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水力学网上辅导材料8： 一、第7章 过流建筑物的水力计算 【教学基本要求】 1、了解堰流、闸孔出流的流动特点和区别，掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件。 2、掌握堰流的分类和计算公式，掌握实用堰、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。 3、了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。 4、掌握闸孔出流的计算公式和水力计算方法，能正确确定闸孔出流的流量系数和淹没系数。 5、了解泄水建筑物下游的水流特点和衔接消能方式，掌握底流消能的水力设计方法，会进行消力池尺寸的计算。 【内容提要和学习指导】 这一章的主要任务是学习堰、闸和桥涵的过流特性和水力计算以及水跃消能的水力设计。学习本章我们要了解堰流和闸孔出流的特点和互相转化的分界条件，以便正确选择对应的公式进行设计计算。本章有众多的经验公式和经验系数，我们要了解公式中各种系数的物理意义和影响因素，众多的经验公式不必强记，但要会利用公式或图表来确定计算中所需的流量系数、淹没系数、侧收缩系数的数值。 7.1 堰流、闸孔出流的特点和区别 （1）堰流和闸孔出流的特点：堰流和闸孔出流都属于急变流，都是壅高水位以后，靠重力作用形成的水流运动，其能量损失以局部水头损失为主。堰和闸都是属于控制建筑物，用于控制水位和流量。 （2）堰流和闸孔出流的区别：堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；而闸孔出流正好相反，由于受到闸门的控制，自由表面被闸门截断。堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。 （3）堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化为堰流。其判别标准是： 闸底坎为平顶宽顶堰时： e/H ≤0.65为闸孔出流，e/H ＞0.65为堰流； 闸底坎为曲线型宽顶堰： e/H ≤0.75为闸孔出流，e/H ＞0.75为堰流。 7.2 堰流的分类 根据堰顶的宽度δ与堰顶水头H的比值可以将堰分为三类： 当δ/H＜0.67为薄壁堰，薄壁堰具有稳定的水位流量关系，常用于流量的量测； 当0.67＜δ/H＜2.5为实用堰，用于水利枢纽的挡水和泄水建筑物； 当2.5＜δ/H＜10为宽顶堰，在渠系中广有泛应用。 堰流还可以进一步分为自由出流和淹没出流、有侧收缩和无侧收缩堰流。 7.3 堰流水力计算的基本公式 堰流计算基本公式为 （7—1） 式中：m－堰流流量系数，与堰型、进口形式、堰高及堰顶水头H有关； ε1－侧收缩系数，与堰型、边壁的形式、淹没程度、作用水头、孔宽及孔数有关； σs－淹没系数，与堰顶水头及下游水深有关； H0－堰顶总水头。当堰较高时，行近流速水头可以忽略不记，H0≈H。 7.4 薄壁堰水力计算 薄壁堰根据堰口形式可以分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、梯形堰和比例堰等，其中以矩形薄壁堰和三角形薄壁堰最为常见。 矩形薄壁堰自由出流的流量计算公式为 （7—2） 式中：m0－包括行近流速水头的流量系数，m0的值要根据堰的尺寸和有无侧收缩来选用相应的计算公式，不必死记。 进行矩形薄壁堰水力设计时，需要注意： （1）堰顶水头H要大于2.5cm，否则会形成贴壁溢流，影响过流能力。 （2）无侧收缩矩形薄壁堰需要向堰后水舌下方通气，不然要影响过流的稳定性。 （3）另外薄壁堰水舌的下缘的流线形状将为实用堰堰面体型设计提供依据。 直角三角形薄壁堰的流量计算公式为 Q =1.4H 5/2（m3/s） （7－3） 此式适用于上游堰高P1≥2H，B≥（3～4）H。 其它形状薄壁堰的计算公式可以查阅教材或有关手册，不必记忆。 7.5 实用堰水力计算 实用堰分为曲线型和折线型两种。曲线型实用堰常见的有WES剖面和克—奥剖面，折线型实用堰常见的有矩形剖面和梯形剖面。实用堰水力计算的公式也为（7－1）式。 曲线型实用堰WES剖面 WES剖面由四部分组成：上游圆弧段、曲线段、下游直线段和反弧段。上游圆弧段用三段圆弧与上游面连接。曲线段由下面方程式控制 （7—4） 式中：y 、x为纵横方向坐标；Hd是设计水头，一般取Hd＝（0.75~0.95）Hmax。 下游直线段的斜率m2由堰体的稳定和强度确定，一般取m2=0.65~0.75。