1、第十章 堰流    堰流是明渠緩流由于流動邊界急劇變化而引起的明渠急變流現象。本章主要介紹各類堰流的水力特征、基本公式、應用特點及水力計算方法。概    述一、堰和堰流     堰：在明渠緩流中設置障壁，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）：緩流越過阻水的堰墻溢出流動的局部水流現象稱為堰流。        

2、 選擇：堰流特定的局部現象是： A.緩流通過障壁； B.緩流溢過障壁；  C.急流通過障壁；  D.急流溢過障壁。  研究堰流的主要目的：     探討流經堰的流量Q及與堰流有關的特征量之間的關系。  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 1.根據堰壁厚度d與水頭H的關系，如圖10-2： 圖10-2    圖10-32.根據上游渠道寬度B與堰寬b的關系，圖10-4：     3.根據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：     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：當閘門啟出水面，不影響閘壩泄流量時。    孔流：當閘門未啟出水面，以致影響閘壩泄流量時。 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）實用堰式閘壩（閘門位于堰頂最高點時）       堰流： e/H 0.75    &

5、#160;  孔流：  e/H <0.75       式中：  e閘門開啟高度；               H堰孔水頭。   判斷：從能量角度看，堰流和閘孔出流的過程都是一種勢能轉化為動能的過程。對 第一節  堰流的基本公式一、堰流基本公式推導（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，m=。 二、堰流公式 圖10-7   若考慮到側收縮影響及淹沒影響，則堰流公式為：        （10-2） （10-3）    式中：淹沒系數， 1.0；       側收縮系數，   1.0 。    

7、;  m0計及行近流速的流量系數第二節  薄壁堰    薄壁堰（如圖10-8）主要用途：用作量水設備。薄壁堰口的橫斷面形狀不同，相應的流量系數也不同。 圖10-8一、矩形薄壁堰    1. 基本公式         （10-4）    2.無側收縮、自由式、水舌下通風的矩形正堰：     采用巴贊公式計算：       

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。              初步設計時，取，則：          （10-6）  3. 有側收縮、自由式、水舌下通風的矩形正堰：         （10-7）

9、4.矩形薄壁堰的淹沒判別條件（圖10-9）     1）堰下游水位高出堰頂標高，即z<H；必要條件     2）在堰下游發生淹沒式水躍銜接，即ht>hc  充分條件           （10-8）     淹沒溢流時，不僅堰的過水能力降低，而且下游水面波動較大，溢流不穩定。所以用于測量流量用的薄壁堰，不宜在淹沒條件下工作。 圖10-9二、三角形堰（圖10-10）   

10、60; 堰通常用于實驗室作小流量測量。當堰為直角三角堰時：         （10-9）     適用條件：。 圖10-10三、梯形薄壁堰     當 時的自由出流時的梯形薄壁堰公式為：   （10-10）     說明：當 時，側收縮梯形堰傾斜部分所增加的流量，正好抵消矩形堰側收縮影響所減小的流量。即有側收縮的 的梯形堰作自由出流時的流量等于沒有側收縮的自由出流矩形堰的流量。     

11、 注：以上三類薄壁堰的流量計算公式均是指自由出流。 圖10-11問題1：當用矩形薄壁堰來測量流量時，    ，    下，水流最穩定，測量精度最高。A.有側收縮  自由出流；    B.有側收縮  淹沒出流；C.無側收縮  自由出流；     D.無側收縮  淹沒出流。      問題2：為保證薄壁堰為自由出流，應滿足： A.堰上水頭盡量小，水舌下游空間應與大氣相通；

12、B.堰上水頭不宜過小，水舌下游空間應與大氣相通；C.堰上水頭盡量小，水舌下游空間不應與大氣相通；D.堰上水頭不宜過小，水舌下游空間不應與大氣相通。     第三節 實用堰    實用堰的主要用途：用作蓄水建筑物壩，或凈水建筑物的溢流設備，如圖10-12。    圖10-12一、曲線型實用堰（圖10-13）     1.真空實用堰、非真空實用堰     非真空實用堰（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仍近似為大氣壓強，這種堰稱為非真空實用堰。        真空實用堰（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，這種堰稱為真空實用堰。                   選擇：當曲線型實用堰的實際作用水頭大于設計水頭時，則過堰流量會： A.減小； B.增加；  C.不變；&#

14、160; D.不定。     2.曲線形實用堰的設計        要求：堰面不發生負壓，流量系數大，堰剖面較小，工程量小， 穩定安全。                   堰型：目前工程界廣泛采用的是WES剖面堰。    選擇：對于實用堰，對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閘孔的數目；      &

16、#160;        b單個閘孔凈寬；               側向收縮系數，有       (10-12)        式中：邊墩和閘墩形狀系數。 圖10-14  邊墩值圖10-15  中墩值三、實用堰的淹沒判別    實用堰淹沒判別與矩形薄壁堰的

17、判別條件相同（即下游水位高過堰頂且發生淹沒水躍），其流量公式為：         (10-13)    式中：淹沒系數。 第四節 有坎寬頂堰一、自由式無側收縮寬頂堰        主要特點：進口不遠處形成一收縮水深，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的漸變流，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.自由式無側收縮寬頂堰的流量公式  2.流量系數的計算     取1-1，2-2斷面寫能量方程(4-15)：     當 時：             直角邊緣進口：m=0.32，圓角進口：m=0.36     令      當     時： &#

19、160;         則      直角邊緣進口：          (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：堰進口處的局部水頭損失

20、； 說明：1.根據伯朗日最大流量假設，當 時，過堰流量為最大，m=0.385。        流速系數， ；  2.流體為理想流體時，則=0，即=1.0 ， m=0.385   。         m堰流量系數， 。一般地，m值在0.32-0.385之間。          判斷：相同水頭的作用下，實用堰的過流能力比寬頂堰大。 對 二、側收縮寬頂堰（b<B） &

21、#160;       (10-16)    式中： 側向收縮系數，由式（10-12）            計算。式中：邊墩和閘墩形狀系數，取值同實用堰。     或對單孔寬頂堰有經驗公式：         (10-17)    a為墩形系數，矩形墩a=0.19，圓形墩a=0.10。 三

22、、淹沒式寬頂堰 （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)   寬頂堰淹沒出流時堰頂的流動狀態是

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，堰頂為直角進口，單孔，邊墩為矩形，下游水深h=2m。試求過堰流量。     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 ，有側收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側收縮的寬頂堰。     （2）計算流量系數m : 堰頂為直角進口，P/H=0.5<3，則由（1014）得              （3）計算側收縮系數  單孔采用式（10-17）得          

25、;   （4）計算流量：自由溢流有側收縮寬頂堰              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                      本題計算誤差限值定為1%，則過堰流量為Q=Q(3) =8.48m3/s    

27、              （5）校核堰上游流動狀態                            上游來流為緩流，流經障壁形成堰流，上述計算有效。用迭代法求解寬頂堰流量高次方程，是一種基本的方法，但計算繁復，可編程用計算機求解。

28、思考題：   1.在所有堰流中，哪種堰流的流量系數最大，哪種堰流的流量系數最小？     實用堰流量系數最大，寬頂堰流量系數最小。   2.堰壁的厚度對堰流有何影響？     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圖形。   3.薄壁堰、實用堰、寬頂堰的淹沒出流判別條件有什么區別？     三者淹沒出流的必要條件相同：堰下游水位高出堰頂標高；但充分條件不同，薄壁堰、實用堰是：下游發生淹沒式水躍銜接。寬頂堰是：下游水位影響到堰上水流由急流變為緩流即hs>0.8

29、H。   堰流流量公式中的流量系數m和m0有什么區別？答案：         中的沒有計及行近流速         中的考慮了行近流速的影響 第五節 無坎寬頂堰     水流流經小橋孔，由于受橋臺、橋墩的側向約束，使過水斷面減小，形成寬頂堰溢流。一般情況下，橋孔下坎高P=P1=0,故小橋孔的過水是無底坎平底（i=0）的寬頂堰溢流。無坎寬頂堰流形式在工程上有很多，如經過平底水閘、無壓涵洞及廊道進口處

30、的水流等。因此可利用無坎寬頂堰的原理對上述相關工程的溢流能力進行計算。 圖10-20 一、無坎寬頂堰的水力計算 1.流量系數形式 在無坎寬頂堰中，流量系數經驗值包含了側壓縮的影響，即.因此由堰流基本公式（10-3）可得                                （10-21） 式

31、中：m'為包含側收縮影響的流量系數，可據平面布置形成查水力計算手冊。   為寬頂堰淹沒系數。 2.流速系數形式       如圖所示，以坎底為基準面，設1-1斷面的總水頭為H0，2-2斷面的水深（即坎頂實際水深）為h2,平均流速為,兩斷面之間的損失為。對1-1與2-2斷面列能量方程（4-15）得    即：      （10-22）   式中，流速系數由試驗給出，可查資料確定，一般。 二、無坎寬頂堰出流判別標準 在無坎寬頂堰中，其判別出流

32、標準如下： 自由出流：      ht<1.3hc （10-23） 淹沒出流：     ht>1.3hc （10-24）式中：ht為下游河槽水深；hc為臨界水深。 該判別標準與有坎寬頂堰的淹沒判別式（10-18），基本上是一致的，現說明如下： 因                      

33、;        有          實驗知 ，取 ,代入有       或     1.3hc=0.8H0 代入有坎寬頂堰的淹沒出流條件式（10-18）       得         （無坎寬頂堰hs=ht) (注意，這里的

34、hc對應過流寬度為b,而不是。 3.計算橋前的壅水水深H     列橋前水深與橋下水流的能量方程：             令 為流速系數，由橋臺形狀決定，則橋前壅水水深為：             式中：0 橋前行進流速，當0 <1.0m/s時可忽略不計。 小橋孔徑的計算步驟     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，自由出流，橋下水深為臨界水深hc ；          時，淹沒出流，橋下水深為下游天然河槽水深ht 。     4）  確定橋孔孔徑B、長度L；計算橋前的壅水水深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。已知側收縮系數=0.90，流速系數=0.90。根據河床土質及加固條件，允許流速s=3.0m/s。當橋孔通過設計流量Q=35m3/s，下游河槽天然水深ht=1.15m 。試設計橋孔孔徑，橋前雍水水深。                 解：1.設計橋孔孔徑 ,求橋孔下臨界水深 hc,取 c=