堰流及堰下游的水流銜接

1、工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接第八章堰流及堰下游的水流銜接【教學(xué)基本要求】1、了解堰流、閘孔出流的流動特點和區(qū)別，掌握堰流和閘孔出流互相轉(zhuǎn)化的條件。2、掌握堰流的分類和計算公式，掌握實用堰、寬頂堰的水力計算方法，會進行流量系 數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒條件和淹沒系數(shù)的確定方法，重點掌握寬頂堰流的水力計算。3、了解橋、涵過流的水力特征和水力計算方法。4、掌握閘孔出流的計算公式和水力計算方法，能正確確定閘孔出流的流量系數(shù)和淹沒 系數(shù)。5、了解泄水建筑物下游的水流特點和銜接消能方式，掌握底流消能的水力設(shè)計方法， 會進行消力池尺寸的計算。【學(xué)習(xí)重點】1、堰流的分類和計算公式，掌握實用

2、堰、寬頂堰的水力計算方法；2、流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒條件和淹沒系數(shù)的確定，重點掌握寬頂堰流的水力計 算。3、小橋、涵過流的水力特征和水力計算方法?！緝?nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】這一章的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)堰、閘和橋涵的過流特性和水力計算以及水躍消能的水力設(shè)計。學(xué)習(xí)本章我們要了解堰流和閘孔出流的特點和互相轉(zhuǎn)化的分界條件，以便正確選擇對應(yīng)的公式進行設(shè)計計算。本章有眾多的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗系數(shù)，我們要了解公式中各種系數(shù)的物理意義和影響因素，眾多的經(jīng)驗公式不必強記，但要會利用公式或圖表來確定計算中所需的流量系數(shù)、淹沒系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)的數(shù)值。158工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接堰流的類型及計算

3、公式一、堰流的類型堰流：在明渠流中，為控制水位或控制流量而設(shè)置構(gòu)筑物，使水流溢過構(gòu)筑物的流動稱為堰流。溢經(jīng)該構(gòu)筑物的水流發(fā)生收縮與跌落的水流現(xiàn)象稱為堰流。堰流的水力特征概括如下：.堰的上游水流受阻，水面壅高，勢能增大；.在重力作用下，流經(jīng)堰的水流產(chǎn)生跌落，同時在離心慣性力作用下，水流斷面產(chǎn)生收縮；.整個堰流過程是勢能積聚并重新轉(zhuǎn)化為動能的過程；.緩流向急流連接作急變流，流線發(fā)生顯著彎曲；水流內(nèi)部存在離心慣性力；.堰流中心以局部阻力為主，很小的沿程損失可忽略不計。堰頂厚度對堰流的跌落，收縮和水頭損失等方面產(chǎn)生影響，根據(jù)試驗資料，隨堰頂厚度8與堰頂水頭H比值不同，堰流及堰可分為三種類型，即：.壁堰

4、流及薄壁堰即0.67 ,越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只有線的接H觸，水面呈單一的降落曲線，對應(yīng)地稱為薄壁堰。1-8 圖.實用堰流及實用堰即0.67 2.5,由于堰坎加厚，水舌下緣與堰頂呈面的接觸，水舌受到堰頂?shù)募sH束和頂托，但這種影響還不大，越過堰頂水流主要還是在重力作用下自由跌落，這類堰的159工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接l;E剖面可呈折線型或曲線型。.寬頂堰流及寬頂堰即2.5 10,在此條件下， H堰坎厚度對水流的頂托作用已經(jīng)非常 明顯，時入堰頂?shù)乃?，受到堰頂?直方向的約束，過水斷面漸小，流速加大，由于動能增加，勢能必然減??；再加上水流

5、進入堰頂時產(chǎn)生局部能量損失；所以, 進口處形成水流跌落。此后，由于堰頂對水流的頂括作用，有一段水成與堰頂幾乎平行,當下游水位較低時，出堰水流又產(chǎn)生第二 次水面跌落。實驗表明，寬頂堰流的水頭 損失仍然主要是局部水頭損失，沿程水頭 損失可以略去不計。（水流接近堰頂時，由于流線收縮， 流速加大，自由表面也將逐慚下降，習(xí)慣上把堰前水面列明顯下降的 00斷面叫做堰前斷面；該斷面堰頂以上的水深叫堰頂水頭，以H表示；堰前斷面的流速稱為行近流速V。實測表明，堰前斷面距上游壁面的距離此外，對每一種堰，又可以從不同角度分為：自由出流（下游水位不影響堰的泄流量） 和淹沒出流（下游水位影響堰的泄流量）；有側(cè)收縮堰（溢

6、流寬度小于上游行近渠道的寬度） 和無側(cè)收縮堰。二、堰流的基本公式勿豆它是指以矩形薄壁堰，實用堰和寬 頂堰均適用的普遍流量公式。如圖所示，以矩形薄壁堰自由出流 為例推導(dǎo)。通過堰頂取基準面0 - 0 ,在堰上 流（3-4） H處取漸變流斷面1 ,過 基準面與舌中線的交點取斷面2 ,據(jù)試160工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接驗，斷面2為漸變流斷面。對斷面1、2列能量方程:22曲上Z2比V- hw式中:2g2g乙 H ,Z20；史白 0 （二者皆通大氣）Vi V2 （行近流速）；0,2,V2 V,hwV22g0V02 2gH0 （E為堰的局部水頭損失）(8.2)將上述關(guān)系代入能量

7、方程得:H02g2g(8.3). 一1 :(8.4)整理得：2gH0,.2gH0式中：稱為流速系數(shù)，（1,1）。設(shè)斷面2的水舌厚度為 KH , K為與水舌垂向收縮情況有關(guān)的系數(shù)，而溢流寬度為b ,則A2 KHb ,通過堰的流量為:(8.5)32b,2gH。人k令m（ m為流量系數(shù)）則Q mbqZgH/2（8.6）以上推導(dǎo)沒有考慮下游水位的淹沒影響及側(cè)收縮影響，由于這兩種影響均使過堰流量減少。所以，要把這兩種影響也反映到公式中來， 那就要再乘以淹沒系數(shù) 和側(cè)收系數(shù) （ 和 均小于1 ；當不淹沒和無側(cè)收縮時為1） ,于是上式變?yōu)椋?61工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接3Q m

8、b 2gH，（8.7）這就是堰流的普遍公式，雖是以薄壁堰推導(dǎo)而得，但仍有失其普遍性，因為三種堰的物理本質(zhì)并無差異，其間的差別僅體現(xiàn)在流量系數(shù)m,淹沒系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù)的確定方法及數(shù)值上。寬頂堰、寬頂堰的流量公式在自由出流下，水流在進口附近有收縮現(xiàn)象，如下圖中收縮斷面c c,當堰壁厚度4H時，水位在收縮面以后略有回升，并在堰頂上形成近似水平的流段，這與薄壁堰和實用堰的水舌形狀很不同。3 3對寬頂堰的流量公式除 Q mb、，：2gH02和Qmb、：2gH。1外，還有另外常用的形如上圖所示，斷面2取在堰頂水面近似水平的流段內(nèi),寫斷面1、2式，現(xiàn)推導(dǎo)如下：以堰頂為基準面,的能量方程：化簡，得222oV0

9、1V V HYPERLINK l bookmark122 o Current Document H h 一2g 2g 2g2V HYPERLINK l bookmark38 o Current Document Ho h ()-2g(8.8)(8.9)162工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接-1 解得=q2g(H。h) 42g(H。h)(8.10)V式中：為流速系數(shù)。過水面積A bh,則Q bh 2g(H0 h)(8.11)上式中，若令h kH,再合并有關(guān)系數(shù)，同樣可得堰流的基本公式。此外，在式(8.11)中，當V00時，即H0 H,則因H h Z, (8.11)寫為：Q

10、bh 2gz(8.12)式中：Z為上游水位與堰頂水位之差。(8.11)、(8.12)同為寬頂堰自由出流的公式。二、寬頂堰的堰頂水深(h )關(guān)于寬頂堰自由出流時的堰頂水深，以巴赫米切夫理論為例，分析如下：巴認為：萬物在重力場作用下，總要跌落到能量最小的地方，堰流也一樣， 在堰頂亦具有最小能量，即當堰頂為水平時，單位機械能就是斷面單位比能ES,即堰上水深為hkO據(jù)巴氏理論，堰上水深 h hk與總水頭的關(guān)系仍參考上圖加以推導(dǎo)，但此時V Vk o列斷面1、2的能量方程:因此hcHo2 oV0 2ghc2 CVC 2gVc22gVc22 子,Ho2g,1 .hc - hc212163oV。22g11)

11、hc2工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接若不計阻力,1,則h hc - Ho ；若考慮阻力,3, ，一 2,1, h則略小于一Ho。3以上理論分析所得的結(jié)論與試驗結(jié)果相一致。三、流量系數(shù)（m）,側(cè)收縮系數(shù) ，淹沒系數(shù)1.流量系數(shù)（m）據(jù)以上巴氏理論，當 h，2 . r,hc -Ho （即不計阻力時中=1）。3與堰流基本方程當 1時，m口開形式，水頭H ,B3Ho佃(Ho 230.385 B,2gHo3Q mBv2gH/比較，得：m 0.385 。0.385,這是寬頂堰流量系數(shù)的理論最大值，實際上堰高p有關(guān)，可以由經(jīng)驗公式或表查取。(8.17)m與寬頂堰的進別列辛斯基經(jīng)驗公式

12、:直角進口圓弧進口,PH3, m3, m3, m3, m0.320.320.360.36(8.18)0.01 0.4630.01 1.2H0.75 HaHa1.5H(8.19)上式適用于r0.2H 0的情況。直角進口圓弧進口164工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接2.側(cè)收縮系數(shù)渠道里設(shè)置置有閘墩或邊墩的寬頂堰，即堰寬小于渠道寬度的寬頂堰流將發(fā)生傾向收縮，引起水流分離，使寬頂堰主流的實際寬度bc小于4g寬b ,水流阻力也因此增大，所以其泄流能力變小。bc用一來反映側(cè)收縮影響。bb與堰寬與渠寬的比值 一，邊墩的進口B形狀及進口斷面變化（O）有關(guān)，經(jīng)驗公式為:HI一溢流寬度(8.

13、20)式中：A為墩形系數(shù)，矩形邊緣 b 0.19;圓形邊緣a 0.10。3:淹沒系數(shù)先說明寬頂堰的淹沒條件。在自由出流條件下，由于進口處的流線收縮，而使hc0 hc而成急流，如圖1所示hc0 hc,之后，若寬頂堰厚度足夠 c c長，堰頂水面近似于水平，堰頂水深h hc。隨著下游水位上升，當 hs略大于hc時，如下圖a所示，堰頂出現(xiàn)波水躍，收縮斷面仍為急流，下游水位不會影響堰的泄流量，仍為自由出流。下游水位繼續(xù)升高，以致收縮斷面被淹沒，如（b）所示，當堰頂水流為緩流時就成為淹沒出流。當水流進入下游明渠時， 斷面擴大，有一部分動能消耗于出口損失，另一部分將 轉(zhuǎn)化為位能。因此，下游水面高出堰頂水面h

14、 ,稱為恢復(fù)水深。據(jù)分析，淹沒出流時hs比hc大,而hc 0.67H 0,那么hs究竟要多在才是淹沒出流呢?165工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接據(jù)實驗，寬頂堰的淹沒條件為:hs i 0.8Ho(8.21)8的大小取決于淹沒程度，8與hs ,.一hs成反比，8可查表得。Ho 8- 3實用堰與薄壁堰、實用堰其流量公式和寬頂堰相同，即：3(8.22)Q mb. 2gH 2但式中m與寬頂堰不同，曲線型的實用堰m值在0.45 0.52 2之前，折線型實用堰則在0.35 0.42之間， 和的數(shù)值參圖有有關(guān)書刊。、薄壁堰1：矩形薄壁堰薄壁堰堰壁厚度不影響水舌形狀，水頭相對不大，且上游

15、行近渠道一般建造的比較規(guī)則，3eV/為間便甘，在公式 Q mb72gHo中，用水頭H代替H 。，而把 的影響并入流重系2g數(shù)考慮，于是有： 3Q m0b 1 2g H 2(8.23)式中m0是包括行近流速影響在內(nèi)的流量系數(shù)，也稱為流量系數(shù)，m0大致在0.40 -0.50之間，可用經(jīng)驗公式計算：mo (0.405 0.0027) 1 0.55()3(8.24)HH h上式的應(yīng)用范圍是：堰寬 b 0.22.0m;堰高 h 0.24 0.75m ;堰上水頭 H 0.05 1.24m 0166工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接2:三角形薄壁堰堰口橫斷面形狀為三角形，一般采用90圖8

16、-9三角形堰，也可采用式：Q mb. 2gH(8.25)由實驗可得m0 0.158。因為 90 ,所以堰頂水成寬 b 2H ,代入上式可得：一2 5Q 1.4H .(8.26)式中Q單位以m3 / s計，H以m計。實際上在堰口的水深并不等于H,由實驗得出的三角形薄壁堰流的經(jīng)驗公式：Q 0.0154H 2.47(L/s)(8.27)該式適用于 H 0.05 0.25m,式中H以cm計。3：梯形薄壁堰堰口橫斷面成梯形， 一般為14,即tg 0.25 ,該堰可以看作三角形和矩形的組合：一三J-T-Q m1bv；2gH1.5(8.28)H據(jù)實驗m10.42 ,得:匚 ZT工一Q 0.42b V19.6

17、H 1.5 1.86bH 1.5 (m3 / s) (7.29)圖 8-10式中：B、H單位均以m計，適用于b 3H。實驗證明，當梯形二腰成14角時，傾斜部分所增加的流量正好抵消側(cè)向收縮所減小的流量，有傾收縮的14的梯形堰作自由出流時，其流量和沒側(cè)收縮的自由出流矩形堰相同。167工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接堰流、閘孔出流的特點和區(qū)別(1)堰流和閘孔出流的特點：堰流和閘孔出流都屬于急變流，都是壅高水位以后，靠 重力作用形成的水流運動，其能量損失以局部水頭損失為主。堰和閘都是屬于控制建筑物， 用于控制水位和流量。(2)堰流和閘孔出流的區(qū)別：堰流的上部不受閘門控制，水流自由

18、表面是連續(xù)光滑的；而閘孔出流正好相反， 由于受到閘門的控制， 自由表面被閘門截斷。 堰流和閘孔出流的這種 差異導(dǎo)致它們的水流特征、過水能力和規(guī)律都不相同。(3)堰流與閘孔出流是密切相關(guān)的，當閘門開度e大于一定值，閘門底緣對水流沒有約束時，閘孔出流轉(zhuǎn)化為堰流。其判別標準是：閘底坎為平頂寬頂堰時：e/ H 0.65為堰流；閘底坎為曲線型寬頂堰：e/H0.75為堰流。閘門主要分為平板閘門和弧形閘門，閘底板形式也可分為寬頂堰和曲線型實用堰。(1)閘孔出流的特征寬頂堰上的閘孔出流存在收縮斷面，收縮斷面水深為hch c = s 2 e(7 6)式中：e是閘門開度， 2是閘孔出流量收縮系數(shù)，取決于閘門形式、

19、相對開度、閘底坎型 式，對于平板閘門和弧型閘門分別查教材中的表7 14和表7 15。曲線型實用堰上的閘孔出流，只有在堰下游坡角處才存在收縮斷面，hc的計算見本教材第7.5.2節(jié)。(2)閘孔出流計算公式Q用be J2gH0(7 7)e式中：是閘孔流量系數(shù)，取決于閘門形式、相對開度一和閘底坎型式。b是閘孔寬度；eH是閘門開度；b S是閘孔出流的淹沒系數(shù)，與根據(jù)閘門型式及邊界條件確定，bs與潛流比h一b有關(guān)，由圖7 33查得。H hc注意：對比堰流和閘孔出流的計算公式，我們可以看到堰流的流量Q H / 2 ,而閘孔出流的流量 Q H ；2。這是堰流與閘孔出流的重大區(qū)別，由閘門下緣是否對水流施加約束造

20、成的。利用堰流過流能力隨水頭迅速增加的特點，可以迅速將洪水泄排向下游；但堰頂?shù)母叱梯^高，不能排沙或放空水庫進行檢修，而閘孔出流可以完成這個任務(wù)。在大中型水利工程中，通常都設(shè)有堰和中孔或底孔，分別用來完成控制水位、流量和排沙的不同任務(wù)。 由于深孔閘門的設(shè)計要求和造價較高，對于小型水庫有時不設(shè)深孔排水和排沙，這樣容易使水庫造成淤積而興利效益減小。168工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接小橋孔徑水力計算、小橋孔徑水力計算原則和水力圖式因為流經(jīng)橋孔水流的水力圖式類似于寬頂堰，因此寬頂堰理論被應(yīng)用于小橋的水力計算中，同寬頂堰一樣，按照小橋下游水流對橋孔出流的不同影響，小橋的出流也有自

21、由出流和淹沒出流之分。據(jù)實驗，橋下水深ht 1.3hk時，自由出流;據(jù)實驗，橋下水深ht 1.3hk時，淹沒出流;據(jù)實驗，橋下水深., . 、hk為橋孔內(nèi)的臨界水深。設(shè)橋孔寬度為b ,考慮側(cè)收縮的影響，橋孔主流寬b,則:hkQ2(b)2g(8.30)將Qmb商H0.5代入（8.30）得hk3 2m2H0(8.31)m值取為0.34 。hk0.614H01.3hk0.8H0這與寬頂堰的淹沒條件是等價的。按寬頂堰理論分析，自由出流條件的小橋水流情況是,水流在進入橋孔（相當于寬頂堰頂）后形成一個收縮水深 hc （如下圖a）,而hc hk,值視小橋進口形式和水流收縮情況而定。但在目前小橋設(shè)計中常采取下

22、述的水力圖式進行計算:（如下圖b、c）。Hhkht卜）(C)圖 8-11Vt當7I11 =vKg I XI ht169工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接、自由出流時小橋水力計算1.求hk：對于自由出流，橋孔水深h hk,取Vk V（允許流速），即:bhk(8.32)22hk V(8.33)hk3(8.34)hk(8.35)據(jù)給出的V,即可算出hk的初始值。-J-t-. 一 . .QhV2.若ht 1.3hk ,則假設(shè)成立，按上圖 b所示，橋孔孔徑:(7.36)gQV 2據(jù)小橋結(jié)構(gòu)標準尺寸， 選用一個與計算的b較接近，但應(yīng)稍大于b的標準孔徑（凈孔尺 寸）L,作為計算結(jié)果。3:

23、據(jù)選用孔徑L,復(fù)算 hk(7.37)式中 值可據(jù)橋臺形狀，查表。因為L b,由上式算出的hk小于前面算得的hk ,這樣有可能出理原先由（8.37）試算 時屬于自流出流（即 ht 1.3hk）的情況，因L b ,即隨hk的減小，而改變成ht 1.3hk 的淹沒出流，如果這樣，那么就按淹沒出流條件，重新計算。4：若經(jīng)過復(fù)算，仍為自由出流，則 L可不改變5:復(fù)核橋前壅水深度 H170hKQ2 2g0Vo22g(7.38)工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接若忽略行近流速，則hK1 VjQ2 2g(7.39)假如由L算得的H值小于橋前允許的壅水深度 H ,那么L即為最后解答，否則要重

24、新計算，采用一個較大的L，在計算過程中仍要復(fù)核hk，檢查是否有自由出流改變?yōu)檠蜎]出流的可能性。三、淹沒出流時小橋水力計算計算橋孔孔徑：（水力圖示如圖C所示）QhtV(8.40)選用L, L b,所以橋下流速:VtQ hL(8.41)對于淹沒出流的水力計算，不必復(fù)核hk。復(fù)核橋前壅水深度 H。Hht_1 Vt2oVo22 2g2g若允許忽略V-,則：H ht_1 Vt202g2 2g(8.42)171工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接 8-5堰下游水流銜接與消能一、堰下水流銜接和消能方式堰下水流銜接狀態(tài)和所取消能方式有關(guān)，消能方式及消能措施的取用決定于水流條件，河床地質(zhì)與地形

25、因素和工程應(yīng)用條件。堰下水流銜接和消能方式有：.底流型銜接和消能堰下水流（急流）貼河低射出，通過有控制地發(fā)生水躍消能后水流平緩地進入下游水體。（圖A）圖 8-12.面流型銜接和消能溢洪道未端的“跌坎”，將下泄水流的主流射向下游水體的表層，避免直接沖刷河床（圖B）,河床與高速的表層水流間的漩滾區(qū)消減水流部分能量。.推流型銜接和消能下泄水流經(jīng)過溢洪道末端的推流鼻坎，被推射入空中，而生落入距離建筑物較遠處下游水體（如圖C）,水流經(jīng)擴散，摻氣，紊動摻混等作用被消除部分機械能。面滾(d)底滾圖 8-13172工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接.庠流型銜接和消能溢洪道末端形成一個具有較

26、大反弧半徑和較大推角的面庠勺的消能庠（如圖D）,經(jīng)庠泄出的高速水流被下游較高水體的頂托，在庠內(nèi)形成表面漩滾，貼庠底射出的主流，被推起涌浪，在庠后主流下產(chǎn)生一個反向的底部漩，有時在涌浪后出現(xiàn)一個小的漩滾。二、堰下底流銜接分析.底流銜接的三種情況：由于收縮斷面水流一般呈急流，河道下游水流一般為緩流，二者通過水躍連接。以收縮水深 作為躍前水深h,則躍后水深hhc，據(jù)下游河段的水深 兒與幾的相對大小，水躍發(fā)生的位置將有所不同，因而出現(xiàn)三種底流銜接情況。臨界水躍銜銜接：即ht hc躍前斷面恰好在收縮為面，（如圖A）遠離水躍銜接：即ht hc ,共軻水深的關(guān)系可知， 較小的躍后水深對應(yīng)較大的躍前水深， 因

27、此水流從 收縮斷面起經(jīng)過一段急流后，使水深由 hc增加至h（即相應(yīng)于下游水深 ht的躍前水深）再 發(fā)生水躍。（圖B）淹沒水躍：即ht hc ,這個下游水深要求一個比 hc更小的躍前水深hi與之相對應(yīng)，而收縮斷面 水深二是建筑物下游的最小水深，所以不可能再找到一個比 兒更小的水深，若下游水深滿 足上述關(guān)系時，水躍只能淹沒收縮斷面，形成淹沒水躍。（圖C）173工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接必須已知收從以上分析可知，要判別建筑物下游水躍發(fā)生的位置，即判別水躍的形式, 縮斷面水深hc,下面介紹hc的計算。三、收縮斷面水深hc的計算圖 8-15以溢流壩為例。如上圖所示。設(shè)流量為Q

28、 ,行近流速為Vo,壩上水頭為H以收縮斷面的最低點為基準面,對壩前斷面1和收縮斷面c列能量方程，則有:化簡,Ho式中:用Vc2ghc22cV c V c2g2g(8.43)hc (8.44)H o 一總水頭代入上式得:Hohc(7.45)6為溢流壩得流速系數(shù)。（Ac為收縮斷面面積）代入上式，得 Ac(8.46)Q2Ho hc 士及174工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接對于矩形斷面河渠，Q= 9b, A。hcb, b為河渠底寬，則有：2 q Ho hc 2 2(8.47)2g 2h：以上各式中，q,h,Vo,Ho是已知的，的影響因素較多，它與進口形式、壩面粗糙程度、壩高、壩

29、上水頭等有關(guān)，其值一般由經(jīng)驗確定。式 (8.46)和(8.47)為hc的三次方程，一般用試算法求解，對于矩形斷面河渠，hc也可用圖解法求解。1:試算法已知H0,Q及河渠斷面形狀，在選定中值后，可假定一個 hc值，求得Ac,由(8.46)右 端可算出一個數(shù)值來， 若恰好等于已知的 Ho值，則所設(shè)的hc為所求；若不等，再假定hc值 繼續(xù)試算，直到相等為止。注意：(8.46)為三次方程,可以有三個根，而符合實際情況的是小于hk (8.46)(臨界水深)的那一個值，所以試算時可只在小于hk的數(shù)值中取假定值。2:圖解法對于矩形斷面明渠的hc可用查附錄V!求解。因為hk 3jq(8.48)3所以Ho hc

30、2kT(8.49)2h2四、降低護壩高程形成消力池的水力計算若判知泄水建筑物下游發(fā)生遠離水躍或臨界水躍，則應(yīng)采取工程措施，以保證建筑物下游能發(fā)生淹沒系數(shù)a來表示。在進行泄水建筑物下游的消能設(shè)計時，一般要求： hc(1.O5 1.1(8.5O)使遠離水躍或臨界水躍轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎]水躍的關(guān)維在于增大下游水深ht值。對于一定的河床，Q 一定時，下游的水深也就定了。但是我們沒有必要改變整個河道來加大水深，只要在靠近建筑物下游較短的距離內(nèi)使水深增大到足以發(fā)生淹沒水躍即可。為此，可采取下列175工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接措施：.把緊鄰泄水建筑物后的一段下游護壩高程降低，開成一個水池，

31、池中水深也就相應(yīng) 增大，并在池中發(fā)生淹沒水躍。這種降低護壩高程所形成的水池稱為消力池。.在泄水建筑物下游附近的河床中筑一道低堰，使堰前水位壅高，增大泄水建筑物后的水深以發(fā)生淹沒水躍。這種下游建筑物的低堰稱為水力墻。.若單獨采用消力池或消力墻在技術(shù)經(jīng)濟上均不適用時，可兩者兼用，這種消能設(shè)施 稱為消力池。上述各種消能設(shè)施統(tǒng)稱為消能I。這里討論降低護壩高程以形成消力池的水力計算，也就是通過水力計算確定需要降低的深度S和消力池的長度L。消力池挖深S圖 8-16.一、一.八、.一.一_. .、一為在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，需要消力池未漏水深h hc ,或h hc1.05 1.0）。各水力參數(shù)見上圖。消力池

32、未端水深：hhtS Zh；（8.51）以消力池底為基準面O一 .一、一一O ,取計算面1 1,22,與能重方程:22Z ht S * S ht * 2g2g2V22g(8.52)ViQqQQ- -,v2 BhhBht ht代入（8.52）得:176工程流體力學(xué)(水力學(xué))講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接q2 / 11(F若已知S ,可得H 0H h S ,從而求出hc,而hc將(7.53)代入(7.51)得：學(xué)18卜12hc ht S 2g 2h22q_22g( hc)2222g(Y S (7.56)式右側(cè)各項為已知值，令2ht -qr A,左側(cè)為S或S的函數(shù), 2g ht求得。一 、 . .

33、. _ 、試算中可參考下列計算 S初始值：S 1.25(hc ht)一 r、 I.此式中hc不考慮S值求得。消力池長度LL可以看作由堰下射流長度Li和水躍長度Lj組成，由于形成淹沒水躍。故小于1.0的 的系數(shù)修正。一般取 0.75,池長：L LiLj式中：Li和L j都可以按經(jīng)驗公式計算：L 1.74. H0(P S 0.24H。)Lj6.9(hc hc)(8.53)(8.54)(8.55)(7.56)用試算法Lj可乘以177工程流體力學(xué)（水力學(xué)）講稿第八章堰流及堰下游的水流銜接【思考題】8-1堰流和閘孔出流有哪些特點？如何判別？它們的流量系數(shù)與哪些因素有關(guān)？8-2堰分為哪三種類型？如何區(qū)分？

34、在工程中各有什么應(yīng)用？8-3設(shè)計和使用無側(cè)收縮矩形薄壁堰需要注意哪些問題？為什么？8-4什么是WE故用堰的設(shè)計水頭 H和設(shè)計流量系數(shù)m?當其它條件相同時，實際作用水頭小于或大于設(shè)計水頭時，對實用堰過流能力產(chǎn)生什么影響？8-5實用堰和寬頂堰的水流運動有什么區(qū)別？對過流能力有何影響？8-6相同形式的寬頂堰，當水頭一定時，上游堰高Pi的大小對流量系數(shù) m有什么影響？原因是什么？7-7堰流與閘孔出流的過流能力與水頭的關(guān)系有什么不同？它們在工程中各有什么應(yīng)用？8-8為什么無坎寬頂堰水力計算，不計算側(cè)收縮系數(shù)？8-9泄水建筑物下游的水流具有什么特點？為什么需要進行消能？8-10泄水建筑物下游有哪幾種消能形式？它們消能的原理是什么？8-11如何計算閘孔出流和堰流下游的收縮斷面水深？8-12底流消能有哪幾種形式？8-13如何確定降低護坦式消力