第二讲：堰流的基本概念

水力分析与计算主讲人：沈汉堰流堰流堰流及堰流分类堰流水力计算基本公式不同种类堰流的计算一、堰流及堰流分类堰凡是对水流有局部约束，且顶部自由溢流的建筑物称为堰。上游水位壅高，水流趋近堰顶时，流线收缩，流速增大，具有明显的水面降落。堰流的水力特征堰流经过堰顶自由下泄的水流称为堰流。一、堰流及堰流分类薄壁堰𝛿<0.67𝐻实用堰：曲线型和折线型0.67𝐻<𝛿<2.5𝐻宽顶堰2.5𝐻<𝛿<10𝐻

在实际工程中，根据不同的使用要求和施工条件，常将堰做成不同的形状，如图所示。一般根据堰顶厚度δ与堰顶水头H的关系进行分类。二、堰流水力计算基本公式通过对各种堰的计算断面列能量平衡方程得到：B——堰顶过水断面净宽m——流量系数该公式式说明，过堰流量与堰上总水头的3/2次方成正比，流量系数m与φ、k、ξ系数值有关。流速系数φ值主要反映流速分布不均匀的程度和局部阻力对堰流的影响。k值主要反映过堰水流垂直收缩程度；ξ值反映急变流过水断面上动水压强不按直线分布的影响。由以上分析可知，φ、k、ξ三个系数的值主要取决于堰的边界条件及堰前水头H。二、堰流水力计算基本公式在堰流水力计算中，还要注意以下几个方面：根据下游水位是否影响堰的过流，将堰流分为两类：自由出流和淹没出流。自由出流是指下游水位较低，不影响堰的过流能力时的水力现象；而当下游水位较高时，影响堰的过流能力时，称淹没出流。但在什么情况下，下游水位才影响堰的过流能力，对于不同的堰型有不同的确定方法，在计算时用淹没系数σs来表示淹没程度。当堰流为淹没出流时，σs<1；为自由出流时，σs=1。当堰顶的过流宽度B小于堰前的引水渠宽B0时(如堰顶设有闸墩和边墩等)，引起过流的侧向收缩，影响了堰的过流能力，这种堰流称为有侧收缩的堰流。侧收缩的影响程度用侧收缩系数ε来表示。当有侧向收缩时ε<1；当无侧向收缩时，ε=1。二、堰流水力计算基本公式考虑各种因素的影响，堰流的一般流量公式为

B——当有闸墩时，堰顶过水断面总净宽

n——孔数

b——闸孔宽度

ε——侧收缩系数

σs——淹没系数

m——流量系数三、不同种类堰流的计算——（1）薄壁堰常见的薄壁堰，根据堰板的开口形状，分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰和梯形堰等，如图所示。由于薄壁过堰水流不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶呈线性接触，水面为单一跌落曲线。实践证明，自由出流时具有稳定的压强分布和流速分布，作用水头与流量的关系非常稳定，量测流量的精度高，故薄壁堰一般用于实验室和小型渠道上的流量测量。三、不同种类堰流的计算——（1）薄壁堰在实验室量测较小流量时，若用矩形堰时水头过小，测量精度降低。为了提高测量精度，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显著的水头变化，在量测小流量时比矩形堰的精度高。直角(θ=90°)三角形薄壁堰的流量计算公式为：Q=1.343H2.47

式中，H以m计，Q以m3/s计。以三角形薄壁堰为例三、不同种类堰流的计算——（2）实用堰在实际工程中，实用堰根据制面形状，可分为折线形实用堰和曲线形实用堰两类。折线形实用堰适用于中、小型溢流坝，具有取材方便和施工简单等优点。曲线型实用堰在水利工程中应用广泛，常用于混凝土修筑的中、高水头溢流坝，堰顶的曲线形状与自由溢流水舌下缘形状相符合，可提高过水能力，这里主要介绍曲线型实用堰。三、不同种类堰流的计算——（2）实用堰实用堰流量计算公式与堰流水力计算基本公式相同，即关键问题还是根据不同边界和水流条件，查找规范和相关公式确定相应的流量系数m、淹没系数σs和侧收缩系数ε。三、不同种类堰流的计算——（3）宽顶堰泄水建筑物和引水建筑物中，除了采用曲线型实用堰外，采用宽顶堰的也很多，如水库的溢洪道进口，闸孔全开或无压涵管和涵洞进口、隧洞进口、施工围堰的水流等均发生宽顶堰流，宽顶堰流量计算公式与堰流水力计算基本公式相同，即：关键问题还是根据不同边界和水流条件，查找规范和相关公式确定相应的流量系数m、淹没系数σs和侧收缩系数ε。需要注意的是宽顶堰计算时，要注意行近流速水头的影响。宽顶堰在堰高较小或无坎的情况下，行近流速水头往往可占总水头相当大的比重。未来职业岗位的应用未来职业岗位的应用学习完本节课的知识，同学们应该能在查阅相关规范的情况下去确定堰流计算的参数，进而进行堰流的水力计算，核算下泄流量；并通过调洪演算确定大坝、围堰等挡水建筑物高度；也可以计算下泄单宽流量来确定大坝的运行稳定情况。从而为水工设计、施工组织提供重要支