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文檔簡(jiǎn)介
1、第十章 堰流 堰流是明渠緩流由于流動(dòng)邊界急劇變化而引起的明渠急變流現(xiàn)象。本章主要介紹各類(lèi)堰流的水力特征、基本公式、應(yīng)用特點(diǎn)及水力計(jì)算方法。概 述一、堰和堰流 堰:在明渠緩流中設(shè)置障壁,它既能壅高渠中的水位,又能自然溢流,這障壁就稱為堰。 堰流(weir flow):緩流越過(guò)阻水的堰墻溢出流動(dòng)的局部水流現(xiàn)象稱為堰流。
2、 選擇:堰流特定的局部現(xiàn)象是: A.緩流通過(guò)障壁; B.緩流溢過(guò)障壁; C.急流通過(guò)障壁; D.急流溢過(guò)障壁。 研究堰流的主要目的: 探討流經(jīng)堰的流量Q及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系。 堰流的基本特征量(圖10-1) 1.堰頂水頭H; 2.堰寬b; 3.上游堰高P、下游堰高P1; 圖10-1
3、 4.堰頂厚度; 5.上、下水位差Z; 6.堰前行近流速0。 二、堰的分類(lèi) 1.根據(jù)堰壁厚度d與水頭H的關(guān)系,如圖10-2: 圖10-2 圖10-32.根據(jù)上游渠道寬度B與堰寬b的關(guān)系,圖10-4: 3.根據(jù)堰與水流方向的交角: 圖10-4 4.按下游水位是否影響堰流性質(zhì): 5.按堰口的形狀: 堰可分為矩形堰、梯形堰、三角堰。 三、
4、堰流及孔流的界限 1.堰流:當(dāng)閘門(mén)啟出水面,不影響閘壩泄流量時(shí)。 孔流:當(dāng)閘門(mén)未啟出水面,以致影響閘壩泄流量時(shí)。 2.堰流和孔流的判別式 (1)寬頂堰式閘壩 堰流: e/H 0.65 孔流: e/H <0.65 (2)實(shí)用堰式閘壩(閘門(mén)位于堰頂最高點(diǎn)時(shí)) 堰流: e/H 0.75 &
5、#160; 孔流: e/H <0.75 式中: e閘門(mén)開(kāi)啟高度; H堰孔水頭。 判斷:從能量角度看,堰流和閘孔出流的過(guò)程都是一種勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。對(duì) 第一節(jié) 堰流的基本公式一、堰流基本公式推導(dǎo)(圖10-7) 由大孔口的流量公式(7-6) 及,
6、并考慮上游行近流速的影響,令 圖10-6 得堰流的基本公式: (10-1) 式中:m堰流流量系數(shù),m=。 二、堰流公式 圖10-7 若考慮到側(cè)收縮影響及淹沒(méi)影響,則堰流公式為: (10-2) (10-3) 式中:淹沒(méi)系數(shù), 1.0; 側(cè)收縮系數(shù), 1.0 。
7、; m0計(jì)及行近流速的流量系數(shù)第二節(jié) 薄壁堰 薄壁堰(如圖10-8)主要用途:用作量水設(shè)備。薄壁堰口的橫斷面形狀不同,相應(yīng)的流量系數(shù)也不同。 圖10-8一、矩形薄壁堰 1. 基本公式 (10-4) 2.無(wú)側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰: 采用巴贊公式計(jì)算:
8、; (10-5) 公式適用范圍:b=0.22.0m,P=0.240.75m,H=0.051.24m,式中H、P均以m計(jì)。 初步設(shè)計(jì)時(shí),取,則: (10-6) 3. 有側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰: (10-7)
9、4.矩形薄壁堰的淹沒(méi)判別條件(圖10-9) 1)堰下游水位高出堰頂標(biāo)高,即z<H;必要條件 2)在堰下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍銜接,即ht>hc 充分條件 (10-8) 淹沒(méi)溢流時(shí),不僅堰的過(guò)水能力降低,而且下游水面波動(dòng)較大,溢流不穩(wěn)定。所以用于測(cè)量流量用的薄壁堰,不宜在淹沒(méi)條件下工作。 圖10-9二、三角形堰(圖10-10)
10、60; 堰通常用于實(shí)驗(yàn)室作小流量測(cè)量。當(dāng)堰為直角三角堰時(shí): (10-9) 適用條件:。 圖10-10三、梯形薄壁堰 當(dāng) 時(shí)的自由出流時(shí)的梯形薄壁堰公式為: (10-10) 說(shuō)明:當(dāng) 時(shí),側(cè)收縮梯形堰傾斜部分所增加的流量,正好抵消矩形堰側(cè)收縮影響所減小的流量。即有側(cè)收縮的 的梯形堰作自由出流時(shí)的流量等于沒(méi)有側(cè)收縮的自由出流矩形堰的流量。
11、 注:以上三類(lèi)薄壁堰的流量計(jì)算公式均是指自由出流。 圖10-11問(wèn)題1:當(dāng)用矩形薄壁堰來(lái)測(cè)量流量時(shí), , 下,水流最穩(wěn)定,測(cè)量精度最高。A.有側(cè)收縮 自由出流; B.有側(cè)收縮 淹沒(méi)出流;C.無(wú)側(cè)收縮 自由出流; D.無(wú)側(cè)收縮 淹沒(méi)出流。 問(wèn)題2:為保證薄壁堰為自由出流,應(yīng)滿足: A.堰上水頭盡量小,水舌下游空間應(yīng)與大氣相通;
12、B.堰上水頭不宜過(guò)小,水舌下游空間應(yīng)與大氣相通;C.堰上水頭盡量小,水舌下游空間不應(yīng)與大氣相通;D.堰上水頭不宜過(guò)小,水舌下游空間不應(yīng)與大氣相通。 第三節(jié) 實(shí)用堰 實(shí)用堰的主要用途:用作蓄水建筑物壩,或凈水建筑物的溢流設(shè)備,如圖10-12。 圖10-12一、曲線型實(shí)用堰(圖10-13) 1.真空實(shí)用堰、非真空實(shí)用堰 非真空實(shí)用堰(non-vacuum weir):若堰面的剖面曲線基本上與堰的水舌下緣外
13、形相符,水流作用于堰面上的壓強(qiáng)仍近似為大氣壓強(qiáng),這種堰稱為非真空實(shí)用堰。 真空實(shí)用堰(vacuum weir):若堰面的剖面曲線低于堰的水舌下緣,溢流水舌脫離堰面,脫離處的空氣被水流帶走而形成真空區(qū),這種堰稱為真空實(shí)用堰。 選擇:當(dāng)曲線型實(shí)用堰的實(shí)際作用水頭大于設(shè)計(jì)水頭時(shí),則過(guò)堰流量會(huì): A.減小; B.增加; C.不變;
14、160; D.不定。 2.曲線形實(shí)用堰的設(shè)計(jì) 要求:堰面不發(fā)生負(fù)壓,流量系數(shù)大,堰剖面較小,工程量小, 穩(wěn)定安全。 堰型:目前工程界廣泛采用的是WES剖面堰。 選擇:對(duì)于實(shí)用堰,對(duì)水流特性影響最大的是: A.上游直線; B.堰頂曲線; C.下游直線;
15、160; D.反弧段。 圖10-13二、流量公式 (10-11) 式中: BB=nb,為全部閘孔凈寬; n閘孔的數(shù)目; &
16、#160; b單個(gè)閘孔凈寬; 側(cè)向收縮系數(shù),有 (10-12) 式中:邊墩和閘墩形狀系數(shù)。 圖10-14 邊墩值圖10-15 中墩值三、實(shí)用堰的淹沒(méi)判別 實(shí)用堰淹沒(méi)判別與矩形薄壁堰的
17、判別條件相同(即下游水位高過(guò)堰頂且發(fā)生淹沒(méi)水躍),其流量公式為: (10-13) 式中:淹沒(méi)系數(shù)。 第四節(jié) 有坎寬頂堰一、自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰 主要特點(diǎn):進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深,此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深,以后形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流,水面在堰尾第二次下降,如圖10-16。 選擇:自由式寬頂堰的堰頂水深h: A.h<hc; B.h>hc
18、; C.h=hc; D.不定。(其中hc為臨界水深) 圖10-161.自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰的流量公式 2.流量系數(shù)的計(jì)算 取1-1,2-2斷面寫(xiě)能量方程(4-15): 當(dāng) 時(shí): 直角邊緣進(jìn)口:m=0.32,圓角進(jìn)口:m=0.36 令 當(dāng) 時(shí):
19、160; 則 直角邊緣進(jìn)口: (10-14) 令 ,則得寬頂堰的流量公式: 直角邊緣修圓: (10-13) (10-15) 式中:堰進(jìn)口處的局部水頭損失
20、; 說(shuō)明:1.根據(jù)伯朗日最大流量假設(shè),當(dāng) 時(shí),過(guò)堰流量為最大,m=0.385。 流速系數(shù), ; 2.流體為理想流體時(shí),則=0,即=1.0 , m=0.385 。 m堰流量系數(shù), 。一般地,m值在0.32-0.385之間。 判斷:相同水頭的作用下,實(shí)用堰的過(guò)流能力比寬頂堰大。 對(duì) 二、側(cè)收縮寬頂堰(b<B) &
21、#160; (10-16) 式中: 側(cè)向收縮系數(shù),由式(10-12) 計(jì)算。式中:邊墩和閘墩形狀系數(shù),取值同實(shí)用堰。 或?qū)慰讓掜斞哂薪?jīng)驗(yàn)公式: (10-17) a為墩形系數(shù),矩形墩a=0.19,圓形墩a=0.10。 三
22、、淹沒(méi)式寬頂堰 (圖10-17、10-18) 圖10-17 圖10-18 判別條件:必要條件:hs>0. 充分條件: (10-18) 或 (10-19) 流量公式 (10-20) 寬頂堰淹沒(méi)出流時(shí)堰頂?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)是
23、緩流。 例:某矩形斷面渠道,為引水灌溉修筑寬頂堰(如圖10-19)。已知渠道寬B=3m,堰寬b=2m,坎高P=P1=1m,堰上水頭H=2m,堰頂為直角進(jìn)口,單孔,邊墩為矩形,下游水深h=2m。試求過(guò)堰流量。 解:(1)判別出流形式 hs=h-P=1m>0 必要條件 充分條件
24、; 滿足淹沒(méi)溢流必要條件,但不滿足充分條件,為自由式溢流。 圖10-19 b< B ,有側(cè)收縮。綜上所述,本堰為自由溢流有側(cè)收縮的寬頂堰。 (2)計(jì)算流量系數(shù)m : 堰頂為直角進(jìn)口,P/H=0.5<3,則由(1014)得 (3)計(jì)算側(cè)收縮系數(shù) 單孔采用式(10-17)得
25、; (4)計(jì)算流量:自由溢流有側(cè)收縮寬頂堰 其中 用迭代法求解Q,第一次取H 0(1)H 第二次近似,取
26、160; 第三次近似,取 本題計(jì)算誤差限值定為1%,則過(guò)堰流量為Q=Q(3) =8.48m3/s
27、 (5)校核堰上游流動(dòng)狀態(tài) 上游來(lái)流為緩流,流經(jīng)障壁形成堰流,上述計(jì)算有效。用迭代法求解寬頂堰流量高次方程,是一種基本的方法,但計(jì)算繁復(fù),可編程用計(jì)算機(jī)求解。
28、思考題: 1.在所有堰流中,哪種堰流的流量系數(shù)最大,哪種堰流的流量系數(shù)最??? 實(shí)用堰流量系數(shù)最大,寬頂堰流量系數(shù)最小。 2.堰壁的厚度對(duì)堰流有何影響? 堰壁的厚度與堰上水頭比值的大小決定了水流溢流的流動(dòng)圖形。 3.薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰的淹沒(méi)出流判別條件有什么區(qū)別? 三者淹沒(méi)出流的必要條件相同:堰下游水位高出堰頂標(biāo)高;但充分條件不同,薄壁堰、實(shí)用堰是:下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍銜接。寬頂堰是:下游水位影響到堰上水流由急流變?yōu)榫徚骷磆s>0.8
29、H。 堰流流量公式中的流量系數(shù)m和m0有什么區(qū)別?答案: 中的沒(méi)有計(jì)及行近流速 中的考慮了行近流速的影響 第五節(jié) 無(wú)坎寬頂堰 水流流經(jīng)小橋孔,由于受橋臺(tái)、橋墩的側(cè)向約束,使過(guò)水?dāng)嗝鏈p小,形成寬頂堰溢流。一般情況下,橋孔下坎高P=P1=0,故小橋孔的過(guò)水是無(wú)底坎平底(i=0)的寬頂堰溢流。無(wú)坎寬頂堰流形式在工程上有很多,如經(jīng)過(guò)平底水閘、無(wú)壓涵洞及廊道進(jìn)口處
30、的水流等。因此可利用無(wú)坎寬頂堰的原理對(duì)上述相關(guān)工程的溢流能力進(jìn)行計(jì)算。 圖10-20 一、無(wú)坎寬頂堰的水力計(jì)算 1.流量系數(shù)形式 在無(wú)坎寬頂堰中,流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值包含了側(cè)壓縮的影響,即.因此由堰流基本公式(10-3)可得 (10-21) 式
31、中:m'為包含側(cè)收縮影響的流量系數(shù),可據(jù)平面布置形成查水力計(jì)算手冊(cè)。 為寬頂堰淹沒(méi)系數(shù)。 2.流速系數(shù)形式 如圖所示,以坎底為基準(zhǔn)面,設(shè)1-1斷面的總水頭為H0,2-2斷面的水深(即坎頂實(shí)際水深)為h2,平均流速為,兩斷面之間的損失為。對(duì)1-1與2-2斷面列能量方程(4-15)得 即: (10-22) 式中,流速系數(shù)由試驗(yàn)給出,可查資料確定,一般。 二、無(wú)坎寬頂堰出流判別標(biāo)準(zhǔn) 在無(wú)坎寬頂堰中,其判別出流
32、標(biāo)準(zhǔn)如下: 自由出流: ht<1.3hc (10-23) 淹沒(méi)出流: ht>1.3hc (10-24)式中:ht為下游河槽水深;hc為臨界水深。 該判別標(biāo)準(zhǔn)與有坎寬頂堰的淹沒(méi)判別式(10-18),基本上是一致的,現(xiàn)說(shuō)明如下: 因
33、; 有 實(shí)驗(yàn)知 ,取 ,代入有 或 1.3hc=0.8H0 代入有坎寬頂堰的淹沒(méi)出流條件式(10-18) 得 (無(wú)坎寬頂堰h(yuǎn)s=ht) (注意,這里的
34、hc對(duì)應(yīng)過(guò)流寬度為b,而不是。 3.計(jì)算橋前的壅水水深H 列橋前水深與橋下水流的能量方程: 令 為流速系數(shù),由橋臺(tái)形狀決定,則橋前壅水水深為: 式中:0 橋前行進(jìn)流速,當(dāng)0 <1.0m/s時(shí)可忽略不計(jì)。 小橋孔徑的計(jì)算步驟 1) 確定下游河槽天然水深ht;
35、 2) 確定橋孔下臨界水深hc ; 3) 判別小橋橋孔下出流情況: 時(shí),自由出流,橋下水深為臨界水深hc ; 時(shí),淹沒(méi)出流,橋下水深為下游天然河槽水深ht 。 4) 確定橋孔孔徑B、長(zhǎng)度L;計(jì)算橋前的壅水水深H。 例:在某河道上有一鋼筋混凝土橋。該橋有一半圓形中墩d=1.0m,橋下斷面為梯形,m=1.5m。已知側(cè)收縮系數(shù)=0.90,流速系數(shù)=0.90。根據(jù)河床土質(zhì)及加固條件,允許流速s=3.0m/s。當(dāng)橋孔通過(guò)設(shè)計(jì)流量Q=35m3/s,下游河槽天然水深ht=1.15m 。試設(shè)計(jì)橋孔孔徑,橋前雍水水深。 解:1.設(shè)計(jì)橋孔孔徑 ,求橋孔下臨界水深 hc,取
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