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）