（水利工程专业论文）低实用堰水力特性研究.pdf

m 东大学i 程硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的哎果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律责任由本人承担。 敝雠名：噼日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 做作糙争：哗导燧名：率 卜、 i 由东大学i 程硕士学位论文 摘要 低实用堰水力特性的研究 实用堰的水力特性及水力设计多年来一直受至i j 各国学者的重视，但有关溢流堰方面 的成果，多只限于高堰条件。而在实际工程中，特别是中、小型工程中，低堰的应用是 十分广泛的。全面、系统地研究低堰的水力特性和设计方法，不仅在理论e 是必要的， 对工程实践来说，也是迫切需要的。 本文研究和探讨了低实用堰水力特性，围绕低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。在低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、低堰流量系数的影响因素、低堰水力设计方法，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：低实用堰，堰面压力，流量系数，堰型，堰高 山东大学i 程硕士学位论文 a b s t ra c t s t u d y0 nt h e h y d r a i i i ，i c c h a r a c t e r i s t i c s o f l o w p r a c n c a l w e 塔 i nm a n yy e a r s , t h es c h o l a r si nv a r i o u se o u n l i e aa l w a y sp a ym o r ea t t e 血o n st ot h e 玛吐a l d i cc h 黜虻t e i i 出c sa n dh y d r a u l i cd e s i g no fp r a c t i c a lw e i 晤w h i c ha r eh i g hw e i r s m o s t l y h l 吐】c a c t u a l p r o j e c t s t h e l o w w e i r s 勰a p p l i e d w i d e l y , e s ! 口e d a l l y i n m e d i u m 甜d s m a l l 州啪i t i s n e c e s s a r y t h e o r e t i c a l l y t o m a k e a n o v e r a l la a _ l c l s y s t e m i c s t u d y o n t h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o d so fl o ww e i r s t h a ti s a l lu r g e n tn e e df o r p 蚵e c t p r 茁d c e s t 0 0 i nt h ep a p e 骂l h e 础】0 fm a k e sas t u d ya n dp r o b j l 】go nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s o f l o w w e i r s i n v i e w o f t h e m a i n p r o b l e m s o f h y d m u i i ec h a r a c t e r i s t i c s o f l o w w e i r s , t h e e ) 甲e i i m 酬a n a l y s i sa n df 1 1 e o c e f i c a li i l 平血y 搬m a d e h o s t so f r e s e a r c hw o r k s 戤d o n e j i lt h eg l 】i d m gi d e o l o g y 出】dt e c h n i c a li n n o v a t i o no f h y d r a u l i cc h a m c t c 汹c ss t u d yo f l o w w e i r s , p l a na n dd e s i g no f h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ss 协母o f l o ww c h s ，e f f e c t i v ef a c t o r so f d i s c h a r g ec o e f f i c i e n ti nl o ww e i r s ，h y d r a u l i cd e s i g nm e t h o d si nl o ww e i r s p r e s s u r e a n a l y s i si nw d r 吼1 沁e a n da l s oo v e r f l o w 脚c a l c u l a t i o na n ds u b m c 玛e n c ef a c t o r c a l c u l a t i o n i n p r a c t i c a l w e i r s m 雠p a p e l ；o n t h e b a s i s o f t h es t a t u s q u o a n d d e v e l o p m e n t a n d 把r l d c r l c yo f d e s i g na n de x p e r i m e n ta n dh y d r a u l i cc h a r a c t c r i s f i c sa n a l y s i si np r a c t i c a l l o ww e i r s , t h r o u 出t 1 ew a yo f f i e l di n v c s t i g a l i o na n dt h e o r e t i c a l 锄蛐w i t hp r a c l l c e , i t m a k e sas y s t e l n a t i ca n a l y s i so nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fp r a c t i c a ll o w 、) i 楹 d i s c u s s e st h er u l ea n da i mo fp r a c t i c a ll o ww e i r si nt h e 坶d r a u l i cp r o j e c t s , a n da l s o d i s c u s s e dt h er e s e a r c hs i g n i f i 渊a n dm e t h o d sa n dc o n t e n t so f h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c si n p r a c t i c a ll o ww e i r s i nv i e wo f 岫p r e s e n t 印搁s i t u a t i o no fe x i s t i n gl o ww c i mi n s h a n d o n gp l w e i n e et om e e tt h eo o i , l e r e t en e e d so f m o d e mh y d r a u l i cp r o j e c t s , t h ea u t h o r s m a su pt h ed e s i g nm e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sw a y so f p r a c t i c a ll o ww e k su n d e r d i f f e r 眦c o n d i t i o n s , a n a l y z e st h ep r e s s u r ei nw e i rs l r f a e ea n do v e r f l o wc a 脚a n d s u b m e r g e n c ef a c t o ri np r a c t i c a ll o ww e i r s ，m f l k 嚣as t u d yo nt h en l c a s u i 岱f o ri i i l p w v m g h y d r a u l i cc h a r a c t e d 蚯c so fl o ww e j l sp 吣f o r w a r dt h ed e s i g np r i n c i p l e so fl o ww e i r d e s i g n , a n d a l s o p u t s f o r w a r d t h e r e l e v a n t c o n c r e t e d e s i g n m e t h o d a n ds u g g c s t i o n b a s e d o n n 】er e l e v a n td e m a n d so fs t a n d a r d sa n d 咒母1 1 a 缸坞a n da p p l i e dc o n d i f i o ma n da p p l i e d r e q u i r e m e n ta n da p p l i e dc h a r a c t c r i s t i e sa n de x i s t i n gp r o b l e m so f p r o j e c t s 一 k e y w o r d s ：l o w p r a c t i c a l w e i r s , p r e s s u r e o n w e i r s u r f a c e , d i s c h a r g e o f c o e l 五d e n t , w e i r f o r m , w e i r h e i g h t 2 山东大学i 程硕士学位论文 第一章绪论 水库岸边溢洪道上的实用堰多属低堰，其水力设计在我国长期无“法”可依，2 0 0 0 年颁发的溢洪道设计规范( 以下简称规范) 填补了这方面的空白，但我们在学习、 应用这个规范过程中感到其中有些问题很值得商榷；引用美国水道试验站的1 氐堰流 量系数是否可行；规定的低堰界限是否合适；限定的上、下游堰高是否可行，这些问题 将在文中适当部分加以讨论。为了讨论这些问题并构成完整的低实用堰水力设计体系， 文中简略的介绍了我们关于低实用堰水力设计方面的成果( 包括以前的工作和文中的补 充和修正) ：低堰界限；堰面压力、流量系数的特点、规律和计算方法；低堰堰型、堰 高、设计水头及其他设计参数的选择。 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 蝎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，而溢洪道e 则常需设嚣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_ 般都离不开溢流堰。 堰用途的广泛性，在很大程度e 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。所以对实用堰的水力特性的研究具有十分重要的现实意 义。 山东大学i 程硕士学位论文 第二节实用堰的分类 实用堰是闸、坝工程中主要的建筑物。按剖面形状可分为标准堰和非标准堰。标 准堰水力特性较好，大中型高坝_ 般都采用这种堰型；非标准堰由折线或一些较简单 的曲线所构成，水力特性较差，但是在低堰工程中，其7 k ) 3 特- i i 基本可满足要求，而 且由于结构简单、施工方便而得到广泛的应用。 实用堰还有一种分法，即按堰高的不同而分类，但关于高、低堰界限，国内外都 有不同的提法，溢洪道设计规范引用美国水道试验站和我国水电科学研究院成果， 认为低堰上限为p i i 产1 3 3 ，下限为p l 1 4 e o 3 。b 4 1 在下游堰高很大，对堰的过流无影响的条件下，p 。h 1 3 3 ，上游堰高对堰流将发 生影响，故p ，h 产1 3 3 视为高堰下限。但作为实用堰的水力要素，高i b i - f 限除受下游 堰高影响外，还因堰型和溢流水头的不同而异，故其值也不是个定数，如前苏联规范 就认为克奥堰的界限是p 。h 口= 3 ，咖别列津斯基则得出此值为0 8 ，嘲差男j 彳艮大。不过 国内已通用w 既堰，在通常范围内高堰的下限定为p l h 产1 3 3 ，这可以认可，但低堰下 限的提法很令人费解。 规范中提出p 。h e 0 3 f , , j 时流量系数明显降低，这可能是p ，如町3 被定为低 堰下限的理由。类似的提法也曾见于其他资料，只是p l l 的取值不同，有的认为是0 4 ， 有的认为是0 5 ，但都鲜有试验资料佐证。图i - im - - - p , 地关系图是我们的试验结果。 由图很难判断p i r e 0 3 附近流量系数有明显变小，所以以p 。h e 0 3 界定低堰下限是 缺乏根据的，也没有实际意义，况且p 。乩 p i i - h o 5 为中高堰。本文所说的低堰指的是p 1 地o 5 的堰。 第三节实用堰的水力设计 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。 l 、就堰型来说，现代的研究多着重于标准堰，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、施工简便而得至| j 厂泛应用。因此，非标准堰 的研究比较缺乏。 2 、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， 特另u 是些中小型工程，低堰都是面大、量广的，是急需重点研究的课题。 3 、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。 n n n 仉 仉 仉 m 山东大学i 程硕士学位论文 4 、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，目 前只能延用高堰的些标准和经验，导致设计的经济、合理性受到影响。 针对以上问题，我院曾于七十年代作过较为全面、完整的理论和试验研究，得出 相应的成果，并已公开发表。这些成果基本解决了以上问题，但目前实用堰的水力设 计还比较混乱：国家规范还在延用我们从理论和试验均已证明不妥的水力计算方法。 因此，本文拟复述我院对实用堰研究的重要成果，并做必要的补充、修正和完善。 6 山东大学i 程硕士学位论文 第二章国内外低实用堰水力特性研究评介 广义来说，水力设计包括水力特性及其计算和设计准贝i j 及参数选择，这些问题在上 章中作了简述，下面稍加具体，作为低堰水力设计方法评介。 第节低堰水力设计_ 黼介 低堰溢流除受堰型、水头的影响外，还与上、下游堰高有关，情况很复杂。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简介。 一、美国垦务局u s b r 堰成果( 图) n 1 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e 游段由两圆弧组成，下游段为式2 - 1 - 1 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 - 1 1 至图2 - 1 - 3 ) 。k 、n 值见图2 _ 1 _ 2 ，r l 、胝ky o 见图争1 - 3 。 y r r ：k ( x h d ) “( 2 - 1 一1 ) 图2 一i - 1u s b r 堰示意图 l y h t = - z ( x h d ) 7 由东大学i 程硕士学位论文 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 堰的流量系数如下。 可分如下四步推求： 帖附m ( 1 ) 根据上游堰高p 与堰的定型水头凡之比，由图2 1 q 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弛。 ( 2 ) 对于非定型水头溢流的隋况，根据相对水头m 饥由图2 1 - 5 求取e 游面直立， 下游堰无影响时的水头修正系数。 ( 3 ) 根据上游面坡度和相对堰高p l i i ，由图2 - 1 咱求得上游面坡度修正系数k 。 ( 4 ) 下游堰高影响系数k 示于图2 - 卜7 ，原图坐标以 l + d 仉的形式给出，战+ d 1 实质上就是p 胤的反映，故图3 - - 6 1 中横坐标改为助饥。已知下游堰高p 2 和溢流水头 圈2 - l - 2k ，n 1 1 h 关系 心即可由图2 _ 1 - 7 查取下游堰高影响系数k 。 丝塑兰三墨丝竺竺墼 v - o 2 0 o 1 2 o 1 。 量o 。0 6 。“ o 5 5 。5 0 。4 5 ，0 4 0 墨。 0 3 0 0 2 5 o 2 0 o 1 5 o 0 0 40 0 8 0 1 2 01 6 o 2 0 h - h d 图2 - 卜3 r1 ，r2 ，x c ，y c h a ho 关系 9 m 东大学i 程硕士学位论文 1 0 f 抖 z l 、 卜嗽 1 n 图2 _ 1 _ 4 嘞 p t 肌关系 r 甩 i 】l i fi il ll 一 l l 汀f lj ，寸1 i j j ，盯l j 一一 淞 ， o n 2 n 4 n 6n 81 01 2 1 4 1 6 地几 图2 _ 1 _ 5 瞄“喝h d 关系 燕 ， 褰 ， 正1a 太 3 匦 _ 1 - 6k * 6 嵋h d 关系 r h , 5 m 东大学i 程硕士学位论文 v v 击弋一 p 一一 3 9 0 ，上l i 。 墨 t ，f7 伤k剐 ， ， 0 8 0 f 二、美国水道试验站w e s 堰成果嘲 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 游堰商相等且如扎情况的流量系数。 三、前苏联和别列津斯基成果 前苏联规范t 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。 四、我国各家的研究 l 、江西水利科学研究所对克一奥堰和w e s 堰都敞过试验研究，但都是限于下游堰 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。嘲 2 、安徽水利科学研究所对他们的和前入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 匿堰、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。 山东大学i 程硬士学位论文 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0 4 倍。 第二节评析 一、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，则堰面曲线已大大 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。 二、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，所得的资料般是可靠的，但比较零散，系统性和规律性都有待 进步探讨。 国内外对标准堰舔有较多的研究。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 爿8 h d 的情况。对低堰来说，这样大的下游堰高实际等于下游堰高无影 山东大学i 程硕士学位论文 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。 ( 固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 、一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i t a j z 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，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唯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e 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。 山东大学i 程硕士学位论文 第三章低堰的水力特性 低堰的水力特性很多，这里重点讨论堰面压力和流量系数的特性、规律和计算方法 等。 上章“评析”中已经指出，目前低堰的有关资料和计算方法多只限于流量系数方面， 而堰高压力方面贝i j 彳艮少，而且低堰流量系数方面的研究成果也不够深入、全面的，远未 能满足工程实用的需要。我院在2 0 多年前曾对低堰的水力特性作过较深入、完整的研 究。为了讨论有关问题方便，在这章里将系统地介绍我院的低堰成果，并作必要的补充 和修正。 第节堰面压力 影响低堰水力特性的因素有上游堰高p 。、下游堰高p 2 、堰的定型水头h 。( 对非标准 堰可选择其它的特征尺寸) 和溢流水头心。这四个因素都是长度量纲，可构成三个无量 纲参数：心h d 、p j 卧p 2 以h 。表示以7 c t 主高度计的堰面压力，有以下关系： h h 两( 风h | 、p 。地、p 2 下面我们以w e s 堰的资料为例进行讨论。 先考察b 仇与心h 。和p 心的关系。为此，需把p 2 也取得很大，以消除其影响。 图3 一l l 上表示的是w e s 堰面上不同位置的实测压力。o 岫 1 4 山东大学i 程硕士学位论文 h 圈3 - 1 - 1堰面压力与上游堰高和水头的关系 i-piha=l2 - - - - p i h d = 05i3 一坤l h d = 0 2 由图看出，与高堰类似，低堰的堰面压力( 帆) 有随溢流水头缸呦的增大而减 小的规律，但也有不同之点： ( 1 ) 压力沿堰面的变化不同：超设计水头下，高堰的最小压力一般都出现在堰顶的 上游侧，而低堰( 图上资料为p l h 部2 ) 的最小压力位置下移，一般移到堰项的下游侧。 ( 2 ) 数值上的差异：当溢流总水头帆呦相同时，低堰的最小压力值比高堰大， 也就是超设计水头时，低堰的最大负压比高堰小。例如，心h 产1 3 3 、1 6 6 时，高堰的 最大负压乳呦为o 4 6 、1 0 6 ，位置在x 肛- o 1 8 附近：而p 。t l - - - o 2 的最大负压( k 呦减为0 3 3 和0 6 9 ，位置下移到x h , - - o 1 附近。 低堰压力的这些特点，是由于其自由水舌与高堰堰顶的堰面轮廓不致所致。图 3 _ - 1 2 中给出低堰自由水舌下表面曲线与w e s 高堰堰顶轮廓的对比情况。由图看出， 高堰堰项较为凸出，而低堰自由水舌较为扁平。因此，设计水头下溢流时，堰上流侧水 流处于受边界( 堰面) 压缩的状态，压力升高；而堰顶f i 祷侧的水流则处于扩散状态，压 力下降。超设计水头溢流时，也有类似的规律，故而低堰负压比高堰小且位置下移。 m 东大学i 程硕士学位论文 圆 l - 2 低堰水舌与却毋断敏批州d 嗣) 卜叫氐堰旷i h d = o 2 ) 水赢卜高醒眶盯页 关于下游堰高对堰面压力的影响，如图争1 3 所示。图中资料属于p ，h , e o 2 的w e s 低堰。p h f 2 2 已属于下游堰高无影响的情况，而p 2 h f o 2 正是上、下游堰高 相等( 上、下游渠底齐平) 。由图看出，随着下游堰高的减小，堰面压力普遍增高；愈靠 下游，增高愈甚。形成这样的压力现象，其机理显然在于下游护坦的顶托使过堰水流的 曲率减小所致。 1 6 王 呈1 2 o8 0 4 0 0 4 08 如。d 4 d 6 x h d 勘t 涯：吾怒黜蛐h 0 州h d = 聃1 6 6 ， ：i - - p 4 ：h 6 m = 02 h d - 2 - l 警! 嚣： ：3 - - 2 p 2 “6 在堰的定型水头、堰高( 包括上、下游堰劫和溢流水头固定的条件下，堰面上不 竺塑皇堂竺矍型竺丝丝 同位置的压力是不同的，而工程设计中最为共c 、的是堰面上的最小压力。为此，我们将 不同条件下堰面压力的试验结果整理成最小压力的关系图3 _ _ 1 4 由图看出： ， o 吨 1 n 8 l 2 、 、 | 、 少 生 严 毽 弋 、辽 、 5 o 嘎 吨 n 、 、 、。 、 、 m4 乒 j mo 甜_ 棚。 图3 1 - 4w e s 堰的最小压力关系图 ( a ) h - i h i 与帐幕( p 1 ，h 庐) 5 ( b ) 怕一与p 肌、h o m # c - 袭( p v i b = 0 5 ；卜p z h a = 0 毫2 - p 2 札 = 1 0 ；3 - p 2 1 忙05 ：4 - p 堋p 3 0 ： ( c ) h - i h 与p 卅b ，k 关系( p h , f 0 z ：l n k = o 互2 - p 枷, d = o4 ；3 - p 2 h , f 0 6 ；4 - p z i t 商，0 ( d ) h h 占p 帅，卜b h 懈( p a l l - k = 0 1 ) ；1 - p z i k = 0 1 2 - n i k = 0 2 3 - p z l k = 0 8 ：4 - p 棚i f l 1 7 山东大学i 程硕士学位论文 小n 淞岬y 。 -a 图3 一卜5 上游堰高对梯形堰压力的影响 ( h o = 1 56 ) 卜p l = 0 25 ；2 - p 2 = 0 0 46 ：3 - p 3 = o o ( 1 ) 堰的定型水头和溢流水头( 以相对值心巩表示) 一定时，堰面最小压力( 相对值 k 哪都随相对堰高( p 1 h 。和r 呦的减小而增大；即超设计水头溢流时，低堰负压要 比高堰小。嘲 ( 2 ) h p h 随k 心的变化规律比较复杂，因p l h d 与p 2 心的不同而异。就i l o 心 的情况而言，当p 。 i d 与p 2 h 。都较大时，k 地随k h 。的增大而单值地变小；当p 。 心与p 2 心都较小时，h p 乩随h o 地增大而单值地增大；而当p l 地与p z 心为中等 时，随h o 乩的增大，1 1 , 也随则先减后增。嘲 一i 2 一1 2 一1 2 一1 2 一1 2 l 。 - n 科5 ： “7 6 1 ：二： ： a q 3 - 1 - 6 下游堰高对梯形堰压力的影响 ，辎善 黑赭。 。j i 一“2 h 后“ 2 豳3 - l 一7 棒形堰堰面士压力h5 与相坩水头h 6 的关系 ( 堰型见翻2 - - 1 - - 5 ) l p d 5 t o2 ：p 2 6 t o 2 ：2 - 7 1 6 t o 2 ：p 2 5 = 乱i 3 一p l z 0 2 ：p 2 5 = _ 图3 _ d 4 可供设计使用五个相关因素中给定四个，即可推求另个。设计中 2 z一曩1州置一 山东大学i 程硕士学位论文 常遇到的是给定溢流水头洌如最大水头) 、堰高c 上、下游堰高) 和容许负压，求解堰的 定型水头地。此时需进行试算。 应指出，堰高很小特别是下游堰高很小时，堰面很少出现负压，k 心以实际上可 任意选定。此时，堰的具体尺寸主要由结构和施工方面的因素决定，而不是堰面压力。 由以上资料及研究可以看出，设计低堰时，心地的确定大大不同于高堰。高堰的 最大水头比心 d ，一般限制在1 3 1 5 范围内，大了就会产生不能容许的负压。低堰 的最大水头比h 。可取得比高堰大。堰高愈小特别是下游堰高愈小，( 心n ) 【可取 得愈大，甚至可以不受限制。最大水头相同， i | ) i i n x 就小，设计出来的堰体就瘦， 这对节省堰体材料是有利的。同时，由此可看出，低堰的( 心呦嘲x 既然突破了1 3 1 5 的界限，其它的水力特性资料，例如流量系数资料，也不能再和高堰那样，只限定 在( 心h ) 阻x 的范围，而应把范围大大扩大，以便提供能满足设计要求的资料。 根据上述的标准低堰压力的特性，我们还对棱角修圆的梯形低堰进行了压力测量， 以探讨非标准堰的压力特性，进而评价非际准堰在低堰工程中的实用性。图3 _ - l 5 和 图3 1 6 上给出棱角修圆的梯形堰的堰面压力。由图3 1 5 和图卜1 6 可以看出， 下游堰高很大时，下游圆弧始点附近的负压值相当大。同时还可看出，上游堰高对该处 压力的影响是不明显的。但下游堰高减小时，该处压力急剧增大：当p l 6 ：o 2 ，p 。6 = o 4 时，最小压力上升到了正值，而且由图3 _ _ l 7 看出，随相对水头如6 的增大， 最小压力的变化趋势是增高而不是降低。 非标准堰的形状和尺寸，千差万别，要想对所有的堰型都进行试验测定是不可能 的。这里提供的非标准堰的压力资料，属于特定的堰型和尺寸，其意义在于指出非标准 堰的压力特性。高堰时，非标准堰容易产生负压，这是其最大的弱点，人们企图用改进 堰剖面形状来克服，收效不大。但是，在小堰高的条件下，特别是上、下游堰高都很小 时，由于过堰水流的曲率大大减小，堰面压力急剧增大，负压减小或消除。试验表明， 在上、下游堰高都很小的条件下，工程中常用的驼峰堰和棱角稍加修圆的梯形堰，_ 般 均可避免负压的出现。低堰压力的这特点，除前面所述可扩大标准堰的最大相对水头 外，使非标准堰的实用范围也大为扩大。过去认为非标准堰只能在小型工程中应用，我 们的试验和具体的工程实践已经证明，非标准堰也可用于大型低堰工程中。 第二节流量系数 低堰流量系数的影响因素有堰型、堰高和水头，可表示为 山东大学i 程硕士学位论文 r i f 引( 啪。，p 。p 棚d 或肝槲( r i p 。， p i ，p p j 三个因素m 饥、p l h 。和p 旭对m 的影响，不能用分离变量法处理，需通过试验研 究探求流量系数与三个无量纲因数的关系，其步骤为：先不考虑下游堰高的影响( 此 时的流量系数表示为弛) ，建立n l l 与m 饥和p 仉的关系；在此基础匕计，愀堰高的 影响。 图3 _ - 2 一l 上给出的是下游堰商无影响的w e s 堰的流量系数实测结果。为便于分 析，图3 _ 屹- 】的( a ) 、( b ) 分别按不同的关系点绘。 田3 - 2 一l - e s 堰的漉量系教 ( - ) p 舯。i b ) p ，p t 卜p 刖；o i ；2 - pz h ，o 2 t3 - p 悯5 i4 - p , r , = l 3 3 ，s - f d l l , = o h6 - p d r = o 2 i7 - p l ，h 部5 ， 8 - p i ，h 1 3 3 由图看出：咖 ( 1 ) 当溢流水头相对较小时，流量系数只依啪。而变，并与高堰的数值相 2 l 山东大学i 程硕士学位论文 一致( 图3 _ _ 2 叫，a ) 。当相对水头增大时，不同p 旭的流量系数逐渐偏离高堰的数值： p 棚。值小，偏离始点相应的m 饥也小。 ( 2 ) 中等水头时，流量系数同时依p 棚。和吖附而变。固定h 旭时，皿随p l h 。变小 而变小。固定p 肌时，随m 饥增大，m 的变化是：先由小变大，达最大值后又由大变 小。 ( 3 ) 溢流水头较大时，流量系数随 【p ，的增大而变小，而且不同p 旭的i i p h 卯。 关系曲线都向一根渐近线趋近( 图3 _ _ 2 一l ，b ，渐近线为点划线，其方程式为 孤：0 3 8 5 ( t + p “2 ) ，最后，1 1 1 与p k 无关。 在此，对规范引用的w e s 低堰流量系数稍加讨论。第一：规范引用w e s 成 果时，未注明下游堰高是多少，这会使读者误解；第二；是没考虑下游堰高很高的情况。 “o 0 4 2 ”4o4 6 o 4 ：0 5 0 ，lt * * e t ：瓣 ：4 嚣；h 0 7 墨：i 盆。y ， “一- u s 目r t t j 5 - w e $ 下面我们讨论下游堰高对流量系数的影响。图p 2 - 屹是w e s 堰在相对上游堰高 p 肛- o 5 时，不同下游堰高的流量系数试验结果。由图看出，对于定的p 2 ，p l ，m 依 吖p ，的变化规律与吖p = 一时相似，都是随刚p 的增大，m 先增大，达到最大直后又变 小，只是数值有所不同。由图还可看出，鼢能较小时，不同的吖r 有相同的m ，只是当 i 一- 火到一定程度后不同p 卯。的m m ，p 2 关系偏离p 沙l - 一的数值；吖p 。愈大，偏离所 相应的p , p l _ 一的数值也大。还需指出的是p ：加。增大到一定程度后，对流量系数将不发 生影响，试验得知，黝，p i 等于或大于6 左右，便得到相同的i n 值。 山东大学i 程硕士学位论文 图3 2 2 下游堰高对流量系数的髟响 ( w e s 堰p t ，h o 勃 i p m 4 1 l2 - - p 2 m l = 2 s 一p p 硝：4 - - - p 2 , 咿1 6 上面以p l 野乱5 为例，说明了下游堰商对流量系数的影响。其它p l 风的情况 也与此类似，只是数值不同而已。 第三节实用堰溢流能力计算 实用堰的流量系数受堰型、堰高( 包括上、下游堰高) ，水头等因素的影响，而且 相关关系比较复杂，需要寻求适当的计算方法。 仿实用堰流量系数规律的分析步骤，在推求流量系数时，也分两步进行：第步 先不考虑下游堰高的影响，建立流量系数皿慨表示下游堰高无影响的流量系娄i 。与上游 堰高p 。和定型水头心之比和溢流水头心与黼高之比的关系。第二步，以第步的结 果为基础，计入下游堰高的影响。呻 一、下游堰高无影响的流量系数 此条件下，流量系数可表示为： 巩= m ( 心p 。呦 或删7 p 。，p 1 i d m i 与心p i ，p i 心的曲线关系已示于图3 - _ 2 _ 】( b ) 。为分析方便，我们将图 3 _ 扣- l ( b ) 转绘于图3 _ 州，图中还绘制了两组( 根) 曲线。组是由高堰流量系数换 算来的。换算的根据是，假定低堰和高堰的定型水头和溢流水头相同时，它们有相同的 一 止。，m”。仆itl扎，j岫虬n 山东大学i 程硕士学位论文 流量系数。对低堰来说，这个流量系数黜的，取名驰。以示区别。于是就可以根据高 堰的流量系数旺与相对水头h o 心的关系，换算成氐堰的m 。与心p 。的关系( 换算时只 要将m k + h o h 。关系曲线的心 b 坐标乘以系数凰p i 即i d 。图3 - 9 9 上的虚线表示的就 是这一关系。另一根曲线是由堰上游形成临界水深而导得的式皿卸3 8 5 ( i 十p ；哪”。 以点划线表示。 高堰的是随心h 。增大而增大的，n l i 。取代嘛，它依心p 。的变化当然也是渐增 的规律。设想心p 。由小变大，堰上游将由亚临界流蹴临界流，m 。曲线和弧的交点 即表示此过渡点，其相应的流量系数应为低堰溢流所能达到的最大理论值。过渡点所相 应的心p 。对堰流流量系数的分析有重要意义，我们将其取名为堰流的临界水头比，记 作帆叻。该数值与高堰的溢流特性有关，对于标准堰，它应该是p i 地的函数。 分析图3 - 9 9 上的试验资1 + - - 以看出，堰流的实际流量系数关系曲线正好为两根理 论曲线所包络，流量系数最大值所相应的心p 。正好与帆叻。相致。以呱p j 。为 界，堰的流量系数可以分为上，下两段。下段是以堰型影响为主的范围，流量系数n l i 随心p 。( 或心咐的增大而增大；并且当心p 变小时，皿心p 。关系渐近于i 孤i 。心 p 关系，这说明，堰高的影响逐渐消失。上段是以堰高影响为主的范围，当心p 。增 大时，堰上游水流趋于临界流，啦地p 。的关系渐近于旺地p 。关系，所以，此范围 内的吼是随心p 。的增大而变小的关系。 由上所述，既然堰的流量系数聃与嚆p 1 的关系曲线为两根理论曲线所包络，并 且当心p 。很小和很大时，前者分别渐近于后二者，因此，可以把m l i 和咄作为基础， 来推求实际的流量系数m l 。 设d m 和d m 分别表示下段和上段