文档介绍：第八章堰流及闸孔出流
水利工程中,为防洪、灌溉、航运、发电等要求,需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如,溢流坝、水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。
堰是顶部过流的水工建筑物。
H
图2 堰流
H
0
0
v0
图1 堰流
b
图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响
b
e
0
0
图3 堰流及闸孔出流
H
图4 闸孔出流
e
H
0
0
闸孔出流:过堰水流受闸门控制时,就是孔流
堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强,而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位;在重力作用下形成水流运动;明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲,有离心力;出流过程的能量损失主要是局部损失。
相对性: 堰流和孔流是相对的,堰流和孔流取决于闸孔相对开度,闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件(涨水或落水)。
平顶堰: e /H ≤ 孔流曲线型堰:e/H ≤ 孔流
e/H > 堰流 e/H > 堰流
式中:e为闸孔开度; H为堰上水头
堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象,其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。
第一节堰流的分类及水力计算基本公式
一、堰流的分类
水利工程中,常根据不同建筑材料,将堰作成不同类型。例如,溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型;实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。
堰外形、厚度不同,能量损失及过水能力不同。
当水流接近堰顶,流线收缩,流速加大,自由表面逐渐下降
H
P1
v0
1
11
v1
P2
0
δ
0
图5 薄壁堰
堰前断面:堰上游水面无明显下降的0-0 断面
堰上水头:堰前断面堰顶以上的水深,用H 表示
行进流速:堰前断面的流速称为行进流速,用v0 表示
堰前断面距离上游壁面的距离:L =(3~5) H
研究表明,流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ/H 而变,工程上,按δ与H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。
1. 薄壁堰:δ/H <
越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响,水舌下缘与堰顶为线接触,水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形,故薄壁堰也称锐缘堰。
2. 实用堰流: <δ/H <
水利工程,常将堰作成曲线型,称曲线型实用堰。堰顶加厚,水舌下缘与堰顶为面接触,水舌受堰顶约束和顶托,已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰:水利工程,常将堰作成折线形。
3. 宽顶堰:<δ/ H <10
宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。
水流特征:水流在进口附近的水面形成降落;有一段水流与堰顶几乎平行;下游水位较低时,出堰水流二次水面降。
4. 明渠水流:堰坎厚度δ>10H
0
0
v0
H
δ
1
1
图6 曲线型实用堰
P2
v1
v0
H
0
0
P1
1
1
δ
图7 折线型实用堰
H
0
0
P1
P2
v0
δ
1
1
v1
图8 宽顶堰
P1
δ
i > ik
K
K
H
图9 明渠水流
二、堰流水力计算的基本公式
H
P1
v0
1
11
v1
P2
0
δ
0
对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程
基准面:通过堰顶的水平面
分析:0-0断面为渐变流,1-1 断面为急变流(流线弯曲)
式中:为1-1 断面测压管水头的平均值;
v0 为0-0 断面的平均流速;
v1为1-1 断面的平均流速;
ζ为局部阻力系数
令,则①式可变为
由②式得
令,其中k 为系数,则
再令:流速系数;流量系数
则③式可变为
由④式可知:
影响流量系数的主要因素
——反映局部水头损失的影响。包括:堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等
——反映堰顶水流垂直收缩程度(1-1断面水舌厚度 kH)
——代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
d
b’
b’
b’
边墩
边墩
闸墩
闸墩
B
侧向收缩影响有的堰顶过流宽小于上游渠宽;堰顶设闸墩及边墩,引起水流侧向收缩,降低过流能力,用侧收缩系数反映其影响。
下游水位的影响堰下游过高会影响过堰水流的过流能力,其影响用淹没系数反映。
堰流公式:
第二节薄壁堰流
薄壁堰具有稳定的水头和流量关系,常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物,如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。
曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此,研究薄壁堰具有重要的实际意义。
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