堰流和闸下出流.doc

第八章 堰流和闸下出流 堰流(Outflow over Weirs)和闸下出流(Flow under Sluice Gate)属于急变流的范畴，其水头损失以局部水头损失为主，沿程水头损失往往忽略不计。这种水流形式在实际工程中应用极其广泛，如在水利工程中，常用作引水灌溉、泄洪的水工建筑物；在给排水工程中，堰流是常用的溢流设备和量水设备；在交通土建工程中，宽顶堰流理论是小桥涵孔水力计算的基础。 §8-1 堰流及其分类 无压缓流经障壁溢流时，上游发生壅水，然后水面降落，这一局部水流现象称为堰流。障壁称为堰。障壁对水流具有两种形式的作用，其一是侧向收缩，例如桥涵；其二是底坝的约束，如闸坝等水工建筑物。研究堰流的目的在于探讨堰流的过流能力Q与堰流其他特征量的关系，从而解决工程中提出的有关水力学问题。 图8-1 如图8-1所示，表征堰流的特征量有：堰宽b，即水流漫过堰顶的宽度；堰前水头H，即堰上游水位在堰顶上的最大超高；堰壁厚度δ和它的剖面形状；下游水深h及下游水位高出堰顶的高度Δ；堰上、下游高P及P′；行近流速v0等。根据堰流的水力特点，可按的大小将堰划分为三种基本类型。 (1)薄壁堰(Sharp_Crested Weir) ＜0.67，水流越过堰顶时，堰顶厚度δ不影响水流的特性，如图8-2a所示。薄壁堰根据堰口的形状，一般有矩形堰、三角堰和梯形堰等。薄壁堰主要用作量测流量的一种设备。 (2)实用堰(Practical Weir) 0.67＜＜2.5，堰顶厚度δ对水舌的形状已有一定影响，但堰顶水流仍为明显弯曲向下的流动。实用堰的纵剖面可以是曲线形(如图2-8b)，也可以是折线形(如图8-2c)。工程上的溢流建筑物常属于这种堰。 (3)宽顶堰(Broad_Crested Weir) 2.5＜＜10，堰顶厚度δ已大到足以使堰顶出现近似水平的流动(如图8-2d)，但其沿程水头损失还未达到显著的程度而仍可以忽略。水利工程中的引水闸底坝即属于这种堰。 图8-2 当＞10时，沿程水头损失逐渐起主要作用，不再属于堰流的范畴。 堰流形式虽多，但其流动却具有一些共同特征。水流趋近堰顶时，流股断面收缩，流速增大，动能增加而势能减小，故水面有明显降落。从作用力方面看，重力作用是主要的；堰顶流速变化大，且流线弯曲，属于急变流动，惯性力作用也显著；在曲率大的情况下有时表面张力也有影响；因溢流在堰顶上的流程短(0≤δ≤10H)，粘性阻力作用小。在能量损失上主要是局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计(如宽顶堰和实用堰)，或无沿程水头损失(如薄壁堰)。由于上述共同特征，堰流基本公式可具有同样的形式。 影响堰流性质的因素除了以外，堰流与下游水位的联接关系也是一个重要因素。当下游水深足够小，不影响堰流性质(如堰的过流能力)时，称为自由式堰流，否则称为淹没式堰流。开始影响堰流性质的下游水深，称为淹没标准。此外，当堰宽b小于上游渠道宽度B时，称为侧收缩堰，当b=B时则称为无侧收缩堰。 §8-2 堰流的基本公式 如图8-3所示，现用能量方程式来推求堰流计算的基本公式。 图8-3 对堰前断面0-0及堰顶断面1-1列出能量方程，以通过堰顶的水平面为基准面。其中，0-0断面为渐变流；而1-1断面由于流线弯曲属急变流，过水断面上测压管水头不为常数，故用()表示1-1断面上测压管水头平均值。由此可得 =()+ 式中，v1为1-1断面的平均流速；v0为0-0断面的平均流速，即行近流速；、是相应断面的动能修正系数；为局部损失系数。 设=，其中为行近流速水头，称为堰顶总水头。 令=，为某一修正系数。则上式可改写为 = 即= 因为堰顶过水断面面积一般为矩形，设其断面宽度为b；1-1断面的水舌厚度用表示，k为反映堰顶水流垂直收缩的系数。则1-1断面的过水面积应为；通过流量为 == 式中：称为流速系数。 令=m，称为堰的流量系数，则 (8-2-1) 式(8-2-1)虽是针对矩形薄壁堰推导而得的流量公式，如读者仿照上述方法，对实用堰和宽顶堰进行流量公式推导，将得出与式(8-2-1)同样形式的流量公式，只是流量系数所代表的数值不同。因此式(8-2-1)称为堰流基本公式。 在实际工程中，量测堰顶水头H是很方便的，但计算行近流速v0，则需先知道流量，而流量需由式(8-2-1)算出。由于式中H0包括行近流速水头，应用式(8-2-1)计算流量不甚方便。为了避免这点，可将堰流的基本公式，改用堰顶水头H表示，即 (8-2-2) 式中=，为计及行近流速的堰流流量系数。 从上面的推导可以看出：影响流量系数的主要因素是φ、k、ξ，即m=。其中：主要是反映局部水头损失的影响；k是反映堰顶水流垂直收缩的程度；而则是代表堰顶断面的平均测压管水头与堰顶总水头之间的比例系数。显然，所有这些因素除与堰顶水头H有关外，还