宽顶堰流的水力计算

吉吉 · 发表于 2011-10-12 18:43

本帖最后由吉吉于 2011-10-12 18:44 编辑

如图所示，水流进入有底坎的堰顶后，水流在垂直方向受到堰坎边界的约束，堰顶上的过水断面缩小，流速增大，势能转化为动能。同时堰坎前后产生的局部水头损失，也导致堰顶上势能减小。所以宽顶堰过堰水流的特征是进口处水面会发生明显跌落。从水力学观点看，过水断面的缩小，可以是堰坎引起，也可以是两侧横向约束引起。当明渠水流流经桥墩、渡槽、隧洞〈或涵洞)的进口等建筑物时，由于进口段的过水断面在平面上收缩，使过水断面减小，流速加大，部分势能转化为动能，也会形成水面跌落，这种流动现象称为无坎宽顶堰流，仍按宽顶堰流的方法进行分析、计算。

（一）流量系数
宽顶堰的流量系数取决于堰的进口形状和堰的相对高度，不同的进口堰头形状，可按下列方法确定。
1、进口堰头为直角
         (8-22)
2、进口堰头为圆角
         (8-23)
3、斜坡式进口
流量系数可根据及上游堰面倾角由表选取。

在公式（8-22）、（8-23）中为上游堰高。当≥3时，由堰高引起的水流垂向收缩已达到相当充分程度，故计算时将不考虑堰高变化的影响，按=3代入公式计算值。
由公式可以看出，宽顶堰的流量系数的变化范围在0.32～0.385之间，当=0时，=0.385，此时宽顶堰的流量系数值最大。
比较一下实用堰和宽顶堰的流量系数，我们可以看到前者比后者大，也就是说实用堰有较大的过水能力。对此，可以这样来理解：实用堰顶水流是流线向上弯曲的急变流，其断面上的动水压强小于按静水压强规律计算的值，即堰顶水流的压强和势能较小，动能和流速较大，故过水能力较大；宽顶堰则因堰顶水流是流线近似平行的渐变流，其断面动水压强近似按静水压强规律分布，堰顶水流压强和势能较大，动能和流速较小，故过水能力较小。
（二）侧收缩系数
宽顶堰的侧收缩系数仍可按公式（8-21）计算。
（三）淹没系数
当堰下游水位升高到影响宽顶堰的溢流能力时，就成为淹没出流。试验表明：当≥0.8时，形成淹没出流。淹没系数可根据由表查出。

无坎宽顶堰流在计算流量时，仍可使用宽顶堰流的公式。但在计算中一般不单独考虑侧向收缩的影响，而是把它包含在流量系数中一并考虑，即
            (8-24)
式中为包含侧收缩影响在内的流量系数。可根据进口翼墙形式及平面收缩程度查得。表中为引水渠的宽度，为闸孔宽度，为圆角半径。无坎宽顶堰流的淹没系数可近似由表查得：
?
例：? 某进水闸，闸底坎为具有圆角进口的宽顶堰，堰顶高程为22.0m，渠底高程为21.0m。共10孔，每孔净宽8m，闸墩头部为半圆形，边墩头部为流线形。当闸门全开，上游水位为25.50m，下游水位为23.20m，不考虑闸前行近流速的影响，求过闸流量。
解：
（1）判断下游是否淹没
=22.0-21.0=1.0m
=25.50-21.0=4.5m
=0.34<0.8 为自由出流
(2)求流量系数
=0.36+0.01=0.378
(3)求侧收缩系数
查表8-6得边墩形状系数=0.4，闸墩形状系数=0.45

＝1-0.2[（10-1）0.45＋0.4]=0.949
=
=0.9490.378108= 1212.76m3/s
例8-11? 某进水闸，具有直角形的前沿闸坎，坎前河底高程为100.0m，河水位高程为107.0m，坎顶高程为103.0m。闸分两孔，闸墩头部为半圆形，边墩头部为圆角形。下游水位很低，对溢流无影响。引水渠及闸后渠道均为矩形断面。宽度均为20m，求下泄流量为200m3/s时所需闸孔宽度。
解：
（1）=107.0-103.0＝4m, ＝＝103.0-100.0＝3m
总水头 =+=4+=4.104m
(2) 按公式（8-22）求流量系数
=0.32+0.01=0.32+0.01=0.342
因值与闸孔宽度有关，此时未知，初步假定=0.95
则 ===16.71m
查表得闸墩形状系数=0.45，边墩形状系数=0.7
=1-0.2[(2-1)0.45+0.7]=0.944
此值与原假定的值较接近，现用=0.944再计算值
＝=16.8m
此值与第一次成果已很接近，即用此值为最后计算成果，故每孔净宽==8.4m,实际工程中应考虑取闸门的尺寸为整数。