第八章-堰流及堰下游的水流衔接.ppt

第八章堰流及堰下游的水流衔接 8 堰流的类型及计算公式 8 宽顶堰 8 实用堰与薄壁堰 8 小桥孔径水力计算 8 堰下游水流衔接与消能 教学基本要求 学习重点 教学基本要求 1 了解堰流 闸孔出流的流动特点和区别 掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件 2 掌握堰流的分类和计算公式 掌握实用堰 宽顶堰的水力计算方法 会进行流量系数 侧收缩系数 淹没条件和淹没系数的确定方法 重点掌握宽顶堰流的水力计算 返回 学习重点 1 堰流的分类和计算公式 掌握薄壁堰 实用堰 宽顶堰的水力计算方法 2 流量系数 侧收缩系数 淹没条件和淹没系数的确定 重点掌握薄壁堰 实用堰 宽顶堰流的水力计算 返回 8 堰流的类型及计算公式 一 堰流的类型堰流的水力特征堰顶厚度对堰流的跌落 收缩和水头损失等方面产生影响 根据试验资料 随堰顶厚度 与堰顶水头 比值不同 堰流及堰可分为三种类型二 堰流的基本公式 返回 名词解释 堰流 在明渠流中 为控制水位或控制流量而设置构筑物 使水流溢过构筑物的流动称为堰流 溢经该构筑物的水流发生收缩与跌落的水流现象称为堰流 返回 堰流的水力特征概括如下 1 堰的上游水流受阻 水面壅高 势能增大 2 在重力作用下 流经堰的水流产生跌落 同时在离心惯性力作用下 水流断面产生收缩 3 整个堰流过程是势能积聚并重新转化为动能的过程 4 缓流向急流连接作急变流 流线发生显著弯曲 水流内部存在离心惯性力 5 堰流中心以局部阻力为主 很小的沿程损失可忽略不计 返回 堰流及堰可分为三种类型 1 薄壁堰2 实用堰流及实用堰3 宽顶堰流及宽顶堰此外 对每一种堰 又可以从不同角度分为 自由出流 下游水位不影响堰的泄流量 和淹没出流 下游水位影响堰的泄流量 有侧收缩堰 溢流宽度小于上游行近渠道的宽度 和无侧收缩堰 1 壁堰流及薄壁堰 若 越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响 水舌下缘与堰顶只有线的接触 水面呈单一的降落曲线 对应地称为薄壁堰 2 实用堰流及实用堰 若 由于堰坎加厚 水舌下缘与堰顶呈面的接触 水舌受到堰顶的约束和顶托 但这种影响还不大 越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落 这类堰的剖面可呈折线型 图片 或曲线型 图片 折线型实用堰 曲线型实用堰 3 宽顶堰流及宽顶堰 若 在此条件下 堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显 时入堰顶的水流 受到堰顶垂直方向的约束 过水断面渐小 流速加大 由于动能增加 势能必然减小 再加上水流进入堰顶时产生局部能量损失 所以 进口处形成水流跌落 此后 由于堰顶对水流的顶括作用 有一段水成与堰顶几乎平行 当下游水位较低时 出堰水流又产生第二次水面跌落 实验表明 宽顶堰流的水头损失仍然主要是局部水头损失 沿程水头损失可以略去不计 宽顶堰 堰流的基本公式 它是指以矩形薄壁堰 实用堰和宽顶堰均适用的普遍流量公式 如图所示 以矩形薄壁堰自由出流为例推导 通过堰顶取基准面 在堰上流 处取渐变流断面 过基准面与舌中线的交点取断面 据试验 断面 为渐变流断面 对断面 列能量方程 式中 二者皆通大气 行近流速 取 为堰的局部水头损失 将上述关系代入能量方程得 整理得 式中 称为流速系数 设断面 的水舌厚度为 k为与水舌垂向收缩情况有关的系数 而溢流宽度为b 则 通过堰的流量为 令 为流量系数 则以上推导没有考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响 由于这两种影响均使过堰流量减少 所以 要把这两种影响也反映到公式中来 那就要再乘以淹没系数和侧收系数 和均小于 当不淹没和无侧收缩时为 于是上式变为 这就是堰流的普遍公式 虽是以薄壁堰推导而得 但仍有失其普遍性 因为三种堰的物理本质并无差异 其间的差别仅体现在流量系数 淹没系数和侧收缩系数的确定方法及数值上 返回 8 宽顶堰 以堰顶为基准面 如上图所示 断面 取在堰顶水面近似水平的流段内 写断面 的能量方程 一 宽顶堰的流量公式 目录 返回 8 宽顶堰 化简 得解得式中 为流速系数 过水面积 则 a 8 宽顶堰 上式中 若令 再合并有关系数 同样可得堰流的基本公式 此外 在式 a 中 当时 即 则因 a 写为 b 式中 Z为上游水位与堰顶水位之差 a b 同为宽顶堰自由出流的公式 8 宽顶堰 关于宽顶堰自由出流时的堰顶水深 以巴赫米切夫理论为例 分析如下 巴氏认为 万物在重力场作用下 总要跌落到能量最小的地方 堰流也一样 在堰顶亦具有最小能量 即当堰顶为水平时 单位机械能就是断面单位比能 即堰上水深为 据巴氏理论 堰上水深与总水头的关系仍参考上图加以推导 但此时 列断面 的能量方程 二 宽顶堰的堰顶水深 h 8 宽顶堰 令 设 则 因此 8 宽顶堰 若不计阻力 则 若考虑阻力 则略小于 以上理论分析所得的结论与试验结果相一致 8 宽顶堰 三 流量系数 侧收缩系数 淹没系数流量系数2 侧收缩系数3 淹没系数 8 宽顶堰 据以上巴氏理论与堰流基本方程比较 得 当 1时 m 0 385 这是宽顶堰流量系数的理论最大值 实际上m与宽顶堰的进口开形式 水头H 堰高P有关 可以由经验公式或表查取 8 宽顶堰 直角进口 图 圆弧进口 图 别列辛斯基经验公式 上式适用于的情况 8 宽顶堰 直角进口 圆弧进口 8 宽顶堰 渠道里设置置有闸墩或边墩的宽顶堰 即堰宽小于渠道宽度的宽顶堰流将发生倾向收缩 引起水流分离 使宽顶堰主流的实际宽度bc小于堰宽b 水流阻力也因此增大 所以其泄流能力变小 用来反映侧收缩影响 2 侧收缩系数 8 宽顶堰 与堰宽与渠宽的比值 边墩的进口形状及进口断面变化有关 经验公式为 式中 a为墩形系数 矩形边缘a 0 19 圆形边缘a 0 10 8 宽顶堰 先说明宽顶堰的淹没条件 在自由出流条件下 由于进口处的流线收缩 而使而成急流 如右图所示 之后 若宽顶堰厚度足够长 堰顶水面近似于水平 堰顶水深 3 淹没系数 8 宽顶堰 随着下游水位上升 当hs略大于hc时 如图a所示 堰顶出现波水跃 收缩断面仍为急流 下游水位不会影响堰的泄流量 仍为自由出流 下游水位继续升高 以致收缩断面被淹没 如图 b 所示 当堰顶水流为缓流时就成为淹没出流 当水流进入下游明渠时 断面扩大 有一部分动能消耗于出口损失 另一部分将转化为位能 因此 下游水面高出堰顶水面 h 称为恢复水深 据分析 淹没出流时hs比hc大 而 那么hs究竟要多在才是淹没出流呢 8 宽顶堰 据实验 宽顶堰的淹没条件为 的大小取决于淹没程度 与成反比 可查表得 返回 8 实用堰与薄壁堰 其流量公式和宽顶堰相同 即 但式中m与宽顶堰不同 曲线型的实用堰m值在0 45 0 52之间 折线型实用堰则在0 35 0 42之间 和 的数值参图有有关书刊 一 实用堰 返回 8 实用堰与薄壁堰 根据堰口形状的不同 薄壁堰可分为矩形薄壁堰 三角形薄壁堰等 由于薄壁堰流具有稳定的水头与流量关系 一般多用于实验室及小河渠的流量测量 另外 曲线型实用堰的剖面型式和隧洞进口曲线常根据薄壁堰流水股的下缘曲线确定 因此研究薄壁堰流具有实际意义 二 薄壁堰 8 实用堰与薄壁堰 一 矩形薄壁堰流利用矩形薄壁堰测流时 为了得到较高的量测精度 一般要求 1 无侧收缩 堰宽与上游引水渠宽度相同 即B B0 2 下游水位低 不影响出流量 3 堰上水头H 2 5cm 因为当H过小时 出流将不稳定 4 水舌下面的空间应与大气相通 否则由于溢流水舌把空气带走 压强降低 水舌下面形成局部真空 出流将不稳定 故在无侧收缩 自由出流时 矩形薄壁堰流的流量公式为 8 实用堰与薄壁堰 为应用方便 可以把行进流速的影响包括在流量系数中去 为此 把上式改写为式中m0一考虑行近流速水头影响的流量系数 无侧收缩的矩形薄壁堰的流量系数可由雷保克公式计算 8 实用堰与薄壁堰 适用条件H 0 025m H P 2 式中H为堰顶水头 P为上游堰高 有侧收缩的矩形薄壁堰的流量系数可用板谷一手岛公式确定式中H为堰顶水头 P为上游堰高 B为堰宽 B0为引水渠宽 8 实用堰与薄壁堰 适用条件为 B0 0 5m 6 3m B 0 15m 5m H 0 03m 0 45B1 2m 0 06 当下游水位超过堰顶一定高度时 堰的过水能力开始减小 这种溢流状态称为淹没堰流 在淹没出流时 水面有较大的波动 水头H不易测准 故作为测流工具的薄壁堰不宜在淹没条件下工作 为了保证薄壁堰不淹没 一般要求Z P1 0 7 其中Z指上下游水位差 P1指下游堰高 8 实用堰与薄壁堰 二 三角形薄壁堰流当测量较小流量时 为了提高量测精度 常采用三角形薄壁堰 三角形薄壁堰在小水头时堰口水面宽度较小 流量的微小变化将引起水头的显著变化 因此在量测小流量时比矩形堰的精度较高 根据试验 直角三角形薄壁堰的流量计算公式为Q 1 4H5 2适用条件 H 0 05m 0 25m 堰高P 2H 渠宽B0 3 4 H 返回 8 小桥孔径水力计算 水流流经小桥孔 由于受桥台 桥墩的侧向约束 使过水断面减小 形成宽顶堰溢流 一般情况下 桥孔下坎高P P1 0 故小桥孔的过水是无底坎平底 i 0 的宽顶堰溢流 无坎宽顶堰流形式在工程上有很多 如经过平底水闸 无压涵洞及廊道进口处的水流等 因此可利用无坎宽顶堰的原理对上述相关工程的溢流能力进行计算 返回 8 小桥孔径水力计算 一 无坎宽顶堰的水力计算1 流量系数形式在无坎宽顶堰中 流量系数经验值包含了侧压缩的影响 即m m 因此由堰流基本公式可得式中 m 为包含侧收缩影响的流量系数 可据平面布置形成查 水力计算手册 s为宽顶堰淹没系数 8 小桥孔径水力计算 2 流速系数形式如图所示 以坎底为基准面 设1 1断面的总水头为H0 2 2断面的水深 即坎顶实际水深 为h2 平均流速为 两断面之间的损失为 对1 1与2 2断面列能量方程得即 式中 流速系数由试验给出 可查资料确定 一般 0 85 0 95 8 小桥孔径水力计算 二 无坎宽顶堰出流判别标准在无坎宽顶堰中 其判别出流标准如下 自由出流 ht1 3hc式中 ht为下游河槽水深 hc为临界水深 该判别标准与有坎宽顶堰的淹没判别式基本上是一致的 现说明如下 淹没出流 ht 1 3hc 8 小桥孔径水力计算 有 实验知m 0 32 0 38 取m 0 34 1 代入有 或1 3hc 0 8H0 8 小桥孔径水力计算 代入有坎宽顶堰的淹没出流条件式 得 无坎宽顶堰hs ht 返回 第一节概述 一 泄水建筑物下游的水流特征 8 堰下游水流衔接与消能 四川二滩电站 其泄洪流量上下游落差 余能的功率 冲刷破坏 恶劣流态 回流 波浪 折冲水流等 第一节概述 二 泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要形式 8 堰下游水流衔接与消能 底流式衔接消能 面流式衔接消能 挑流型衔接消能 一 泄水建筑物下游水跃衔接形式及其对消能的影响 第二节底流式衔接与消能 不需要消能 工程中采常采用稍有淹没的水跃衔接消能 即 8 堰下游水流衔接与消能 远离式水跃 临界式水跃 淹没式水跃 二 泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 第二节底流式衔接与消能 任意断面 矩形断面 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 坝的流速系数 为单宽流量 为坝前库水位与收缩断面底部的高程差 斯克列勃柯夫公式 水科院公式 8 堰下游水流衔接与消能 三 消能池的水力计算 挖深式消能池 第二节底流式衔接与消能 坎式消能池 综合消能池 8 堰下游水流衔接与消能 一 挖深式消能池的水力计算 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 1 池深s的计算 估算池深 计算建池后 计算水面跌落 校核 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 2 池长的确定 为平底自由水跃的长度 举例 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 3 消能池的设计流量 池深最大时对应的流量叫池深的设计流量 池长最大时对应的流量叫池长的设计流量 最大流量不一定是池深的设计流量 最大流量应为池长的设计流量 二 筑坎式消力池的水力计算 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 流量系数在初步计算时取 淹没系数查表9 2可得 消能坎为非淹没堰 消能坎为淹没堰 需校核坎后的水流衔接形式 考虑是否需要修建多级消能坎 四 消能池的辅助消能工 8 堰下游水流衔接与消能 第二节底流式衔接与消能 作用 类型 提高消能效率 缩短池长 减轻对池后的冲刷 趾墩 或称分流墩 消能墩 或称消力墩 尾槛 或称连续槛 第三节挑流消能的水力计算 8 堰下游水流衔接与消能 空中消耗了部分余能 水垫消能 下游局部冲刷 挑流引起的雾化水滴 一 挑距的计算 8 堰下游水流衔接与消能 第三节挑流消能的水力计算 一 空中挑距的计算 坝面的流速系数 8 堰下游水流衔接与消能 第三节挑流消能的水力计算 二 水下挑距的计算 入水角 二 冲刷坑的估算 8 堰下游水流衔接与消能 第三节挑流消能的水力计算 岩基冲刷坑 8 堰下游水流衔接与消能 第三节挑流消能的水力计算 冲刷坑后坡 许可的冲刷坑最大后坡 时 冲刷坑不会危及坝身的安全 举例 三 连续式挑坎尺寸的拟定 8 堰下游水流衔接与消能 第三节挑流消能的水力计算 一 挑坎形式 连续坎 差动坎 8 堰下游水流衔接与消