第九章 堰流与闸孔出流

第九章堰流与闸孔出流9.1堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？答：堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。薄壁堰流的特点：当水流趋向堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状，不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线。实用堰流的特点：由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。宽顶堰流的特点：堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显。进入堰顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过流断面逐渐减小，流速增大，在进口处形成水面跌落。此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行。9.2堰流计算的基本公式及适用条件？影响流量系数的主要因素有哪些？答：堰流计算的基本公式为，适用于矩形薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流。影响流量系数m的主要因素有局部水头损失、堰顶水流垂向收缩的程度、堰顶断面的平均测压管水头与堰上总水头之间的比例关系。9.3用矩形薄壁堰测量过堰流量，如何保证较高的测量精度？答：（1）上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶；（2）堰顶水头不宜过小，一般应使H>2.5m，否则溢流水舌受表面张力作用，使得出流不稳定；（3）水舌下面的空气应与大气相通，否则溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，会导致出流不稳。9.4基本的衔接与消能措施有哪几种？各自的特点是什么？答：基本的衔接与消能措施有底流消能，挑流消能，面流消能。底流消能：底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃的发生位置，通过水跃产生的表面旋滚的强烈紊动以达到消能的目的。挑流消能：在泄水建筑物末端设置挑流坎，因势利导将水股挑射入空气中，使水流扩散并与空气摩擦，消耗部分动能，然后当水股落入水中时，又在下游水垫中冲击、扩散，进一步消耗能量。面流消能：当下游水深较大而且比较稳定时，可将下泄的高速水流导向下游水流的表层，主流与河床之间被巨大的底部旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷。同时，依靠底部的旋滚消耗部分下泄水流的余能。9.5水跃衔接的形式有哪几种？工程上采用哪种形式的水跃衔接，为什么？答：水跃衔接的形式有3种形式，分别是临界水跃，远离水跃，淹没水跃。远离水跃的跃前断面与建筑物之间有一急流段，流速大，对河床有冲刷作用，如果用这种方式消能，就必须对这段河床进行加固，工程量大，很不经济，所以工程上不采用远离水跃与下游水流衔接。淹没水跃衔接在淹没程度较大时，消能效率较低，也不经济。对于临界水跃，不论其发生位置或消能效果在工程上都是有利的，但这种水跃不稳定，如果下游水位稍有变动，就转变为远离水跃或淹没水跃。因此，综合考虑，采用淹没程度较小的淹没水跃进行衔接与消能较为适宜，在进行泄水建筑物消能设计时，一般要求=1.05~1.1。9.6自由溢流矩形薄壁堰，上游堰高=3m，堰宽和上游渠宽相等均为2m，0.5m，求流量Q（流量系数）。解：9.7一铅垂三角形薄壁堰，夹角90°，通过流量Qm3/s，求堰上水头。(H=0.05~0.25m时,；H=0.25~0.55m，)解：假设堰上水头H=0.05~0.25m，由公式，计算得到,不满足假设条件。由公式，计算得到，满足H=0.25~0.55m，所以堰上水头。9.8某水库的溢洪道采用堰顶上游为三圆弧段的WES型实用堰剖面。堰顶高程为340m，上下游河床高程均为315m，设计水头m。溢洪道共5孔，每孔宽度10m，闸墩墩头形状系数，边墩为圆弧形，其形状系数。求当水库水位为355m，下游水位为332.5m时，通过溢洪道的流量。设上游水库断面面积很大，行近流速V0≈（）解：流量计算公式为，其中，因为，所以，，，因为，为自由出流，，，，，得到9.9某溢流坝采用梯形实用堰剖面。已知堰宽及河宽均为15m，上、下游堰高均为4m顶厚度=2.5m。上游堰面铅直，下游堰面坡度为1：1。堰上水头m，下游水面在堰顶以下0.5m。求通过溢流坝的流量Q。（不计行近流速）折线型实用堰的流量系数表下游坡度a:bP1/Hδ/H2.01.00.750.51:12~30.330.370.420.461:22~30.330.360.400.421:30.5~20.340.360.400.421:50.5~20.340.350.370.381:100.5~20.340.350.360.36解：由已知条件，得到无侧向收缩，；自由出流，；，，，，查表得到流量系数，9.10图为通过宽顶堰的自由出流，试证明堰顶水深为。证明：宽顶堰自由出流时的堰顶水深，可用巴赫米切夫理论分析。巴赫米切夫最小理论假设：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，在堰顶具有最小能量。当堰顶为水平时，最小单位能量时的水深就是临界水深hc，即堰上水深等于临界水深hc。列断面1-1、c-c的伯努利方程令流速系数，设，则局部水头损失系数。又有临界水深与临界流速的关系为。将ζ和hc的关系式代入上式，得整理后得到堰顶水深9.11有一无侧收缩宽堰自由出流，堰前缘修圆，水头m，上、下游堰高均为0.5m，堰宽2.5m，边墩为圆弧形。求过堰流量Q。（，不计行近流速）改正：9.11有一无侧收缩宽堰自由出流，堰前缘修圆，水头m，上、下游堰高均为0.5m，堰宽2.5m。求过堰流量Q。（，不计行近流速）解：由已知条件，得到，，，9.12有一具有直角前缘的单孔宽顶堰自由出流，已知堰上水头1.8m，上、下游堰高均为0.5m，堰上游渠宽m，堰顶宽度，边墩为圆弧形，求通过流量Q。（，，不计行近流速）解：自由出流，，，，，9.13试证明宽顶堰上闸孔自由出流的流量计算公式为。（注：断面为矩形）证明：写出闸前断面0-0和收缩断面c-c的能量方程：收缩断面水深hc0可表示为闸孔开度e与垂向收缩系数ε2的乘积，即。当断面为矩形时，，于是式中，，称为流量系数。9.14有一平底闸，共6孔，每孔宽度m，闸上设锐缘平面闸门。已知闸上水头m，闸门开启度m，自由出流，不计行近流速，求通过水闸的流量Q。改正：9.14有一宽顶堰，共6孔，每孔宽度m，堰上设锐缘平面闸门。已知闸上水头m，闸门开启度m，自由出流，不计行近流速，宽顶堰闸孔取0.95。求通过水闸的流量Q。锐缘平面闸门的垂向收缩系数ε2e/H0.100.150.200.250.300.350.40ε20.6150.6180.6200.6220.6250.6280.630e/H0.450.500.550.600.650.700.75ε20.6380.6450.6500.6600.6750.690