第8章 堰流及闸孔出流汇编Word文件下载.docx
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自由出流:
下游水深小,不影响堰的过流能力
2从下游水深对Q的影响分
淹没出流:
下游水深影响堰的过流能力
有侧收缩堰:
B>
b;
3从堰宽b和河宽B的大小分
无侧收缩堰:
B=b
正堰:
堰与水流方向正交
4从水流方向分斜堰:
堰与水流方向不正交
侧堰:
堰与水流方向平行
8-2堰流的基本公式
以薄壁堰为例推导,结果适用于其它堰型。
以为基准面,建立0-0和1-1断面的能量方程。
----堰上水头
为1-1断面的平均测压管水头,因水舌被大气包围,
其中,表示流速系数;
b表示堰宽;
e表示1-1断面的水舌厚。
令
堰流的基本公式:
或
以上推导是无侧收缩、无淹没的情况。
考虑侧向收缩和淹没影响,
—淹没系数—侧收缩系数m—流量系数
8-3薄壁堰
一、矩形薄壁堰
矩形堰通常用于实验室量测流量。
1完全堰
1、渠宽与堰宽相同。
条件2、下游水位低于堰顶。
3、堰上水头不宜过小(H>
2.5cm),否则受表面张力作用。
4、水舌下面的空间应与大气相通。
薄壁堰通常的工作条件为无侧收缩,无淹没,此时:
其中
式中H以米计,该式的适用范围为:
且。
。
2侧收缩堰
有侧收缩时
式中H以m计。
3淹没堰
淹没条件:
(1)必要条件:
下游水位高于堰顶
(2)充分条件:
下游产生淹没水跃
判别公式:
或
其中:
z为上下游水位差,为临界水跃时上下游水位差,为下游堰高。
淹没出流的计算公式为:
其中
二、三角形薄壁堰
堰口形状为三角形称为三角堰,计算公式为:
量测较小流量,堰口夹角通常为90,此时
式中H为堰顶水头,以cm计。
三、梯形堰
堰口形状为梯形叫梯形堰。
计算公式为:
,当14°
时,流量系数不随H及b变化,且约为0.42。
8-4实用堰
(a)非真空堰(b)真空堰
实用堰主要用作蓄水挡水建筑物——坝,或净水建筑物的溢流设备。
根据堰的专门用途和结构本身稳定性要求,其剖面可设计成曲线形或折线形。
曲线形实用堰又可分成非真空堰和真空堰两大类,如果堰的剖面曲线基本上与薄壁堰的水舌下缘外形相符,水流作用在堰面上的压强仍近似为大气压强,称为非真空堰,如图8-4-1(a)所示。
若堰剖面曲线低于薄壁堰的水舌下缘,溢流水舌脱离堰面,脱离处的空气被水流带走而形成真空区,这种堰称为真空堰,如图8-4-1(b)所示。
真空堰由于堰面上真空区的存在,增加了堰的过水能力,即增大了流量系数。
但是,由于真空区的存在,水流不稳定而引起建筑物的振动,且在堰面发生空穴现象,使坝过早地破损。
当建筑材料不便加工成曲线时,常采用折线多边形,如图8-4-2所示。
实用堰的流量公式仍采用式(8-2-2),即
当无侧收缩、无淹没时,取=1.0,=1.0。
由于实用堰堰面对水舌有影响,所以堰壁的形状及尺寸对流量系数有影响,其精确数值应由模型实验决定。
在初步估算时,可取真空堰,非真空堰,折线多边形堰m=0.35~0.42。
侧收缩系数可用下式计算
式中,a为考虑坝墩形状影响的系数,矩形坝墩a=0.2,半圆形或尖形坝墩a=0.11,曲线形尖墩a=0.06。
实用堰的淹没标准与薄壁堰相同,即下游水位高于堰顶,并且堰下游发生淹没式水跃。
非真空堰淹没系数可由表8-1确定。
表8-1非真空堰淹没系数
0.05
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
0.95
0.975
0.995
1.00
0.997
0.985
0.972
0.957
0.935
0.906
0.856
0.776
0.621
0.47
0.319
0.10
8-5宽顶堰
有坎宽顶堰:
存在垂直收缩
宽顶堰引起水面跌落
无坎宽顶堰:
水流宽度发生变化,产生侧向收缩
一、宽顶堰流的特点
(1),垂直收缩的影响,流线收缩,水面下降,在C-C断面达最小值(2H处),,以后水受阻力影响,水面微微上升,下游水位较低时产生第二次跌落。
C-C断面以后属急流渐变流,Q不受下游水位影响,自由出流。
图a
(2)下游水位上升达到K-K线堰上水流仍属于急流,hc与下游水位无关,堰出口没有水面跌落,仍为自由出流。
图b
(3)当hs>
hk,从hc~hs 发生水跃(超过幅度不大)。
当水跃还没有淹没收缩断面时仍不变,此时Q仍不受下游水位影响,仍为自由出流。
图c
(4)下游水位再升高至,收缩断面被淹没,水跃消失,堰上水流为缓流,Q减小,变为淹没出流。
图d
二、宽顶堰流量系数
宽顶堰计算公式
当时,直角进口边缘;
圆角进口边缘
当时,堰顶进口为直角时,
堰顶进口为圆弧形,
三、侧收缩系数
当宽顶堰溢流宽度较大时,同样需设置闸墩和边墩,产生侧收缩使Q减小,计算公式为:
式中,为墩形系数,矩形边缘,圆形边缘。
四、淹没条件及淹没系数
宽顶堰淹没条件:
当堰顶收缩断面被淹没时为淹没出流,实验结果为,值见下表:
0.800.810.820.830.840.850.860.870.880.89
1.000.9950.990.980.970.960.950.930.900.87
0.900.910.920.930.940.950.960.970.98
0.840.820.780.740.700.650.590.500.40
五、无坎宽顶堰
无底坎有侧向收缩的宽顶堰称无坎宽顶堰。
公式仍为:
:
包括侧收缩系数在内的流量系数。
近似采用有坎宽顶堰值。
n为孔数。
多孔时,因上游边界条件不同,边孔、中孔应分别计算(引出计算边孔的概念),计算中孔和边孔,加权平均=。
8-6小桥孔径水力计算
小桥过水时由于侧向收缩使水位雍高再迭落,属无坎宽顶堰。
一、小桥孔径的水力计算公式
若桥孔水流的临界水深为,实验证明:
当桥下游水深为自由式小桥过水,见图a;
为淹没式小桥过水,此种情况下通常认为桥下水深与下游水深相等,见图b。
根据宽顶堰理论,自由式小桥过水,令。
在图a中以—为基准面建立0—0和1—1断面的能量方程
令
桥下矩形过水断面的宽度为b,当水流发生侧向收缩时有效水流宽度为,则
同理可得淹没式小桥过流量公式为:
式中和分别为小桥的侧收缩系数和流速系数,与小桥进口形式有关,其实验值见下表:
桥台形状
收缩系数
流速系数
单孔、有堆体填土(堆体护坡)
单孔、有八字翼墙
0.85
多孔或无堆体填土
多孔或桥台伸出堆体之外
拱脚浸水的拱桥
0.75
二、小桥孔径水力计算原则和步骤
设计桥孔的两个控制条件:
(1)桥孔流速不超过桥下铺砌材料或天然土壤的不冲允许流速;
(2)桥前壅水水位H不大于规范允许值,该值由路肩标高及桥梁梁底标高决定。
1、计算公式
若桥下过水断面宽度为b,当水流发生侧向收缩时,有效水流宽度为,则设计流量下的临界水深为:
将代入上式得:
在设计流量下若按允许流速设计,自由式小桥过水,则:
将自由式宽顶堰公式代入,得:
将与比较得:
再代入,得:
以上各式中的值,对于非平滑进口,;
对于平滑进口,。
2、计算步骤
(1)从允许流速出发计算小桥孔径b
,校核是否淹没。
自由式小桥过水;
淹没式小桥过水。
(2)取标准孔径。
公路、铁路桥梁的标准孔径一般有4,5,6,8,12,16,20米等十多种。
(3)计算标准孔径下的。
,并校核是否变为淹没出流,若由计算时已是淹没出流,则此步可忽略。
(4)计算标准孔径时的桥下流速和桥前壅水水深
自由式:
;
淹没式:
8-7闸孔出流(略)
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