018项目六堰流水力分析与计算

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பைடு நூலகம்
2 确定流量系数 m
宽顶堰的流量系数m取决于堰的进口形式和堰的相对高度P1/H，对于不同的进口形 式，可选用不同的经验公式进行计算。 对堰坎进口为直角的宽顶堰，见图6-4（a）
3 m 0.32 0.01
P1 H
P 0.46 0.75 1 H
，并且 r ≥ 0.2 H
（6-7）
对堰坎进口为圆角的宽顶堰[图6-4（b）]
32 Q S mB 2 g H 0
（6-2）
其中：B—堰顶过水净宽度； H0—包括流速水头在内的堰上总水头； σs—考虑下游水位对泄流影响系数，称淹没系数，σs≤1， 当自由出流时 σs =1； ε—侧收缩系数，ε≤1，无侧收缩影响时 ε=1。 堰流水力计算的主要内容：一是计算堰流的泄流量 Q，二是确定堰顶过水净宽 B，三 是求堰顶作用水头 H 以确定堰顶高程。无论进行哪种水力计算，关键问题是根据不同类 型堰的几何边界条件和水流条件，确定相应的流量系数、淹没系数和侧收缩系数，再进 行相关水力计算。下面任务将分别讨论三种堰流的水力计算。
图 6-3
（6-6） 式（6-6）中 H—堰上水头，m； P1—上游堰高，m； B0—堰上游引水渠宽，m。 当0.5m≤B0≤1.2m；0.1m≤P1≤0.75m；0.07m≤H≤0.26m；且H≤B0/3时，流量测 量误差小于±1.4%。有时近似采用C0=1.4。 【案例6-1】：某渠道末端设有一矩形无侧收缩薄壁堰，用来量测流量，已知堰上水 头H=0.25m，堰高P1=P2=0.5m，堰顶过水净宽 B=1.2m，下游为自由出流，求通过薄壁堰 的流量。 【案例分析与计算】 ： 因无侧收缩且为自由出流，可先按式（6-4）计算流量系数 m0，然后用式（6-3）计
2 堰流水力计算公式
堰的形式虽多，但其有共同的运动规律，现用能量方程来推求堰流的基本公式。 如图 6-1 所示，以堰顶为基准面，对堰前行近流速 v0 所在 0-0 断面和堰顶 1-1 断面建 立能量方程。0-0 断面水流为渐变流；1-1 断面水流属急变流，过水断面上测压管水头
z1
p1 p 不等于常数，用 z1 1 表示 1-1 断面上测压管水头的平均值，由此可得
图6-4
1.2 有坎宽顶堰流计算公式 一般当堰的前沿较宽，堰上设有闸墩和边墩时，将产生侧收缩现象；当下游水位影 响堰的过流能力时，则形成宽顶堰的淹没溢流，故宽顶堰的水力计算需要考虑淹没和侧 收缩的影响，采用堰流的一般公式
Q s mB 2 g H 0
3/ 2
有坎宽顶堰的水力计算首先解决的关键问题仍然是确定各种边界条件、水流条件下 的流量系数、侧收缩系数和淹没系数，然后才能进行堰流泄流量等有关的水力计算。
（6-4）
式（6-4）中：H—堰上水头，m； P1—上游堰高，m。 式（6-4）在H≥0.025m， P1/ H≤2，P1≥0.3m范围内适用。 这样就可以由直接测出的堰上水头H，按上式求得流量。
2 三角形薄壁堰
当测量流量较小（一般Q<0.1m/s）时，若采用矩形薄壁堰，则堰上水头过小，误差 将会增大，常采用三角形薄壁堰（如图6-3）。三角形薄壁堰的计算公式为：
任务一
堰流水力分析
1 堰流及其分类
1.1 堰及堰流 堰是河渠中修建的既可挡水而顶部又可以溢流的水工建筑物，堰的上游水流受其约 束，上游水位壅高，水流经堰顶泄流时，堰对水流有局部的侧向收缩或底坎垂向收缩约 束，形成堰顶水面不受任何约束呈连续的自由降落的急变流，这种水流现象称为堰流。 见图 6-1。
图 6-1
3
任务二
薄壁堰流水力计算
薄壁堰流具有稳定的水头与流量关系，常用于实验室和野外的流量量测，因此又叫 量水堰。工程中曲线型实用堰的剖面型式常根据薄壁堰流水股的下缘曲线进行设计，所 以研究薄壁堰流具有实际意义。 薄壁堰的堰板顶部厚度为1~2mm，堰口宜用耐腐蚀的金属制作，或涂上油、蜡之 类的保护层，保持平整光滑。小型薄壁堰可用整块钢板加工后现场安装，大型薄壁堰需 在现场安装混凝土基座，然后将加工好的堰板镶嵌在混凝土中。 由于薄壁堰常用作量测流量的工具，为了提高测量精度，一般使堰和引水渠同宽并使 下游水位低于堰顶，不影响堰的过流能力。这时，堰流公式（6-2）中的淹没系数σs =1， 侧收缩系数ε=1。薄壁堰的开口形状常作成矩形或三角形，分别叫作矩形薄壁堰和三角形 薄壁堰。
Q C0 H 5 2
（6-5）
式（6-5）中： C0—三角形薄壁堰的流量系数。 三角形薄壁堰的开口一般做成 90°，叫直角三角形薄壁 堰。对于直角三角形薄壁堰，流量系数C0可按下式计算
2 H 0.004 0.2 C 0 1.354 0.14 0.09 H B P 0 1
H
2 0v0 p v2 v2 p v2 Z 1 1 1 1 Z 1 (1 ) 1 2g 2g 2g 2g
式中 v0 和 v1 为 0-0 和 1-1 断面的平均流速；α0 和 α1 是相应断面的动能修正系数；ζ 为局部水头损失系数。 令： H
3/ 2 Q Av1 kH 0bv1 k b 1 2 g H 0
令： m k 1 ，称为堰的流量系数， 则：
3/ 2 Q mb 2 g H 0
（6-1）
可以看出，过堰的流量与堰上总水头的 3/2 次方成正比，即 Q∝H03/2。流量系数 m 与 φ、k、ξ 值有关。φ 值主要反映局部水头损失和流速分布的不均匀程度的影响；k 值反 映过堰水流垂向收缩程度；ξ 值是 1-1 断面的平均侧压管水头与堰顶水头的比例系数。φ、 k、ξ 值主要取决于堰的类型、形式、尺寸及堰上水头 H。 式（6-1）对于薄壁堰、实用堰和宽顶堰都是适用的，只是不同类型的堰确定流量系 数方法不同。 在实际应用中，有时下游水位较高或下游堰高较小影响了堰的过流能力，这种堰流 称为淹没出流；反之叫堰的自由出流。当堰顶的过水宽度小于上游引水渠宽度或者堰顶 设有边墩和闸墩，会引起过堰水流的侧向收缩，降低堰的过流能力，这种堰流称作有侧 收缩堰流，反之为无侧收缩堰流。若考虑下游水位和侧收缩对过堰水流的影响，堰流公 式可写为
状。无侧收缩、自由出流矩形薄壁堰的流量按式（6-1）计算。 应用薄壁堰量测流量时，为了便于根据直接测出的水头计算流量，常把行近流速的 影响包括在流量系数中，流量公式为
Q m0 B 2 g H
3/ 2
（6-3）
式（6-3）中：m0—包括行近流速水头的流量系数，可按下列经验公式计算：
4
m0
2 0.001 H 0 . 605 0 . 08 3 H P 1
项目六
堰流水力分析与计算
堰是河渠中修建的既可挡水而顶部又可以溢流的水工建筑物，是水利工程蓄水调度、 防洪发电、灌溉航运的主要工程措施之一。 堰流水力分析与计算项目的主要任务是掌握堰流分类、堰流水力计算公式及影响因 素分析，薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流流量系数、侧收缩系数及淹没系数确定方法； 会根据实际工程资料进行堰流水流现象分析，能进行薄壁堰、实用堰、宽顶堰过流能力 计算。
1
从堰顶起算的水深。堰前 0-0 过水断面的平均流速 v0 称为堰前行近流速，堰的上游水位 也应在此量测；δ 为沿水流方向水流溢过堰顶的厚度。 根据堰顶厚度 δ 与堰上水头 H 的比值，将堰流分为以下三种： （1）薄壁堰流—堰顶厚度 δ≤ 0.6 7H 时，称为薄壁堰。通过薄壁堰顶下泄的水流， 水舌下缘与堰顶只有线的接触，下泄水流几乎不受堰顶厚度 δ 的影响，水面呈单一降落 曲线的水流叫薄壁堰流（图 6-1a） 。 （2）实用堰流——堰顶厚度 0.6 7H<δ≤2.5H 时 ，称为实用堰。通过堰顶下泄的水 舌下缘与堰顶呈面接触，水流受到堰顶的约束和顶托，但其泄流主要是重力作用，水流 仍是单一降落的曲线，这种水流叫实用堰流（图 6-1b） 。 （3）宽顶堰流—堰顶厚度 2.5H<δ≤10H 时，称为宽顶堰。水流受到堰顶的顶托作用 已非常明显，在堰顶进口处水面发生明显跌落。当 4H<δ≤10H 时，水面线与堰顶近似平 行，水面不再是单一降落的曲线，下游水位较低时，出口水面会产生第二次降落，这种 水流叫宽顶堰流（图 6-1c） 。 当 δ/H＞１０时， 沿程水头损失已不能忽略， 水流特性不再属于堰流， 而是明渠水流。
3 m 0.36 0.01
P1 H
P 1.2 1.5 1 H
（6-8）
式（6-7）、式（6-8）使用于0≤P1/H≤3的情况，当P1/H>3时，由堰高所引起的垂 直收缩已达最大限度，流量系数不再受P1/H的影响，按P1/H=3计算。 当P1/H=3时流量系数m为最小值；当P1=0时，m=0.385为最大值，这和理论推导的结 果是一致的。所以宽顶堰流量系数的变化范围为：直角进口 m=0.32~0.385，圆角进口 m=0.36~0.385。
孔宽顶堰直接用下面的经验公式计算
1
3
a0 P 0.2 1 H
4
b b 1 B0 B 0
（6-9）
8
式（6-9）中： P1—上游堰高； B0—上游引水渠宽度， 对于梯形断面近似用一半水深处的渠道宽， 即B0=b0+mh； b0为引渠的底宽，m边坡系数，h为水深； b—溢流孔单孔净宽； ao—反映墩头形状对侧收缩影响的系数；墩头为矩形，ao=0.19；墩头为圆弧形， ao= 0.10。 上式的适用条件为：b/B0≥0.2且P1/H<3，当b/B0<0.2时，取b/B0=0.2；P1/H>3时，取 P1/H=3。 对于多孔宽顶堰，利用公式（6-9）分别求出中孔侧收缩系数 ε’和边孔侧收缩系数 ε”，而 后求出侧收缩系数的加权平均值 ，设孔数为 n，则：
1 矩形薄壁堰
当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由 出流时，水流最为稳定，测量精度也较 高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上 游渠宽与堰宽相同， 下游水位低于堰顶。 根据实验，要形成稳定的薄壁堰流应使 堰上水头H>2.5cm，并使水舌下面通气 充分不易形成局部真空。 图6-2为实验室中测得的无侧收缩、 非淹没矩形薄壁堰自由出流的水舌形 图 6-2
5
算流量。
m0
2 0.001 H 2 0.001 0.25 0 . 605 0 . 08 0.605 0.08 0.433 3 H P1 3 0.25 0.5
3 3
把 m0 代入（6-3）式计算流量
Q m0 B 2 g H 2 0.433 1.2 2 9.8 0.25 2 0.287m 3 /s
1.2 堰流分类 在水利工程中，常根据不同的建筑条件及使用要求，将堰作成不同的类型，堰的外 形不同，其过水能力也不同，对堰流进行水力计算之前首先对堰流进行分类。 在图 6-1 中，P1 表示堰顶超出上游河床的高度，称为上游堰高；P2 表示堰顶超出下 游河床的高度，称为下游堰高；H 为堰上水头，它是距堰壁（3~4）H 的 0-0 过水断面处，
任务三
有坎宽顶流水力计算
1 有坎宽顶堰流水力现象及计算公式
1.1 有坎宽顶堰流水力现象 当堰顶水平且堰顶厚度与堰上水头满足 2.5H<δ≤10H 时，在进口处形成水面跌落， 堰顶范围内产生一段流线近似平行堰顶的渐变流动，这种堰流即为宽顶堰流。河（渠） 道上修建的水闸，工程中有拦沙等要求时，闸底板常做成有坎宽顶堰，当闸门全开时， 水流不受闸门的控制，属于有坎宽顶堰流，见图 6-4（a）、（b）。
图 6-5（a）
图 6-5（b）
对于斜坡式，见图6-5（a）；斜角式，见图6-5（b）。进口宽顶堰其流量系数可由表 6-1和表6-2查出。
表6-1 上游斜坡式进口流量系数m
7
表6-2
上游有45°斜角式进口流量系数m
3
确定侧收缩系数 ε
宽顶堰的侧收缩系数ε主要与闸墩（边墩）头部的形状以及堰的进口形式有关，单
2 0 v0 1 H 0 ，H 称为包括流速水头在内的堰上总水头； ，φ 2g 1
2
为流速系数； z1
p1 = H 0 。可得下式：
v1 2 g ( H 0 H 0 )
设堰顶过水断面净宽度为 B；1-1 断面的水舌厚度用 kH 0 表示，通过 1-1 断面的流量为