第七章堰流(环境)

1、1 第七章第七章 堰流堰流 堰：顶部过流的水工建筑物。主要作用堰：顶部过流的水工建筑物。主要作用是泄洪、调节流量和水位。是泄洪、调节流量和水位。 水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。第一节第一节 概述概述l堰、堰流的参数堰、堰流的参数 堰顶水头堰顶水头H上游堰高

2、上游堰高1P下游堰高下游堰高2P堰顶厚度堰顶厚度堰前断面堰前断面0-0行近流速行近流速0vH1P2P00v0堰宽堰宽 b下游水位高出堰顶下游水位高出堰顶的高度的高度67. 0H 不同不同类型类型的堰，有不同的外形、水头损失、过水的堰，有不同的外形、水头损失、过水能力。堰顶厚度对堰流影响最为重要。因此，常根据能力。堰顶厚度对堰流影响最为重要。因此，常根据堰顶厚度与堰顶水头比值大小划分堰流。堰顶厚度与堰顶水头比值大小划分堰流。堰的类型堰的类型1. 薄壁堰薄壁堰 H薄壁堰薄壁堰H67. 0 堰顶水舌形状不堰顶水舌形状不受堰顶厚度受堰顶厚度的影响，的影响，水舌下缘与堰水舌下缘与堰顶顶只有只有线的接触线

3、的接触，水面呈单，水面呈单一的自由降落曲线。一的自由降落曲线。根据堰口形状，有矩根据堰口形状，有矩形堰、三角堰和梯形形堰、三角堰和梯形堰。堰。 5 . 267. 0H2. 实用堰实用堰 实用堰实用堰HH 由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。能力。 水利工程中，常将堰作成曲线形和折线形，前水利工程中，常将堰作成曲线形和折线形，前者称曲线型实用堰，后者称折线型实用堰。者称曲线型实用堰，后者称折线型实用堰。105 . 2H3. 宽顶堰宽顶堰 堰堰顶顶对水流的对水流

4、的顶托作用明顶托作用明显显，在进口处，在进口处上上产生明显的水产生明显的水面跌落现象面跌落现象，堰堰顶水流在垂向顶水流在垂向上收缩，上收缩，有一段水流与堰顶几有一段水流与堰顶几乎平行，下游水位较低时，出乎平行，下游水位较低时，出堰水流二次水面降堰水流二次水面降。 宽顶堰宽顶堰H4. 上、下游水面上、下游水面光滑连续。光滑连续。 1. 水流或多或少受到溢流坝等建筑物的约束，从水流或多或少受到溢流坝等建筑物的约束，从而壅高上游水位。而壅高上游水位。 2. 过堰水流属于明过堰水流属于明渠急变流。渠急变流。 3. 水头损失主要是水头损失主要是局部水头损失。局部水头损失。 堰流的特点堰流的特点HP1v0

5、11v1P2008 第二节第二节 堰流的基本公式堰流的基本公式 堰有不同的类型，但堰流基本公式一致。堰有不同的类型，但堰流基本公式一致。对堰前断面对堰前断面0-0和堰顶断面和堰顶断面1-1列能量方程列能量方程基准面：通过堰顶基准面：通过堰顶的水平面。的水平面。 现以自由溢流现以自由溢流的无侧收缩矩形薄的无侧收缩矩形薄壁堰为例，推到堰壁堰为例，推到堰流基本公式。流基本公式。10基准面基准面0vH1v01(35) HgvgvpgvH2220212112200因因 ，令，令 ，可得，可得02pgvHH2200001121gHv012gHbeAvQ11式中：式中： ，为流速系数；，为流速系数；b为堰宽

6、；为堰宽； e为断面为断面1-1上水舌的厚度，可用上水舌的厚度，可用H0表示，即表示，即 e =kH0，则流量公式为：，则流量公式为：式中：式中： ，为堰流流量系数。，为堰流流量系数。km 5 . 102 HgmbQ 5 . 102 HgbmQ 若考虑行近流速，则流量公式为若考虑行近流速，则流量公式为其中其中5 . 1200021gHvmmv011v1P200HP1 反映局部水头损失的影响反映局部水头损失的影响 包括：堰顶水头、上游堰高包括：堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等、堰顶口边缘形状等反映堰顶水流垂直收缩的程度（反映堰顶水流垂直收缩的程度（1-1断面水舌厚度断面水舌厚度 kH）

7、k 代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比 ,kkmm 影响流量系影响流量系数的主要因素数的主要因素l 若下游水位较高，使堰的过水能力较小，此时若下游水位较高，使堰的过水能力较小，此时的堰流称为淹没出流，反之，为自由出流。的堰流称为淹没出流，反之，为自由出流。堰流基本公式进一步讨论堰流基本公式进一步讨论 l 若堰顶的过流宽小于上游河宽，此时的堰流出若堰顶的过流宽小于上游河宽，此时的堰流出现有侧收缩，反之，为无侧收缩。现有侧收缩，反之，为无侧收缩。淹没系数淹没系数1侧收缩系数侧收缩系数5 .102HgmbQ淹没出流淹没出流5 .1012HgmbQ有侧

8、收缩有侧收缩薄壁堰的堰口形状有矩形、三角形、梯形等。薄壁堰的堰口形状有矩形、三角形、梯形等。矩形薄壁堰矩形薄壁堰Bb三角形薄壁堰三角形薄壁堰Bb第三节第三节 薄壁堰薄壁堰 薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。壁堰。 矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。

9、为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足 1.H 2.5cm ，否则堰下形成贴壁流，出流不稳定，否则堰下形成贴壁流，出流不稳定2.水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定一一. . 矩形堰矩形堰HP1 0.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通气管通气管贴壁流动贴壁流动无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状（巴赞）无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状（巴赞） 薄壁堰通过测量堰顶水头薄壁堰通过测量堰顶水头H来推算流量，为方来推算流量，为方便，使用流量公式便

10、，使用流量公式5 . 102 HgbmQ 式中流量系数式中流量系数m0的值大致为的值大致为0.420.50，可以通过，可以通过实验测定，也可以使用经验公式计算。实验测定，也可以使用经验公式计算。HPHm0007. 0053. 0403. 010cm5 .2H21PHm3 .01P适用范围适用范围经验公式经验公式1（雷白克（雷白克(T.Rehbock) 公式）：公式）：6m.01 .0H21PHm22 .0b适用范围：适用范围：21055 .017200.0540.0PHHHm经验公式经验公式2（巴赞（巴赞 (Bazin)公式）：公式）： 若有侧向收缩（若有侧向收缩（B/b1），在相同的），在相

11、同的b、P1和和H条件下，巴赞公式中的流量系数条件下，巴赞公式中的流量系数m0用用mc替代，替代，21255 . 0103. 07200. 0540. 0PHHBbHbBHmc 若堰下游水位高于堰顶且下游出现淹没水跃时，若堰下游水位高于堰顶且下游出现淹没水跃时，用淹没系数用淹没系数对巴赞公式再进行修正。对巴赞公式再进行修正。322 . 0105. 1HzP式中，式中，为下游水位高出堰顶的高度；为下游水位高出堰顶的高度；z为堰上、为堰上、下游水位差。于是，流量为下游水位差。于是，流量为5 .102HgbmQ二二. . 三角堰三角堰 测量较小流量（例如测量较小流量（例如 Q 0.1m3/s ）时，为增大）时，为增大水头，以提高测量精度，常采用三角形薄壁堰。堰口水头，以提高测量精度，常采用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，但常用直角。夹角可取不同值，但常用直角。BbH三角形薄壁堰三角形薄壁堰5 .20HCQ 三角形薄壁堰流量公式：三角形薄壁堰流量公式：当堰口夹角当堰口夹角 时，时，90HC001055. 0005. 02cot2tan0195. 0553. 02tan361. 2021009. 02 . 014. 0004. 0354. 1BHPHC当堰口夹角当堰口夹角 时，时，9