（水利工程专业论文）实用堰的水力特性的研究.pdf

实用堰的水力特性的研究 摘要 实用堰是闸、坝工程中主要的建筑物，其水力特性历来受到水力学界 的高度关注。实用堰按剖面形状可分为标准堰和非标准堰：所谓标准堰， 其剖面形状是以薄壁堰溢流水舌底缘为基础构成，水力特性较好，大中型 高堰一般都采用这种堰型；非标准堰由折线或一些简单的曲线构成，水力 特性较差，高堰中很少采用，但在低堰中，其水力特性基本可满足要求， 而且由于结构简单、施工方便而得到广泛应用。论文研究和探讨了实用堰 水力特性，围绕实用堰水力特性存在的主要问题，展开了实验分析和理论 探讨，重点探讨了低实用堰的水力特性。在系统总结国内外低实用堰设计、 实验、水力特性分析及研究现状、研究进展和发展趋势的基础上，通过现 场调研、理论分析和实践相结合等方法，系统分析了低实用堰水力特性， 讨论了低实用堰在水利工程实践中的作用、目的，低实用堰水力特性的研 究意义、研究方法和研究内容。针对山东省现有的低实用堰应用现状，为 适应现代水利的具体需求，根据有关规范规程要求、工程应用条件、应用 需求、运用特点和当前存在的问题，总结归纳了不同条件下低实用堰的设 计方法与特性分析途经，分析了低实用堰的堰面压力、流量系数和淹没系 数，研究了改善低堰水力特性的措施，提出了低实用堰设计应遵循的原则， 并提出了相应具体的设计方法和建议。 关键词：实用堰水力特性高堰和低堰 t h er e s e a r c ho nt h ew a t e r - p o w e rc h a r a c t e r o ft h ea p p l i e dw e i r a b s t r a e t a p p l i e dw e i ri st h em a i nb u i l d i n gi np r o j e e to ff l o o rg a t ea n dd a ms o t h ew a t e r p o w e rc h a r a c t e ro fi ti sa l w a y sp a i dh i g h l ya t t e n t i o nb yh y d r a u l i c a c a d e m i a t h e a p p l i e d w e i rc a nb ec l a s s i f i e di n t os t a n d a r dw e i ra n d n o n s t a n d a r dw e i ra c c o r d i n gt ot h es h a p eo fi t ss e c t i o np l a n e t h es h a p eo f s e c t i o np l a n eo fs t a n d a r dw e i ri ss t r u c t u r e do nt h eb a s i so ft h et h i n w a l lw e i r f l o wh e m l i n ea n dt h ew a t e r - p o w e rc h a r a c t e ro fs t a n d a r dw e i rs h o w sw e l l ，s o h i g h - t y p ea n dm i d d l e - t y p ew e i r su s u a l l ya d o p tt h em o d e lo fs t a n d a r dw e i r ： n o n s t a n d a r dw e i ri sc o n s t r u c t e db yf o l dl i n ea n ds o m es i m p l ec u r v ea n di t s w a t e r - p o w e rc h a r a c t e rs h o w sb a ds o i ti su s e dl i t t l ei nh i g hw e i r ，b u ti ti s w i d e l yu s e di nl o w w e i rb e c a u s ei t sw a t e r - p o w e rc h a r a c t e ri ss u i t a b l ef o rl o w w e i ra n di t ss t r u c t u r ei s e a s y t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e dt h e w a t e r - p o w e rc h a r a c t e ro ft h ea p p l i e dw e i ra n de x p e r i m e n ta n a l y s e sa r eg i v e n i ni tb u tt h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h ew a t e r p o w e rc h a r a c t e ro fl o wa p p l i e d w e i r t h e r ea r es y s t e m i ca n a l y s e so nt h ew a t e r - p o w e rc h a r a c t e ro fl o w a p p l i e dw e i ra n dm u c hd i s c u s s i o na b o u tt h ef u n c t i o no fl o wa p p l i e dw e i ri n w a t e rc o n s e r v a n c ya n ds i g n i f i c a n c e ，m e t h o da sw e l la sc o n t e n to ft h er e s e a r c h o nt h ew a t e r p o w e rc h a r a c t e ro fl o wa p p l i e dw e i r c o n s i d e r i n gt h ea p p l i e d a c t u a l i t yi ns h a nd o n ep r o v i n c ea n dt h ei d i o g r a p h i cd e m a n d si nt h em o d e r n w a t e rc o n s e r v a n c yt h i s p a p e rc o n c l u d e dt h ed e s i g nm e t h o d ，t h ew a yo f c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e sa n da n a l y z e dt h ep r e s so ns u r f a c eo ft h ew e i r ，t h ef l u x a n d s u b m e r g e dc o e f f i c i e n t t h e n i t g a v et h em e a s u r eo fi m p r o v i n gt h e w a t e r - p o w e rc h a r a c t e ro fl o wa p p l i e dw e i ra n d t h ep r i n c i p l ei nd e s i g n i n g k e yw o r d s ：a p p l i e dw e i r ；w a t e r p o w e rc h a r a c t e r ：h i g h - t y p ea n dm i d d l e - t y p e 符号清单 k q 。上游面坡度修正系数 k 。，下游堰高影响系数 p ，上游堰高 p 。下游堰高 h d定型水头 h 。上游溢流水头 1 1 1 高堰的流量系数 m k临界流的流量系数 1 1 1 。下游堰高无影响的流量系数 m t定型水头的流量系数 。淹没系数 h 。以水柱高度计的堰面压力 h o p 临界水头比 h 。h d 相对水头 p h d 相对堰高 图2 - 2 - 1 图2 - 2 - 2 图2 - 2 - 3 图2 2 4 图2 - 2 - 5 图2 - 2 - 6 图2 - 2 - 7 图4 1 一l 图4 一卜2 图4 - 2 - l 图4 - 2 - 2 图4 2 3 图4 - 2 - 4 图4 - 2 - 5 图4 - 2 - 6 图4 - 2 - 7 图4 - 2 - 8 图4 - 2 - 9 图4 3 一l 图5 2 1 图5 - 2 - 2 图5 - 2 - 3 图5 - 2 - 4 图5 - 3 - 1 图5 - 3 - 2 图6 - 4 一l 图7 3 一l 插图清单 u s b r 堰示意图6 k h 关系图6 r 。，r ：h h 图6 m d p h 图 7 k 。h 。h 。图7 k ，p h 。图8 k d 。p 。h d 图8 m 。p 。h 。、h 。h 。关系1 4 下游堰高对流量系数的影响1 5 w e s 堰的流量系数1 6 低堰流量系数试验与计算比较17 4u 1 ( h 。p 。) 。的关系1 8 c i 、8 ( h 。p 。) ( h 。p 。) k 关系 1 8 彳m - ( h 。p 。) 。的关系1 9 d 、b ( h 。p 。) ( h 。pl ) 。关系1 9 埘i o - p 。h 。关系2 0 c p 。p ，( h 。p 。) ( h 。p 。) k 关系2 l c p ：p ，( h 。p ) ( h 。p 。) - 关系2 1 w e s 堰的m 。- h 。h 。关系2 2 堰面压力与上游堰高和水头的关系2 4 低堰水舌与高堰堰面对比( h 。相同2 5 下游堰高对堰面压力的影响2 6 w e s 堰的最小压力关系图2 6 下游堰高对梯形堰压力的影响2 8 梯形堰堰面最小压力h 6 与相对水头h 8 的关系2 9 o k m ，h 2 h o 关系；3 4 不同条件下流量系数与相对上游堰高的关系3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究：i = 作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金壁：些厶堂 或其他教育机构的学 位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 砀气 签字日期：l 压月自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金匿王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：砀辟 、，l 签字帆z 毋6 月日 裂辚瑰郴 h 导师签名：滁 7 ： 荟叉 签字日期；- 7 年占月，牛日 电话：氓“f 一罗彳z 彩罗名7 邮编：； 7 致谢 值此硕士学位论文即将完成之际，我衷心地感谢我的指导老师蔡敏教 授，感谢他对我论文研究的悉心指导和对我学习的鼓励。我衷心地感谢校 研究生部、校学位处和土建学院的领导、教师们对我的严格要求、关心和 支持。 在本论文选题、准备、研究直致编写过程中，得到了合肥工业大学土 建老师们的大力支持，特别是导师蔡敏教授对研究项目无微不至的关怀， 悉心指导，对这一工作的完成，至关重要。 本论文是在山东省水利科学研究院几十年对低堰的试验及理论研究的 基础上进行的，单位的领导、设计所同事对我工作的大力支持，为我的论 文完成提供了宝贵资料，对他们非常感谢。 马成 2 0 0 7 年5 月1 0 日 第一章概述 i 1 前言 水利工程的根本任务是除水害、兴水利，包括防洪、灌溉、发电、供水、 航运等。为了达到这些目的，通常要修建各种水工建筑物，用来挡水、泄水、 输水、排沙等。实用堰作为溢流闸坝( 堰) 的主体是最常用的水工建筑物。水 利事业的范围很广，而重新分配径流及调节洪、枯水量的主要手段，是建造挡 水坝或水闸拦河截流。挡水坝本身不少就是溢流堰，即使是采用非溢流坝挡水 的水库，一般也要修建溢洪道，溢洪道上常需设置溢流堰或节制闸控制洪水位 和宣泄洪水。所以，水库枢纽工程一般都离不开溢流堰。堰用途的广泛性，在 很大程度上是由于其具有挡水和泄水的双重功能。除了溢流堰在水库枢纽中的 应用外，为了满足农田灌溉、水力发电或其它用水需要，在河道、湖泊的岸边， 常需建造进( 取) 水水闸：在低洼地区，为了防止江、河洪水倒灌和排除积水，常 需设排水闸：在滨海河口，为了挡潮、御卤、排水、蓄淡，常需建造挡潮闸；在 天然河道行水能力不足的地段，常需设置分洪闸分泄洪水进入湖泊、洼地消减 洪峰。这些闸也常设溢流坝作为主要工程。因此，实用堰的水力设计与计算是 工程水力学所研究的重要问题之一。对实用堰的水力特性的研究具有十分重要 的现实意义。 实用堰是闸、坝工程中主要的建筑物，其水力特性历来受到水力学界的高 度关注。实用堰按剖面形状可分为标准堰和非标准堰：所谓标准堰，其剖面形 状是以薄壁堰溢流水舌底缘为基础构成，水力特性较好，大中型高堰一般都采 用这种堰型；非标准堰由折线或一些简单的曲线构成，水力特性较差，高堰中 很少采用，但在低堰中，其水力特性基本可满足要求，而且由于结构简单、施 工方便而得到广泛应用。但是，各家只是针以具体堰型和尺寸进行研究，资料 比较零散，缺乏系统的设计计算资料。 按相对堰高( 堰高与水头之比) 的不同，实用堰还可分为高堰或低堰。高 堰是指相对堰高较大，其对堰流的水力特性影响很小，可以忽略不计，使问题 简化；对于低堰来说，其水力特性的影响因素由一个变成了三个，问题就复杂 得多了。另一方面，低实用堰在工程中应用广泛，特别是水库岸边溢洪工程， 经常遇到的多是低堰。但是有关低堰水力特性研究的不深，不能完全阐明其规 律，所得资料还不能满足工程设计计算的要求，因此，本文讨论的重点在于低 实用堰水力特性。 1 2 堰的分类 在水利工程中，为了考虑防洪、灌溉、发电等综合要求，常兴建溢流坝和 水闸以控制和调节流量。在水力学中，把顶部溢流的水工建筑物称为堰。因此， 溢流坝和水闸坎顶就是堰。流经堰的水流，当没有受到闸门控制时就是堰流； 当受到闸门控制时就是闸孔出流，简称孔流。 堰流和闸孔出流的水力计算在水利工程中应用十分广泛。在水工设计中， 是根据堰闸的形式、上下游水位和堰闸过水能力之间的关系来设计堰闸；而在 水文测验中，则是根据已建成的水工建织物来旋测流量，称为水工建筑物测流： 此外，还有专门为了量水( 测流) 而建造的测流堰或测流槽，利用它们来测流时， 称为量水建筑物测流或称为堰槽测流。 堰流和闸孔出流( 简称堰，闸出流) 都有自由出流和淹没出流( 又称沉溺出流) 之分。当下游水位不影响堰、闸的泄流量时为自由出流；反之，当下游水位影 响堰、闸的泄流量时为淹没出流。这里，再从缓流到急流的过渡来分析自由出 流和淹没出流。一般来说。由于堰、闸的阻遏，其上游来流为缓流。通过堰、 闸的水流，在自由出流状态下，能保持着从上游缓流到下游急流的过渡，由于 急流的干扰不能向上游传播，堰、闸的泄流量就只与上游水位有关。 下游( 急流) 水位的变化不会影响到堰、闸的泄流量。而淹没出流，是缓流 ( 堰、闸上游的缓流) 到缓流( 堰、闸下游的缓流) 的过渡，由于缓流的干扰可以 向上游传播，所以下游水位的变化就会影响到堰、闸的泄流量；或者说，淹没 出流的泄流量与上、下游水位均有关。 堰、闸水力计算的共同特点是：由于流线在较短的范围内急剧变化，是急 交流，所以能量损失以局部损失为主。 堰的形式和用途各异；然而，在水力计算中，并不是按堰的用途，而是按 堰壁厚度与水头的相对大小，实质上是按堰的水力特性，将堰分为薄壁堰、实 用堰和宽顶堰三类。 ( 1 ) 薄壁堰 当水流趋向薄壁堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状。当堰壁的厚度6 较小， 堰壁没有触及到水舌的下缘，其厚度6 对水舌形状没有影响时，这种堰称为薄 壁堰或称锐缘堰。根据实验，堰顶至水舌下缘之间的水平距离约为0 6 7 h 以下 时的堰称为薄壁堰。h 表示堰上游渐变流断面处的水面到堰项的高差称为堰上水 头。 ( 2 ) 实用堰 当堰壁厚度影响到水舌的形状，水流即受到堰顶的阻力。把0 6 7 h 4 h 以后，在收缩断面以后还可以在堰上出现近似 水平的流段。而当6 1 0 h 以后，堰顶的沿程水头损失已不能忽略不计，需按明 渠理论计算。因此，把2 5 h 6 1 0 h 的堰称为宽顶堰。 以上分类是从水力学角度进行分类的。对于一定的堰项厚度6 ，当水头h 不同时，可以是实用堰，也可以是宽顶堰。 按堰壁厚度分类是古老而典型的分类，延用至今。随着生产的需要，新堰 型不断涌现，如量水用的三角剖面堰、平坦v 形堰等，它们并不明显地属于上 述那一类。可不必追究它们的类别，只须弄清它们的水流特点及计算公式为要 求。此外，对每一种堰，除了可以分为自由出流和淹没出流以外，又可以分为 有侧收缩堰( 溢流宽度小于上游渠道的宽度) 和无侧收缩堰。并按堰顶轴线在平 面上的位置分为正堰( 堰项轴线与水流方向垂直) 、斜堰和例堰( 堰顶轴线与水流 方向平行) 等。 1 3 实用堰的水力特性 实用堰是溢流坝中常见的堰型，其剖面形式较多，可大体分为曲线型和折 线型两大类。无论是曲线型实用堰还是折线型实用堰，其流量公式均为堰流的 普遍公式，即 q = 彻毋压研胆( 1 - 3 - 1 ) 曲线型剖面有各种定型设计，例如克里格尔一奥菲采洛夫剖面、w e s 剖面、 长研1 型剖面等。其设计原则是使堰面轮廓与薄壁堰水舌下缘基本吻合，以减 少水流阻力。然而水舌的形状、尺寸随水头h 而变，设计堰面时所采用的水头 称为设计水头，以h d 表示。在设计水头下，堰顶附近的动水压强接近于零。我 国一些高坝在2 0 世纪五六十年代常采用克一奥剖面，近几十年来多采用w e s 剖 面。 w e s 剖面堰顶由圆弧段构成，有两圆弧段和三圆弧段两大类，每一类又有几 种型号。 实用堰的水力特性及水力设计受到各国学者所重视。但就现有的研究成果 来看尚有不足之处。这里简述几个方面。 就堰型来说，现代的研究多着重于标准堰，非标准堰的研究比较缺乏。但 在低堰工程中非标准堰的水力特性基本满足要求，而且由于其结构简单、施工 简便而得到广泛应用。 就堰高来说( 主要指标准堰) ，对实用堰的研究多只限于高堰，但实际工程 中，特别是一些中小型工程，低堰都是面大、量广的，是急需重点研究的课题。 就水力特性来说，现有对低堰的研究多只限于流量系数，而堰面压力方面 的资料很少，很难满足低堰设计的需要。 低堰的水力设计方面，包括设计准则和有关参数的选择，由于研究的较少， 3 目前只能延用高堰的一些标准和经验，导致设计的经济、合理性受到影响。 1 4 课题主要研究内容 研究和探讨了高低堰界限的判定方法，并围绕实用堰流量系数及其计算方 法、实用堰的堰面压力、实用堰的水力设计问题等做了大量的实验研究工作。 在系统总结国内外实用堰设计、实验、水力特性分析及研究现状、研究进展和 发展趋势的基础上，通过现场调研、理论分析和实验等方法，系统分析了实用 堰的水力特性，讨论了低实用堰在水利工程实践中的作用、目的，实用堰水力 特性的研究意义、研究方法和内容。针对山东省现有的实用堰应用现状，为适 应现代水利的具体需求，根据有关规范规程要求，工程应用条件、应用需求、 运用特点和当前存在的问题，总结归纳了不同条件下低实用堰的设计方法，提 出了实用堰设计应遵循的原则，并提出了具体的设计方法和建议。 研究和探讨了实用堰水力特性，围绕实用堰水力特性存在的主要问题，展 开了实验分析和理论探讨。在实用堰水力特性研究的指导思想、技术创新、低 实用堰水力特性研究方案设计、实用堰流量系数的影响因素、实用堰水力设计 方法、堰面压力分析、实用堰溢流能力计算、淹没系数计算等方面做了大量的 研究工作。本文在系统总结国内外实用堰设计、实验、水力特性分析及研究现 状、研究进展和发展趋势的基础上，通过现场调研、理论分析和实践相结合等 方法，系统分析了实用堰水力特性，讨论了实用堰在水利工程实践中的作用、 目的，实用堰水力特性的研究意义、研究方法和研究内容。针对山东省现有的 实用堰应用现状，为适应现代水利的具体需求，根据有关规范规程要求、工程 应用条件、应用需求、运用特点和当前存在的问题，总结归纳了不同条件下实 用堰的设计方法与特性分析途经，分析了实用堰的堰面压力、流量系数和淹没 系数，研究了改善实用堰水力特性的措施，提出了实用堰设计应遵循的原则， 并提出了相应具体的设计方法和建议。 在系统地总结国内外低实用堰水力特性研究的历史进程、应用现状及发展 趋势的基础上，通过现场调研、理论分析和实践相结合等方法，对实用堰水力 特性研究的指导思想、技术创新、实用堰水力特性研究方案设计、流量系数的 影响因素、水力设计方法、堰面压力分析、实用堰溢流能力计算、淹没系数计 算等方面进行了深入研究。围绕实用堰水力特性存在的主要问题，展开了实验 分析和理论探讨。在系统分析了实用堰水力特性的基础上，针对山东省现有的 实用堰应用现状，根据有关规范规程要求、工程应用条件、应用需求、运用特 点和当前存在的问题，总结归纳了不同条件下实用堰的设计方法与特性分析途 经，分析了实用堰的堰面压力、流量系数和淹没系数，研究了改善实用堰水力 特性的措施，提出了实用堰设计应遵循的原则，并提出了相应具体的设计方法 和建议。 4 第二章低堰水力特性的评介 2 1 低堰水力特性研究简介 高堰是指堰高相对于水头而言很大，在计算堰流水力要素时可以略去堰高 的影响，使问题简化。但实际工程中的溢流堰高度多较小，堰上游来流对堰的 过流有重要影响，不能略去堰高的因素。这类溢流堰一般称为低堰。低堰溢流 除受堰型和水头的影响外，还与上、下游堰高有关，影响因素较高堰多，问题 也较高坝复杂。因此，虽然低堰问题很早就引起重视，也开展了不少研究工作， 但相对来说成果不多且较零散。 就标准堰来说，美国垦务局“1 、美国水道试验站嘲、前苏联别列津斯基“、 南京水利科学研究院( 所) 啪、江西省水利科学研究所嘲都做过一些工作。非标准 堰的研究，主要限于梯形堰和驼峰堰两种堰型，研究者有前苏联水科研究院旧、 林孟程“1 、王艺雄“1 等。 以上介绍的有关低堰的资料和计算方法，在低堰工程设计中曾起过应有的 作用。但由于低堰溢流的影响因素较多，水力现象较复杂，现有资料和算法还 不能算是成熟的，也还不能完全满足设计计算的需要。 由于非标准堰没有固定的型式，各家多为结合具体的工程或本地区常用的 堰型和尺寸进行试验研究，所得的资料一般是可靠的，但比较零散，系统性和 规律性都有待进一步探讨。 2 2 国内外低堰水力特性研究国内外成果 低堰问题很早就引起重视，也开展过不少研究工作，但相对来说，其成果 不多且较为零散。下面对国内外成果作一简介。 2 2 1 美国垦务局u s b r 堰成果 美国垦务局对实用堰的分析比较全面，堰型以低薄壁堰的溢流水舌资料为 基础，其水力特性的分析计算包括上下游堰高的影响因素，比较完整，我们以 其为典型，进行评析。 u s b r 堰面曲线上游段由两圆弧组成，下游段为式( 2 - 2 - 2 ) 那样的指数曲线。 在小坝设计一书中给有确定两圆弧的四个参数和指数曲线的常数和指数的 图解资料( 图2 - 2 - 1 至图2 2 3 ) 。k 、n 值见图2 2 2 ，r 。、r 2 、y 。见图2 - 2 3 。 y f l = k ( x h d ) 4 ( 2 - 2 1 ) 5 图2 - 2 1u s b r 堰示意图 数为 图2 - 2 2l ( h 关系图 图2 2 _ 3r 1 磁h h 图 美国垦务局未提供这些堰型的堰面压力资料。自由溢流的u s b r 堰的流量系 可分如下四步推求： ( 1 ) 根据上游堰高p 。与堰的定型水头h d 之比，由图2 2 4 求取上游面直立， 下游堰高无影响，溢流水头等于定型水头时的流量系数m d 。 6 l f ， 中4 叠i 。、 | 爿隧 l 图2 - 2 4m d p h 图 ( 2 ) 对于非定型水头溢流的情况，根据相对水头h d h d 由图2 - 2 - 5 求取上 游面直立，下游堰无影响时的水头修正系数。 1 o o 9 o 8 lllilillillll ilii llillll llill ii 斗叶 i liliil 们ll lii fii lijjiili ， 工l 上 童 、 ：防 d 。，。， 图2 吨一5 珏 m 图 虬】 ( 3 ) 根据上游面坡度和相对堰高p i d ，由图2 - 2 - 6 求得上游面坡度修正系 数l ( 1 | 。 ( 4 ) 下游堰高影响系数l ( d i 示于图2 - 2 - 7 ，原图坐标以i l + d 1 0 的形式给出， 地+ d i d 实质上就是p ： 1 0 的反映，故图3 - 6 1 中横坐标改为助他。已知下游堰高 p 2 和溢流水头吼即可由图2 2 7 查取下游堰高影响系数i ( d 。 7 才：爿专 基妒 心 - 1弋 、 七 _ 、 - - 三 图2 - 2 - 6 k 。p l i i d 图 吖 爿 ， jl n ，l i7 伤k札1 。o 。 ， | 图2 2 7k “p - l i d 图 2 2 2 美国水道试验站w e s 堰成果 美国水道试验站提供的有关w e s 低堰的资料分两种情况，这里仅介绍上游 面直立的堰。 这种堰顶曲线形式与w e s 高堰相同，即将高堰堰顶直接移用于低堰。流量 系数求法从略。但其推求低堰流量系数的方法，只适用于下游堰高很大，对堰 的过流无影响的情况。计入下游堰高的影响，问题变得复杂得多，美国陆军工 程兵团只给出上、下游堰高相等且盼也情况的流量系数。 2 2 3 前苏联和别列津斯基成果 前苏联规范水工建筑物设计规范和别列津斯基都发表过克一奥堰的成果， 两家稍有不同，但都是针对下游堰高无影响的情况。 2 2 4 我国各家的研究 ( i ) 江西水利科学研究所对克一奥堰和w e s 堰都做过试验研究，但都是限 8 k 蜥 于下游堰高无影响的情况。他们还对两种特定的顶宽坡度和圆角半径的梯形堰 ( 也称简易堰) 作过试验。 ( 2 ) 安徽水利科学研究所对他们的和前人的试验资料进行综合，提出了流 量系数的图表和算式。他们对驼峰堰和圆顶堰作了系统的试验研究，绘出了相 应的流量系数图。 ( 3 ) 河海大学用数学模型对w e s 堰、翼型堰和驼型堰作了研究，求得各堰 的流量系数和堰面水压力，并说明其规律。 ( 4 ) 长沙电力学院就堰高对代堰泄流能力的影响作了分析，提出低堰的上 游堰高尽可能不小于设计水头的o 4 倍。 2 3 低堰水力评析 2 3 1 关于堰型 实用堰的堰型基本分为两类：标准曲线堰和非标准堰。标准堰基本上都是 以薄壁堰溢流水舌缘曲线构造的，水力特性较好，而非标准堰一般由曲折线或 一些简单曲线构成，水力特性较差。高堰一般只采用标准曲线堰。对于低堰， 情况就完全不同了。首先，低薄壁堰溢流水舌与高薄壁堰不同，它与诸多的影 响因素有关，例如，它受上、下游堰高和相对水头的影响。如果将高堰的堰型 直接移用于低堰，则堰面曲线己大大偏离薄壁低堰的水舌下缘形状，严格来讲 应属于非标准堰，但考虑高坝坝顶曲线的由来，我们还是把这样的低堰归于标 准曲线堰。 2 3 2 关于低堰的水力特性 由于工程实用的需要，世界各国对低堰进行了诸多研究，其成果在工程设 计中曾起到一定的作用。但由于低堰溢流的影响因素较多，水力现象较复杂， 现有资料和算法还不能算是成熟的，也还不能完全满足设计计算的需要。 由于非标准堰没有固定的型式，各家多为结合具体的工程或本地区常用的 堰型和尺寸进行试验研究，所得的资料一般是可靠的，但比较零散，系统性和 规律性都有待进一步探讨。 国内外对标准堰都有较多的研究。但现有成果也欠完整，计算方法的局限 性较大，使用不当可能会产生过大的误差，甚至会得出与实际相反的结果，必 须于以足够的重视。今就几方面的问题分析如下： ( 1 ) 以上提到的有关低堰溢流的资料和计算方法，多只限于流量系数方面， 堰面压力方面的很少。u s b r 堰和w e s 堰都未见到低堰条件下的堰面压力资料， 南京水利科学研究所和别列津斯基对克一奥低堰的堰面压力做过测量，但试验只 限于下游堰高无影响和溢流水头等于或小于定型水头的情况，对工程设计的实 用意义不大。非标准堰的堰面压力资料更少，只有江西水利科学研究所对简易 曲线堰做过较全面的测量，但也限于下游堰高p 2 = 1 8 比的情况。对低堰来说， 9 这样大的下游堰高实际等于下游堰高无影响的情况。在此条件下，简易堰的负 压很大。这样大的负压既限制了简易堰的实用条件( 只限于小型、低水头) ，同 时，还可能给人们一种印象，非标准堰在水头较高的大、中型工程中是不适用 的。由于缺乏堰面压力方面的资料，特殊的梯形堰或称低堰工程设计中往往不 得不沿用有关高堰的习惯做法。 ( 2 ) 在低堰流量系数方面的研究成果虽较多，但也不能说是深入、全面的， 主要表现在以下方面： a 、些研究中考虑的影响因素不全面。现有资料和计算方法中，计入下游 堰高影响的很少，而且，我们认为，这些计算下游堰高影响的方法也是欠妥的。 而实际工程中的低堰，一般是上、下游堰都较小，研究中只计入上游堰高而忽 略下游堰高的影响，就很难满足实际工程的计算需要。 b 、试验研究中，一些影响因素的变化范围太小，不能满足低堰工程设计的 需要。例如，前已指出，考虑到低堰的压力特性，其最大相对水头可大大超过 高堰的限制，但是现有的一些低堰资料，相对水头较小。这样的资料既不能满 足工程设计的需要，更不能充分揭示低堰水力要素的完整规律低堰流量系 数随水头的增大，其变化是先增大后减小；而在小水头范围内只显示流量系数 随水头增大而增大的规律。 综上所述，低堰溢流的水力特性，虽受到国内外研究者的重视，进行过不 少的研究工作，积累了一定的资料。但是由于低堰溢流的影响因素较多，问题 比高堰复杂，相对而言，有关低堰的资料和成果，数量上显得不足，质量也有 待提高。本文就是在此基础上做一些补充和完善，使其更切合实际。 1 0 第三章高、低堰界限的判定 3 i高、低堰界限判定方法简介 在堰流的研究中，常涉及高、低堰的概念。高堰溢流，水力要素不受堰高 的影响，计算要简单得多；低堰溢流，水力要素除决定于堰型( 包括其特征尺寸， 标准堰就是定型水头) 和水头外，还受堰高的影响，关系复杂。因此，在进行堰 流水力要素的计算时，首先需要判定什么条件算高堰溢流，什么条件算低堰溢 流，也就是要判定高低堰的界限。 研究高、低堰界限，必先明确判别高、低堰的标准。目前有两种提法： ( 1 ) 堰高大到一定程度，堰前来流流速很小，来流速头比堰上总水头小得 多，可以忽略不计时定为高堰。 ( 2 ) 当堰高大到一定程度，堰流的水力要素不随堰高而变时，算是高堰。 以上两种提法是有根本区别的。例如，w e s 堰在h 0 1 3 h d ，p 。 1 d 1 3 3 时，流 量系数不依堰高而变，故美国水道试验站将w e s 堰的高堰范围定为p 。1 3 3 h d ， 这是按第二种标准判别高、低堰的界限。如从是否忽略来流速头考虑，p 。= 1 3 3 也， 地= h d 时，来流速头为0 0 4 8 h d ，相应地，略去来流速头的流速系数为0 5 3 8 ，比 计入速头的流量系数( 0 5 ) 大7 7 。即使p l - 3 h d 时，略去来流速头的流量系数 仍比计入来流速头的数值大2 4 。所以按第一种标准，p i - 3 h 。还不能算是高堰。 可见，两种标准判定的高堰界限相差悬殊。 判别高、低堰界限的目的，是要判明在多大的相对堰高范围内计算堰流的 水力要素时，可以略去堰高的影响。据此，我们认为判别高、低堰界限的标准 应以第二种提法为好，即当堰高大到一定程度，堰流的水力要素不随堰高而变， 或变化很小时，算是高堰；反之，当堰高小到一定程度，堰流的水力要素明显 地随堰高而变时，算是低堰。 但是，堰流的水力要素很多，有堰面压力、溢流水舌厚度( 水深) 、流速、 流量、流量系数等，不同水力要素受堰高影响的情况是不同的。因此，在讨论 堰高对水力要素的影响时，还应明确是指哪一要素。由于流量系数在堰流水力 特性中的重要性，目前用来判别高、低堰界限都是以堰高对流量系数的影响为 依据。 3 2高、低堰界限判定方法评析 应指出，虽然都以堰高对流量系数是否有影响为依据，但各家提出的高、 低堰界限却相差悬殊。美国水道试验站规定w e s 堰的高、低堰界限是p 。 h 产1 3 3 ；全苏水利科学研究院编制的规范规定克一奥堰的高、低界限为p h 产3 “1 ；别列津斯基对克一奥堰的试验却表明，p 。h d 0 8 时，流量系数才有明显 的减小：韩立认为从提高堰的流量系数的观点看，一般p 。 i d 以不低于0 5 为 宜“”；清华大学建议的低堰范围为0 3 p l h 。1 【l ”：中华人民共和国水利部颁 布的溢洪道设计规范中提出p 。h 。0 3 时流量系数明显降低“”，因此规定上游 堰高一般应大于0 3 i d 后三者都是从工程实用的观点建议的，意即相对堰高小到一定程度后，堰 的溢流能力会过多减小，工程不宜采用。但是这些论点是值得商榷的：第一， 实用堰的流量系数随堰高的变小而变小，这是客观规律，其变化并不存在突变 ( 明显降低) 。第二，设计中采用多大的相对堰高，是由工程的经济安全评价， 而不是由流量系数单一因素决定的。事实上，低堰工程中，特别是水库河岸式 溢洪道工程中，大多数堰高都小于0 5 1 - 1 , ，堰高为零的平底闸更不罕见。因此， 单从流量系数的变化来规定堰高的实用范围是不合适的，由此来判定高、低堰 界限更值得商榷。 从水力学的角度看，判别高低堰的界限应以堰高对流量系数是否有影响并 为依据，上述前三种规定的界限正属于此类。但为什么它们相差如此悬殊呢? 众所周知，堰的水力要素受堰型、堰的特征尺寸( 标准堰为定型水头f i d ) 、 上下游堰高和溢流水头等的影响。在研究堰高影响时，除要明确是上游还是下 游堰高外，还应考虑其它因素的影响。举标准堰为例，流量系数同时受定型水 头，上下游堰高和溢流水头的影响。由于以往对下游堰高影响的研究很少，在 判定高、低堰界限时，一般都是指相对上游堰高p 。战而言。在下游堰高很大， 对堰流无影响的条件下，流量系数的影响因素包括定型水头，上游堰高和溢流 水头，组成无量纲因子为相对上游堰高p 。 i d 和相对水头儿。所以在提出相 对上游堰高作为高、低堰界限时，必须明确以什么样的相对水头为条件。因此， 只提相对堰高而不提水头是不全面的。事实上，相对堰高只是堰的几何特征： 相对堰高p 。 l d 大，堰体瘦高；p 。h d 小，堰体矮胖。但是，堰体瘦高或矮胖和 高堰或低堰并不是同一回事。根据定义，高堰或低堰是指其流量系数是否受堰 高的影响，即低堰溢流时，流量系数偏离( 小) 于高堰值，其判别标准不能离开 水流条件。可以设想，堰体虽瘦高，但相对水头很大，其溢流条件也可能不同 于高堰；相反，堰体虽矮胖，但相对水头很小，其溢流条件反而可能与高堰相 回。例如w e s 堰，按美国水道试验站的规定，p 。h 产1 3 3 算是高堰，但当 h d = 1 6 时，其流量系数为0 5 2 4 ，比高堰值( o 5 3 2 ) 小，应属低堰；相反p 。h f o 2 ， 按规定是低堰，但当凰战= o 4 时，流量系数为0 4 3 9 ，与高堰相同，故应属 于高堰。因此，判别高、低堰界限时，应同时包括相对堰高p 。h d 、相对水头 h 。h 。和p ：h 0 三个因素。 3 3判定标准 涉及相关因素如此多的高、低堰界限，处理起来，必将非常复杂，我们经 1 2 仔细分析，这个问题可以简化：既然是高低堰界限，上限是高堰，其溢流水头 h o 必在1 3 3 h d 左右，这样高低堰界限的相关因素只有两个p 。也和p 2 地：先取 p 2 i d 很大，忽略其影响，上游堰高的界限就应p 。心为= 1 3 3 左右，这与美国 垦务局的标准接近，而与前全苏水利科学院和别列津斯基的标准偏小和偏大， 那是因为该两者限定的水头偏大( 心i i d = 2 ) 和偏小( i d = 1 ) 的缘故；至于 下游堰高界限，现有资料只有江西省水利科学研究所提出n 1 d = 0 9 的标准， 我们可暂且采用之。这样，低堰堰标可定为p 。h d 1 3 3 ，p 2 h d 3 时，m 。取值为0 3 6 0 。为与本文采用的h o 相一致，将上式的i n t o - - p 。 h 关系绘成m 。- p 。h o 关系曲线如图3 2 7 。 图4 - 2 - 7i n l o - p l l i d 关系 前面已求得p 。p l - 一即下游堰高无影响条件的流量系数m - ，现又给定了p 2 p 。= o 的m 。这样就可把任何p z p 。的流量系数m 表示为 m - i 1 t o + c ( m 广m l o ) 式中c 是变系数。 2 0 一般认为堰型和上游堰高的影响已在m 。和n l 。中有所反映，c 值似应只是p 2 tp 的函数，但试验资料表明，它仍然与堰型、上下游堰高和溢流水头有关。 这也说明堰的流量是上述四个因素综合影响的结果。像第三节中有些算法那样， 对各影响因素进行分离变量处理，未能反映流量系数的实际规律，但像前面的 分析那样，综合各种堰型的试验资料，可以将c 与p 2 p 和( i 。p 。) ( k p ) t 建立相关关系，如图4 - 2 - 8 。图中点据相当集中，说明此关系确实反映了下游堰 高的影响。根据图4 - 2 - 8 的资料，我们将c 值加以内插，制成图4 2 9 的形式， 以便计算时查用。 图4 - 2 8c p 2 p t ，0 b e 1 ) ( 1 b lp - ) k 关系 。蜜 量博 图4 2 - 9c p 2 p - ，( 1 i d p - ) 0 b p t ) k 关系 2 1 4 3计算步骤 综上所述，不同堰型、堰高、水头条件下的流量系数的计算步骤可归纳如 下： ( 1 ) 根据高堰的流量系数关系弧一心凰，换算成某一上游堰高( p 。| 1 d ) 的流 量系数关系m 。地p l ； ( 2 ) 按式f 0 3 8 5 ( 1 十p 。h 0 ) ”计算帆 l o p 的关系； ( 3 ) 根据l 。一h 0 p 和m 广心p 关系点绘关系曲线，两曲线交点所相应的心 p 即为临界水头比p ) 。； ( 4 ) 根据( p ) 。由图4 2 5 查取么舢； ( 5 ) 给定不同的心p 。值，计算( 心p j ) ( 地p ，) 。，并由图4 2 6 查取、 b ： ( 6 ) 用式d m = a 么哪和a m = b 么哪计算4 m 和d m ； ( 7 ) 由式m = i i l 。一a m 和m 。- - m 。一4 m 计算下段和上段的m 。，即可绘制m ， l o p 。关系曲线； ( 8 ) 按h d p 。和帆p 。) ( h o p 。) 。分别由图4 2 7 和图4 2 9 查取m ，。和c 值； ( 9 ) 由式萨m 。c ( m 广m 。o ) ( 式中c 为变系数) ，算出m ，此即为最后结果。 计算中首先需要高堰的流量系数资料，分别绘w e s 堰、克奥堰、梯形堰和 圆顶堰的高堰流量系数。w e s 堰的嘶可查图4 - 3 1 ( 图中曲线参考了美国水道试 验站的模型和原体试验结果以及国内其它试验资料，也可按式 m = 0 3 8 5 + 0 1 4 7 0 h , h d o 0 3 0 0 ( 1 0 乩) 2 - o 0 0 2 7 ( 心也) 3 计算( 式中的m 即) 。 窟 莓 iji i 矿 ， ， ， l ， o ， ； - 。 一 一t 十 l 一 z l 一少 j1 r 呻一 l j 图 3 一l1 r e s 堰的一i i o m 关系 为了检验以上方法的可靠性，我们对不同堰型、堰高及不同溢流条件的流 量系数进行了计算，并与试验资料作了对比，结果表明试验、计算的结果很一 致。 第五章低堰的堰面压力 5 1 概述 影响低堰水力特性的因素有上游堰高p 。、下游堰