寬頂堰流的水力計(jì)算

如圖所示，水流進(jìn)入有底坎的坡頂后，水流在垂直力向受到堰坎邊界的約束，堰頂上的過(guò)水?dāng)嗝婵s小，流速增大，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

同時(shí)堰坎前后產(chǎn)生的局部水頭損失，也導(dǎo)致堰頂上勢(shì)能減小。所以寬頂堰過(guò)堰水流的特征是進(jìn)口處水面會(huì)發(fā)生明顯跌落。從水力學(xué)觀點(diǎn)

看，過(guò)水?dāng)嗝娴目s小，可以是堰坎引起，也可以是兩側(cè)橫向約束引起。當(dāng)明渠水流流經(jīng)橋墩、渡槽、隧洞〈或涵洞)的進(jìn)口等建筑物時(shí)，

由于進(jìn)口段的過(guò)水?dāng)嗝嬖谄矫嫔鲜湛s，使過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，流速加大，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，也會(huì)形成水面跌落，這種流動(dòng)現(xiàn)象稱為無(wú)坎

寬頂堰流，仍按寬頂堰流的方法進(jìn)行分析、計(jì)算。

(d)

P_

(一)流量系數(shù)寬頂堰的流量系數(shù)取決于強(qiáng)的進(jìn)口形狀和堰的相對(duì)高度月，不同的進(jìn)口堰頭形狀，可按卜.列方法確定。

1、進(jìn)口假頭為直角

3"

m-032+001--------3-

046+0.754

H(8-22)

2、進(jìn)「1酸頭為圓角

3--

“036+001------區(qū)不

1.2.154

H(3-23)

P_

3、斜坡式進(jìn)口流量系數(shù)可根據(jù)H及上游堰面傾角°由表選取。

p

在公式(8-22)、(8-23)中產(chǎn)為上游堰高。當(dāng)H23時(shí)，山堰高引起的水流垂向收縮已達(dá)到相當(dāng)充分程度，故計(jì)算時(shí)將不考慮堰高

P_P_

變化的影響，按h=3代入公式計(jì)算用值。由公式可以看出，寬頂堰的流量系數(shù)的變化范圍在0.32-0.385之間，當(dāng)H=0時(shí)，搐=0.385,

此時(shí)寬頂堰的流量系數(shù)值最大。比較一下實(shí)用堰和寬頂堰的流量系數(shù)，我們可以看到前者比后者大，也就是說(shuō)實(shí)用堆有較大的過(guò)水能力。

對(duì)此.可以這樣來(lái)理解：實(shí)用堰頂水流是流線向卜彎曲的急變流，其斷面卜的軟水壓強(qiáng)小于按靜水壓強(qiáng)規(guī)律計(jì)算的，直,即堰頂水流的壓

強(qiáng)和勢(shì)能較小，動(dòng)能和流速較大，故過(guò)水能力較大：寬頂堰則因堰頂水流是流線近似平行的漸變流，其斷面動(dòng)水壓強(qiáng)近似按靜水壓強(qiáng)規(guī)

律分布，堰頂水流壓強(qiáng)和勢(shì)能較大，動(dòng)能和流速較小，故過(guò)水能力較小。

（二）側(cè)收縮系數(shù)寬頂堰的側(cè)收縮系數(shù)仍可按公式（8-21）計(jì)算。

（三）淹沒(méi)系數(shù)

4

%>0.8時(shí),形成淹沒(méi)出流。淹沒(méi)系數(shù)?可根據(jù)Hq

當(dāng)堰下游水位升高到影響寬頂堰的溢流能力時(shí)，就成為淹沒(méi)出流。試驗(yàn)表明：當(dāng)

由表查出。

淹沒(méi)出流

無(wú)坎寬頂堰流在計(jì)算流量時(shí)，仍可使用寬頂堰流的公式。但在計(jì)算中一般不單獨(dú)考慮側(cè)向收縮的影響，而是把它包含在流量系數(shù)中一并

考慮，即Q=5B弧心(8-24)

式中加'為包含側(cè)收縮影響在內(nèi)的流量系數(shù)。可根據(jù)進(jìn)口翼墻形式及平面收縮程度查得。表中多）為引水渠的寬度，B為閘孔寬度，r

為圓角半徑。無(wú)坎寬頂?shù)亓鞯难蜎](méi)系數(shù)可近議由表查得：

例：某進(jìn)水閘，閘底坎為具有圓角進(jìn)口的寬頂堰，堰頂高程為22.0m,渠底高程為21.0m,共10孔，每孔凈寬8門(mén)，閘墩頭部為半?圓

形，邊地頭部為流線形。當(dāng)閘門(mén)全開(kāi)，卜.游水位為25.50m,下游水位為2320m,不考慮閘前行近流速的影響：求過(guò)閘流量。

解：（1）判斷下游是否淹沒(méi)

P=22.0-21.0=1.0mH=25.50-21.0=4.5m

A,_232-22.0

工=2550-22.0

=0.34<0.8為自由出流

（2）求流量系數(shù)加

3-土3」

036+001----------Jx-----------H—

12+1.5-I.2*1.5X—

H=0.36+0.0145=0,378

（3）求側(cè)收縮系數(shù)S

查表8-6得邊墩形狀系數(shù)人=0.4,閘墩形狀系數(shù)00=0.45

6=1-0玳標(biāo)1)[，金]2x.±L

=1-0.2[(10-1)x0.45+0.4]10x8=0.949

XXXXX3

Q=&nB^2gH^=O.949O.378IO8V298x45=1212.76m

例8-11某進(jìn)水閘，具有直角形的前沿閘坎，坎前河底高程為100.0m,河水位高程為107.0m,坎頂高程為103.0m,閘分兩孔，閘墩

頭部為半園形，邊墩頭部為圓角形。下游水，立很低，對(duì)溢流無(wú)影響。引水渠及間后渠道均為矩形斷面。寬度均為23m,求下泄流量為

200m3/s時(shí)所需閘孔寬度。

解：(1)^=107.0-103.0=4m,F=5=103.0-100.0=3m

比.H.1[Q1200V

2g2g[B0(H^P)\=4+■120x(3-4)]對(duì)04m

總水頭

(2)按公式(8-22)求流量系數(shù)也

3-%,3-%

.0.46*0.75-%0.46*0.75x3/

w=0.32+0.01=0.32+001=0.342

因S值與閘孔寬度§有關(guān)，此時(shí)8未知，初步假定6=0.95

Q200

則灰皿府=0.95x0.342x4.43*4.1044=16.71m

查表得閘墩形狀系數(shù)，°=0.45,邊墩形狀系數(shù)1=0.7

7-0抬.1)[.金]與x41g

nb=1-0.2[i2-1)x0.45+0.7]16.71=0.944

____________200____________

此值與原假定的￡值較接近，現(xiàn)用￡=0.944再計(jì)算8值8=。.刈x0.342x443*4104%=i6.8m

B_

此8值與第一次成果已很接近，即用此值為最后計(jì)算成果，故每孔凈寬力=2=8.4m,實(shí)際工程中應(yīng)考慮取閘門(mén)的尺寸為整數(shù)。

實(shí)用堰流的水力計(jì)算

(一)實(shí)用堰的剖面形狀

實(shí)用堰是工程中既可擋水乂可泄水的水工建筑物，根據(jù)修筑的材料，實(shí)用堰可分為兩大類型：一是用當(dāng)?shù)夭牧闲拗闹小⒌鸵缌餮撸?/p>

頂剖面常做成折線型，稱為折線形實(shí)用堰。一是用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰頂制成適合水流情況的曲線形，稱為曲線形實(shí)用堰。

曲線型實(shí)用堰又可分為真空和非真空兩種剖面型式。水流溢過(guò)堰面時(shí)，堰頂表面不出現(xiàn)真空現(xiàn)象的剖面，稱為非真空剖面堰：反之,稱

為真空剖面堰。真空剖面堰在溢流時(shí)，溢流水舌部分脫離堰而，脫離部分的空氣不斷地被水流帶走，壓強(qiáng)降低，從而造成真空。由于真

空現(xiàn)象的存在，堰面出現(xiàn)負(fù)壓，勢(shì)能減少，過(guò)堰水流的動(dòng)能和流速增大，流量也相應(yīng)增大，所以真空堰具有過(guò)水能力較大的優(yōu)點(diǎn)。但另

一方面，堰而發(fā)生真空，使堰面可能受到正負(fù)壓力的交替作用，造成水流不穩(wěn)定。當(dāng)真空達(dá)到一定程度時(shí)，堰面還可能發(fā)生氣蝕而遭到

破壞。所以，真空剖面堰一般較少使用。

一般曲線型實(shí)用堰的剖面系由以下幾個(gè)部分組■成：上游直線段為3,堰頂曲線段5C,下游直線段CO及反弧段DE,如圖所示。

上游段43常作成垂直的；下游直線段的坡度由堰的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求而定，一般取1:0.65?1:0.75：圓弧半徑及可根據(jù)下游堰高片和

R=5

設(shè)計(jì)水頭由表查得。當(dāng)月<10m時(shí)，可采用氏=0.54當(dāng)“d>9m時(shí)，R近似用下式,4計(jì)算，式中月」為設(shè)計(jì)水

頭。在工程設(shè)計(jì)中，一般選用上d=（0.75-0.95）*皿為相應(yīng)于最庇洪水位的堰頂水頭），這樣可以保證在等于或小于A,

的大部分水頭時(shí)堰面不會(huì)出現(xiàn)真空。當(dāng)然水頭大于時(shí)，堰而仍可能出現(xiàn)真空，但因這種水頭出現(xiàn)的機(jī)會(huì)少，所以堰面出現(xiàn)暫時(shí)的、

在允許范圍內(nèi)的真空值是可以的。

堰頂曲線段是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外對(duì)堆面形狀有不同的設(shè)計(jì)方法，其輪廓線可用坐標(biāo)或方程來(lái)確定。目前國(guó)內(nèi)外采用較多

的是WES剖面，因?yàn)樵撈拭媾c其它形式的剖面相比，在過(guò)水能力、堰面壓強(qiáng)分布和節(jié)省材料等方面要優(yōu)越一些。

WES剖面如圖所示，其堰頂上游部分曲線用兩段圓弧連接，堰頂下游的曲線用下列方程表示：

對(duì)上游面垂直的WES型實(shí)用堰，后人通過(guò)試驗(yàn)，乂將原堰頂上游的兩段圓孤改為三段圓孤，即在上游面增加了一人半徑為名的圓弧,

這樣就避免了原有的上游面邊界上存在的折用，改善了堰面壓力條件，增加了原的安全度，如圖所示。

R-05H,.

Rj-0.2Hd

Ri-0.04H.t

D.R5bi=O175M.1

ba=0.276Hd

beO.2818H.,

（二）流量系數(shù)

P.

曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)主要取決于上游堰高與設(shè)計(jì)水頭之比（”/）、堰頂全水頭與設(shè)計(jì)水頭之比）以及堰上游面的坡度。

在堰的運(yùn)用過(guò)程中，“。常不等于"d。當(dāng)時(shí)，過(guò)水能力減小，當(dāng)"o>"d時(shí)，過(guò)水能力增大，

對(duì)地，湖面垂直，且H』N1.33,即高地時(shí)，不考慮行近流速水頭，在這種情況下，若即實(shí)際工作全水頭剛好等丁設(shè)il

水頭時(shí)，流量系數(shù)5d=0.502：若"ow'd時(shí)，掰值查出。

PPP

在"/<1.33,即低堰時(shí)，行近流速加大，流量系數(shù)用隨"d值的減小而減小。同時(shí)，在相同的情況下，還隨總水頭與設(shè)

計(jì)水頭4d的比值而變化。

（三）側(cè)收縮系數(shù)

試驗(yàn)證明，側(cè)收縮系數(shù)s與邊墩、閘墩頭部蟄式、堰孔數(shù)目、堰孔尺寸以及總?cè)祟^"o有關(guān)。可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

6=1-0.2（厘-1）金?1件

nb（8-21）

式中彳一溢流孔數(shù)；5一每孔的凈寬；〃。一堰頂全水頭；一閘墩形狀系數(shù)。金一邊墩形狀系數(shù)。

%%%

上式在應(yīng)用中，若b>1時(shí)，不管b數(shù)值多少，仍用b=1代入計(jì)算。

（四）淹沒(méi)系數(shù)

UL

對(duì)WES剖面，當(dāng)下游水位超過(guò)堰頂一定數(shù)值，即八。>0.15時(shí)（%為下游水面超過(guò)堰頂?shù)母叨龋呦掠涡纬裳蜎](méi)水躍，過(guò)堰水流

A

受到下游水位頂托，過(guò)水能力減小，形成淹沒(méi)出流。如果下游堰高較小，即"。<2時(shí)，即使下游水位低于堆頂，過(guò)堰水流受下游護(hù)坦

的影響，也會(huì)產(chǎn)生類似淹沒(méi)的效果而使過(guò)水能力減小。淹沒(méi)系數(shù)可根據(jù)及山圖查得。中、小型水利工程，常用當(dāng)?shù)夭牧希?/p>

如條石、磚或木材做成折線型低堰。斷面形狀一般有梯形、矩形、多邊形等。折線型實(shí)用堰中乂以梯形實(shí)用堰用得較多。梯形實(shí)用堰流

鼻

u

量仍可按堰流的基本公式計(jì)算，其流量系數(shù)m與堰頂厚度、相對(duì)堰高A和前后坡度有關(guān)。惻收縮系數(shù)、淹沒(méi)系數(shù)可近似按曲線型實(shí)

用堰的方法來(lái)確定。

例：某水力樞紐的溢流壩采用WES標(biāo)準(zhǔn)剖面實(shí)用堰，閘墩的頭部為半倒形，過(guò)墩頭部為圓角形，共16孔，每孔凈窗15.0m。己知堰

頂高程為110.0m,下游河床高程為30.0m。當(dāng)上游設(shè)計(jì)水位高程為125.0m時(shí)，相應(yīng)下游水位高程為52.0m,流量系數(shù)切」=0.502,

求過(guò)堰流量。

解：因下游水位比堰頂?shù)偷枚啵瑧?yīng)為自由出流，03=1.0。

P80

因氏=15=5.33>1.33,為高堰,取kN=15m

查表8-6得圓角形邊墩的形狀狀系數(shù)0E=0.7,閘墩形狀系數(shù)4。=0.45,

側(cè)收縮系數(shù)….0"皈"底

15

1-02（a6-l）x045-*-07]

16x15=0.4656

Q="3由H。=1,ox0,4656X0.502X15X16X4219.8XlM=28123m3/s

例：某河道寬160m,設(shè)有WES型實(shí)用堰，堰上游面垂口。閘墩頭部為圓弧形，邊墩頭部為半圓形。共7孔，每孔凈寬10m。當(dāng)設(shè)

計(jì)流量。=5500m3/s時(shí)，相應(yīng)的上游水位為55.0m,下游水位為39.2m,河床高程為20.0m,確定該實(shí)用堰堰頂高程。

。)為

月。?(

解：因堆頂高程決定于上游設(shè)計(jì)水位和堰的設(shè)計(jì)水頭，應(yīng)先計(jì)算設(shè)計(jì)水頭，再算:堰頂高程。堰上全水頭

已知Q=5500m3