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1、第九章 堰流,都江堰坐落于四川省都江堰市城西，位于成都平原西部的岷江上。都江堰水利工程建于公元前256年，是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰父子率众修建的一座大型水利工程，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。,两千多年来，一直发挥着防洪灌溉作用。截至1998年，都江堰灌溉范围已达40余县，灌溉面积达到66.87万公顷。,都江堰水利工程以历史悠久、规模宏大、布局合理、运行科学，与环境和谐结合，在历史和科学方面具有突出的普遍价值，2000年联合国世界遗产委员会第24届大会上都江堰被确定为世界文化遗产。,主要内容,第一节 堰流的分类及水力计算的基本公式 第二节 薄壁堰流
2、的水力计算 第三节 实用堰流的水力计算 第四节 宽顶堰流的水力计算 第五节 小桥流的水力计算 小 结,教学目的与要求,了解堰流流动特点。 掌握堰流的分类和计算公式，掌握宽顶堰的水力计算方法，会进行流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法，重点掌握宽顶堰流的水力计算。 了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。,重点与难点,宽顶堰、小桥孔径的水力计算方法，流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法。,基本概念,堰：阻挡水流、壅高水位、并使水流在其上流过的泄水建筑物称为堰。,如：桥梁中的桥孔过流，给排水工程中的蓄水、排水建筑的过流、水利工程中的溢流坝等，是常遇到的堰流类型。,堰流特
3、点： （1）在堰面附近较短的距离内流线急剧弯曲，属于明渠中的急变流，水力计算主要为局部阻力 （2）过堰水流由势能转化为动能，在重力作用下自由跃落。 （3）水流过堰顶时会收缩,一、堰的分类,第一节 堰流的分类及水力计算的基本公式,/H0.67 薄壁堰流,0.67/H2.5 实用堰流,2.5/H10 宽顶堰流,曲线形,折线形,按/H,按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响,自由堰流,淹没堰流,薄壁堰：过堰的水舌形状不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶呈线接触，水面为单一的降落曲线。,实用堰：过堰水流受到堰顶的约束和顶托，水舌与堰顶呈面接触，但水面仍为单一的降落曲线,宽顶堰：堰顶厚度对有水流顶托作用
4、，能形成二次水跌,二、堰流水力计算的基本公式,应用能量方程可推导出堰流水力计算的基本公式。,式中：v为11断面的平均流速；0、1是相应断面的动能修正系数；为局部水头损失系数；,称为行近流速水头。,令,称为堰上全水头。,令,为一修正系数，称为压强系数。,则能量方程可写为,称为流速系数。,因为11断面一般为矩形，设其宽度为b ，则11断面的面积为A= kH0b，通过的流量为:,称为堰的流量系数,堰流水力计算的基本公式,主要反映局部水头损失的影响； K反映了堰顶水流在垂直方向的收缩程度。 因此，不同水头、不同类型、不同尺寸的堰流，其流量系数m值各不相同。,如果下游水位较高，影响到11断面的水流条件时
5、，则在相同水头H时，其过流量Q将小于由式的计算值，这时称为淹没出流。用淹没系数反映其影响。,影响流量系数m的主要因素是:,当堰顶存在边墩或闸墩时, 即堰顶宽度小于上游河渠宽度时，过堰水流在平面上受到横向约束，流线将出现横向收缩，使水流的有效宽度小于实际的堰顶净宽，局部水头损失hj增大，过堰流量将有所减小。用侧收缩系数1反映其影响。,故，堰流的基本计算公式应为：,若堰流为自由出流时，取=1；若堰流为无侧收缩时，取1 =1。,B,A,宽顶堰流,堰顶长度,第二节 薄壁堰流的水力计算,薄壁堰流具有稳定的水头流量关系，因此，常被作为水力模型实验和野外测量中的一种有效易行的量水设备。根据其堰口形状，薄壁堰
6、又可分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、梯形薄壁堰和比例薄壁堰。,一、矩形薄壁堰流,无侧收缩、自由出流时的流量计算公式为,为便于使用直接测得的堰上水头H计算流量，可将式中行近流速水头的影响归集于流量系数中一并考虑，即改写上式为,或,称为包含行近流速水头影响在内的流量系数,包含行近流速水头影响在内的流量系数，可按下列经验公式计算：,雷伯克（T.Rehbock）公式,适用范围为：H = 0.0250.6 m，P1 = 0.11.0 m及H / P12,巴赞(Bazin)公式,适用范围为：H = 0.10.6 m，堰宽b = 0.22.0 m及H/ P12 其中：H为堰上水头，P1为上游堰高，均以m计。,
7、为了保证堰为自由出流，并使过堰水流稳定，应注意：, 堰上水头H应大2.5cm，不宜过小。否则，水舌在表面张力的作用下将挑射不出，易发生贴附溢流。 堰后水舌下面的空间应与大气相通。否则空气逐渐被水舌带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，影响出流稳定。在堰后侧壁上设置通气管是一个有效的措施。,二、直角三角形薄壁堰流,当所测流量较小时，若用矩形薄壁堰测量，则水头过小，测量误差很大。改为三角形薄壁堰后，增大了堰上水头，故可提高小流量的测量精度。,常用的三角形薄壁堰多为直角三角形薄壁堰。,式中：H以m计，Q以m3/s计。,适用范围为： H=0.05-0.25,渠槽宽:,例81:当堰口断面水面宽度为50c
8、m，堰高P1=40cm，水头H=20cm时， 分别计算无侧收缩矩形薄壁堰、直角三角形薄壁堰的过流量。,解：对于无侧收缩矩形薄壁堰，b = 0.5m，H = 0.2m，由雷伯克公式得流量系数为,由式（96）得流量为,对于直角三角形薄壁堰，H = 0.2m，由式（99）得流量为,或由式（910）得,由上面的例题显而易见，在同样水头作用下，矩形薄壁堰的过流量大于三角形薄壁堰的过流量；而式（99）和式（910）的计算结果很接近。,其 它 堰,比例堰:流量Q与作用水头H 成直线关系,竖井堰:也称环堰，是在平面上 成圆形的溢流堰,第三节 实 用 堰,定义: 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄流的构筑物
9、分类:曲线型实用堰和折线型实用堰,（a）曲线型；（b）折线型,一、曲 线 型,有非真空堰和真空堰两种 如果曲线与同样条件下薄壁堰自由出流的水舌下缘相重合，堰面压强为大气压强.此时流量系数m与薄壁堰基本相当。 如果曲线突出水舌下缘，则堰面将顶托水流。堰面的压强应大于大气压强。堰前总水头中的一部分势能将转换成压能，过水能力就会降低。 上述两类堰都称为非真空堰。,曲线型实用堰常用于混凝土修筑的中、高水头溢流坝，堰顶的曲线形状适合水流情况，可提高过流能力,曲 线 型真空堰,如果堰面低于水舌下缘，溢流水舌将脱离堰面。脱离处空气被水舌卷吸带走，堰面处会形成局部真空。 优点过水能力会得到提高 缺点水流不稳定
10、，会引起构筑物的振动，而且可能在堰面产生空穴，导致堰面损坏。 理想的剖面形状应使堰面曲线与薄壁堰水舌下缘重合，这样既不产生真空，又有比较大的过水能力。 常用形式克里格尔-奥菲采洛夫剖面堰、美国WES标准剖面堰、长研1型剖面堰等。,二、折线型,折线型常用于中、小型溢流坝, 具有取材方便和施工简单的优点 计算公式：与薄壁堰相同 流量系数：曲线形 mo=0.45 折线形 mo=0.35-0.42,三、出 流 形 式,淹没影响: 淹没条件: 流量公式: 淹没系数:见表9-1 侧向收缩影响: 收缩条件: 流量公式: 收缩系数:与b/B有关,A,B,第四节 宽顶堰,一、水流特点,如图所示，自由式时，两次跌
11、水,图 有坎的宽顶堰流,有坎宽顶堰流 底坎引起水流在垂直方向收缩,二、流量公式,自由式:,淹没式:,式中：,一般由经验公式确定,1 流量系数,流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P/H,（flow coefficient）,堰顶入口为直角的宽顶堰,H,P,v0,r,堰顶入口为圆弧的宽顶堰,对于理想流体，最大流量系数m=0.385,宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流，进口产生第一次水面跌落（由于进口产生局部损失）,2 淹没影响,submerged effect,淹没系数,淹没标准,当 时，下游水流绝对不会影响 堰顶溢水流性质,当 时，为形成淹没式宽顶堰的 必要条件,实验证明， 为形成淹没式 宽顶
12、堰的充分条件,影响侧收缩的主要因素 1) 闸墩和边墩头部形状; 2)闸墩数目; 3)闸墩在堰上相对位置; 4)堰上水头等,单孔宽顶堰,例：如图所示直角进口堰，堰顶长度=5m，堰宽与上游矩形渠道宽度相同，b=1.28m，求过堰流量。,解：（1）判别堰型,三、宽顶堰溢流的计算,（4）第二次近似计算流量,（3）第一次近似计算流量,设H01=H=0.85m,（2）确定系数,（5）第三次近似计算流量,（6）验证出流形式,为自由出流，故所求流量为1.68m3/s。,符合要求,第五节 小桥孔径的水力计算,特征：小桥的底板一般与河床底板齐平。由于桥墩受侧向收缩的影响，使水流的过水断面变小，形成局部阻力。水流在
13、桥孔前水位壅高，进入桥孔后，流速增加，造成水面一次跌落；当水流流出桥孔后，由于水面变宽，又产生局部阻力，使水面再一次跌落。 计算特点：运用宽顶堰流的理论，水力现象与宽顶堰水流过程相似。,水力计算准备,已知数据：根据水文资料决定的设计流量Q，按河道情况决定的对应于设计流量的天然水深H（下游）。 设计选定：按河床加固情况以避免冲刷而拟定的最大允许不冲流速v。 主要任务：设计小桥孔径b及桥前抬高水深H1。 方案评价：小桥孔径愈小，造价愈低，但小桥前抬高水深就愈大，会影响农田或路基高度。桥下流速也愈大，使河床加固费用也愈大。反之，小桥孔径愈大，则桥前水深和桥下流速就会减少，但小桥本身的造价却增加。因此
14、，最后应以建筑技术、造价经济等方案比较来决定。 出流形式：根据桥下水深与下游水深的不同比值，可分为自由式出流和淹没式出流两种。,自由式出流,自由出流当桥下游水位不影响小桥的过水能力，水面有明显的两次跌落。 判别要求： 取桥孔中的流速为最大允许不冲流速v 桥孔中水流有效面积 ： 通过的流量为： 小桥孔径为：,自由式出流,选定标准孔径 b 计算取用标准值后的流速 vk： 再计算相应桥孔b中的水深hk，判定所选标准孔径b中的水流出流形式 将其与H2作比较，如果是淹没式，则应按淹没式重新计算。如果仍是自由式，可继续计算桥上游壅水深度H。 壅水深度H：,淹没式出流,淹没式出流下游水位影响到桥的过水能力
15、判别标准： 桥下水深可认为与下游水深H2一致。 取最大允许不冲流速v 流量 ： 小桥孔径 ： 选用标准孔径 b并计算实际流速 桥前壅水深度H,例题：某河道设计流量Q=20m3/s，天然水深H2=1.0m,行近流速v0=1m/s.现拟建造桥梁,设允许流速v=3.5m/s,侧向收缩系数=0.80,流速系数=0.85,垂直收缩系数=1.0。求：矩形桥孔孔径b和桥前抬高后的水深H。 解：,自由式出流,取标准孔径b=6.0m,仍为自由式出流,P212例9-3,堰流的流量与堰顶水头的 成正比。 A. 1/2次； B. 3/2次方； C. 2次方； D. 1次方 。 当三角形薄壁堰的作用水头增加10后，流量将增加_。 A 27 B 21 C 15 D 10 在折线形实用堰、曲线形实用堰、宽顶堰中，流量系数最大的是_。 A 宽顶堰 B 折线型实用堰 C 曲线形实用堰,B,A,C,