收缩系数ε确定 ε=0.981
hs 2.13 0.83, H 0 2.58
宽顶堰流计算公式
hs/H0
28+908-29+115
10.0
0
0.014
1.33
0.01
0.129
50.78
0.133
2.4201 1.825183 0.264796
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.00 不计行进流速的堰上水头H（m) 1.00 计入行进流速的堰上水头H0（m) 1.00 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 6.83 试算上游流速V0（m) 0.17 桩号 底宽（b) 边坡（m）
糙率（n）面积（s)
比降（i）水力半径（R）谢才系数（C） 水深（h) 流量（Q）流速v
hs/H0
28+908-29+115
10.0
0
0.014
31.88
0.01
1.947
79.82
3.188
355.08 11.13688 0.421121
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.08 不计行进流速的堰上水头H（m) 8.00 计入行进流速的堰上水头H0（m) 8.08 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 391.18 试算上游流速V0（m) 1.22 桩号 底宽（b) 边坡（m）
糙率（n）面积（s)
比降（i）水力半径（R）谢才系数（C） 水深（h) 流量（Q）流速v
hs/H0
28+908-29+115
10.0
0
0.014
25.21
0.01
1.676
77.85
2.521
254.1 10.07856 0.416222
孔数（个） 1 单宽b（m) 10 上游流速水头V0（m) 0.06 不计行进流速的堰上水头H（m) 6.50 计入行进流速的堰上水头H0（m) 6.56 流量系数m 0.39 流量（m3/s) 286.49 试算上游流速水头V0（m) 1.10 桩号 底宽（b)
宽顶堰流流量计算举例
n
3
宽顶堰流水力分析与计算
案例讲解：
hs ht P2 2.63 0.5 2.13m
1.水流现象分析：堰流
2.流量公式
Q smB
2g
H 3/2 0
3.流量系数m确定 m=0.505
H0
H
v02 2g
H=H1-P1=2.5m
迭代试算判断是否淹没，确定 淹没系数及流量。
4.侧收缩系数ε确定 ε=0.967
3.流量系数m确定 m=0.378
4.侧收缩系数ε确定
1
3
a0 0.2
P1
4
b B0
1
b B0
分别计算边孔、H中孔收缩系数，
然后加权平均计算侧收缩系数。
边墩头部为圆形，B0 b
1
3
a0 0.2
P1
4
b B0
1
b B0
1
3
a0 0.2
P1
4
b b
1
b
b
H
H
1
3
0.1 0.2 0.6
4.侧收缩系数ε确定
水力分析与计算
宽顶堰流水力分析与计算
侧收缩系数ε确定：
1
3
a0 0.2
P1
4
b B0
1
b B0
——单孔
H
1 n
n
2
2
——多孔
B0—上游引水渠宽度； α0—反映墩头形状对侧收缩影响 的系数；墩头为矩 形 α0 =0.19；墩头 为圆弧形， α0 =0.1 。
ε’、ε”分别为中孔、边孔侧收
堰流 ，且为宽顶堰流。
2.流量公式确定
Q smB
实用堰水力计算公式
1、 游水位较低，水流在流出堰顶时将产生第二次跌落。
2、 4、 10>Hδ时，用明渠流理论解决不能用堰流理论。
f h不可忽略。
同一堰，当堰上水头H 较大时，视为实用堰；当堰上水头较小时，视为宽顶堰。
§8-2 堰流的基本方程以宽顶堰为例来推求堰流的基本方程 取渐变流断面1-1C-C （近似假设渐变流） 以堰顶为基准面， 列两断面能量方程：g v g v h g v H c c c 22222000ςαα++=+ 0002H g vH =+α作用水头c h 与H 有关，引入一修正系数k 。
则00H h k c =机0kH h co =。
修正系数k 取决于堰口的形状和过流断面的变化。
代入上式，整理得：021211gH k gH k v c -=++=ϕςα23021H g b k k b RH v b h v Q c c c -===ϕ 2302H g mb = 式中：b ——堰宽ϕ——流速系数ςαϕ+=1m ——流量系数，k k m -=1ϕ适用：堰流无侧向收缩注：堰流存在侧向收缩或堰下游水位对堰流的出水能力产生影响时，可对此公式进行修正。
§8-3 薄壁堰一、一、分类：矩形薄壁堰→较大流量按堰口形状： 三角形薄壁堰→较小流量梯形薄壁堰→较大流量1、 1、 矩形薄壁堰① ① 矩形薄壁堰的自由出流；在无侧向收缩的影响时，其流量公式为： 2302H g mb Q =上式为关于流速的隐式方程，了；两边均含有流速，一般计算法进行计算，较复杂，于是，为计算简便，将上式改写成： 2302H g b m Q =0m ——已考虑流速影响的薄壁堰的流量系数 0m 的确定：矩形薄壁8的流量系数由1898年法国工程师Basin 提出经验公式为：])(55.01)[0027.0405.0(20p H H H m +++=式中：H ——堰上水头（m ）p ——上游堰高 （m ）适用条件：m H 24.1~25.0= m p 75.0~24.0= m b 0.2~2.0=2、 2、 三角形薄壁堰：当流量较小时，堰上水头较小时，采用三角形薄壁堰 ⑴公式：取微元，则流量表达式为：db h g m dQ 2302= （*） 设h 为db 处水头，则由几何关系：2)(θtgh H b -=dhtgdb 2θ-=代入*式，得dhh g tgm dQ 23022θ-= 积分得：dhh g tgm Q H⎰-=0230222θ2502254H g tg m θ=当90=θ，m H 25.0~05.0=时，实验得395.00=m 。
堰流详细计算步骤
情况一：每道堰单独进行堰流计算，采用每道堰下断面的曼宁公式确定下游水位本次分别对1#、2#、3#、4#堰单独进行堰流计算，根据《水力手册》采用以下堰流公式进行计算为：式中：B －堰的净宽（m ）；0H －包括行近流速水头的堰前水头，即g 2200V H H +＝； 0V －行近流速；m －自由溢流的流量系数，与堰型、堰高等边界条件有关；－淹没系数；－侧收缩系数；当δ/H<0.67，为薄壁堰流；当0.67<δ/H<2.5，为实用型堰流；当2.5<δ/H<10，为宽顶堰流；式中：δ－堰顶厚度；H －堰前水头不包括堰前行近流速水头； 一、4#堰4#堰堰顶高程653.04m ，堰有效过流长度58.5m ，堰厚0.6m ，堰前高度1.2m ，堰下高度1.2m ，根据堰流公式计算，本次采用堰下游断面已知的水位及流量进行试算，计算过程如下：根据曼宁公式计算下游断面曲线（此处公式不作一一介绍，控制断面已介绍）3202H g mB Q σε=σε65324.7 50.2 83 118.3 167.5 654 223.2 285.3 353.3 427.1 506.6 655 591.3 681.4 776.7 912.8 1022.4 6561137.11256.71382.31512.91647.9（1）已知下游水位为652.8m ，流量为9.6m 3/s 时作为下游条件进行试算堰上水头。
4#堰为修圆形断面，下游水位低于堰顶高程，先假设宽顶堰自由出流计算。
流量系数根据按别列辛斯基流量公式（修圆形）： 当0＜P/H ＜3.0时当P/H ≥3时，m=0.36根据堰流公式试算：当堰上流量为9.6m3/s 时，堰上水位为653.25m ，堰上水头0.21m ，为宽顶堰自由泄流。
故本次试算结果是有效的。
（2）已知下游水位为653.2m ，流量为50.2m 3/s 时作为下游条件进行试算堰上水头。
宽顶堰流的水力计算演示教学
（一）淹没出流：
淹没出流流量公式为：
QnA 2gz0
z0
z
v20 2g
z 0 为作用水头， n 为淹没出流的流量系数。
例：有一圆形孔口，直径d=20mm。在作用水头H=2m
条件下恒定自由出流，求：孔口出流流量，在孔口处外
接同直径的管嘴后的流量；管嘴收缩断面处的真空高度
宽顶堰流的水力计算
堰坎外形及厚度不同其能量损失及过水能力也会不同。 工程上通常按照堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小及水 流的特征将堰流分作：
1．薄壁堰流： 即 0.67 。
H
2．实用堰：
即
0.67
2.5
。
H
3．宽顶堰流： 即 2.5 10。
H
堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。 堰流与闸孔出流也存在着许多共同点。首先，堰流和 闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位， 在重力作用下形成的水流运动。其次，这两种水流都是在 较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表 面的压强分布及建筑物的过水能力均有一定影响。 其出流过程的能量损失主要是局部损失。
深度为3.0m。孔前行进流速为0.8m/s，孔口处为完善收缩
的自由出流，求流量。
解：
d 0.20.060.1，为小孔A口d2 0.0314
H3
4
0.62,H0
Hv02 3.03 2g
Q A2g0 H 0.1m 53/s
二、恒定管嘴出流的计算 （一）自由出流：若在孔口上连接一段长为（3～4
）d 的短管（d为孔径）液体经短管而流出的现象。 1-1断面与收缩断面 c-c 断面能量方程
若
ht
宽顶堰堰流泄流能力计算标
顶堰堰流泄流能力计算(P=1)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.908872896总净宽B050侧收缩系数ξ0.945842194闸墩厚度dz4断面面积2321.5436b b30.95原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.278656闸墩顶高程190.62189.18 1.44堰上水深H020.88464下游水位189.14 1.48自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s19.140.916463闸墩高H21.12淹没系数σ0.784293m(直角）0.382298m(圆角）0.38409自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）7643.299Q(直角）5994.589Q(圆角）7679.122Q(圆角）6022.6855290顶堰堰流泄流能力计算(P=2)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.908872896总净宽B050侧收缩系数ξ0.945842194闸墩厚度dz4断面面积2321.5436b b30.95原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.0159闸墩顶高程189.42188.16 1.26堰上水深H019.62713下游水位188.12自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s18.120.923212闸墩高H19.92淹没系数σ0.76389m(直角）0.382129m(圆角）0.384037自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）6960.388Q(直角）5316.97Q(圆角）6995.134Q(圆角）5343.5124680顶堰堰流泄流能力计算(P=5)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.909780316总净宽B050侧收缩系数ξ0.946023678闸墩厚度dz4断面面积1715.1756b b25.9原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.250498闸墩顶高程187.38186.430.95堰上水深H017.63814下游水位186.39自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s16.390.929236闸墩高H17.88淹没系数σ0.744154m(直角）0.381792m(圆角）0.38393自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）5925.537Q(直角）4409.51Q(圆角）5958.725Q(圆角）4434.2063860顶堰堰流泄流能力计算(P=10)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.910700081总净宽B050侧收缩系数ξ0.946207631闸墩厚度dz4断面面积1468.0005b b23原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 2.207084闸墩顶高程185.67184.890.78堰上水深H015.91828下游水位184.85自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s14.850.93289闸墩高H16.17淹没系数σ0.731405m(直角）0.381447m(圆角）0.383822自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）5076.737Q(直角）3713.148Q(圆角）5108.336Q(圆角）3736.263240顶堰堰流泄流能力计算(P=20)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.910700081总净宽B050侧收缩系数ξ0.946207631闸墩厚度dz4断面面积1468.0005b b23原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 1.811988闸墩顶高程184.05183.350.7堰上水深H014.21734下游水位183.32自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s13.320.936884闸墩高H14.55淹没系数σ0.716727m(直角）0.38105m(圆角）0.383696自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）4280.706Q(直角）3068.1Q(圆角）4310.431Q(圆角）3089.4042660顶堰堰流泄流能力计算(P=50)闸门孔数n5中间闸墩侧收缩系数ξz0.955084519单孔净宽b010边闸孔侧收缩系数ξb0.910700081总净宽B050侧收缩系数ξ0.946207631闸墩厚度dz4断面面积1468.0005b b23原河道底高程169.5坎顶高程170河道流速 1.144414闸墩顶高程180.63180.120.51堰上水深H010.69675下游水位180.08自由过流流量系数m堰流淹没出流系数σ坎高P0.5下游水位h s10.080.942342闸墩高H11.13淹没系数σ0.695287m(直角）0.379857m(圆角）0.383316自由过流流量Q淹没过流流量QQ(直角）2784.861Q(直角）1936.278Q(圆角）2810.226Q(圆角）1953.9131680υ00.948002 Q5305.21υ00.951645 Q4686.042υ00.954973 Q3870.793υ00.957027 Q3251.552υ00.959302 Q2679.399υ00.962464 Q1686.547。
宽顶堰流的水力计算
宽顶堰流得水力计算如图所示，水流进入有底坎得堰顶后，水流在垂直方向受到堰坎边界得约束，堰顶上得过水断面缩小，流速增大，势能转化为动能。
同时堰坎前后产生得局部水头损失，也导致堰顶上势能减小。
所以宽顶堰过堰水流得特征就是进口处水面会发生明显跌落。
从水力学观点瞧，过水断面得缩小，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)得进口等建筑物时，由于进口段得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，仍按宽顶堰流得方法进行分析、计算。
（一）流量系数宽顶堰得流量系数取决于堰得进口形状与堰得相对高度，不同得进口堰头形状，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，由堰高引起得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得影响，按=3代入公式计算值。
由公式可以瞧出，宽顶堰得流量系数得变化范围在0、32～0、385之间，当=0时，=0、385，此时宽顶堰得流量系数值最大。
比较一下实用堰与宽顶堰得流量系数，我们可以瞧到前者比后者大，也就就是说实用堰有较大得过水能力。
对此，可以这样来理解：实用堰顶水流就是流线向上弯曲得急变流，其断面上得动水压强小于按静水压强规律计算得值，即堰顶水流得压强与势能较小，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得渐变流，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）侧收缩系数宽顶堰得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得溢流能力时，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。