水力學(xué)第八章

第八章堰流及閘孔出流水利工程中，為防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電等要求，需修建溢流壩、水閘等控制水流的水工建筑物。例如，溢流壩、水閘底檻、橋孔和無(wú)壓涵洞進(jìn)口等。堰是頂部過(guò)流的水工建筑物。HH圖2堰流H00v0圖1堰流b圖1、2中過(guò)堰水流均未受閘門(mén)控制影響be0be00圖3堰流及閘孔出流H圖4閘孔出流eH00堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象。它們的不同點(diǎn)在于堰流的水面線為一條光滑曲線且過(guò)水能力強(qiáng)，而孔流的閘孔上、下游水面曲線不連續(xù)且過(guò)水能力弱。它們的共同點(diǎn)是壅高上游水位；在重力作用下形成水流運(yùn)動(dòng)；明渠急變流在較短范圍內(nèi)流線急劇彎曲，有離心力；出流過(guò)程的能量損失主要是局部損失。相對(duì)性：堰流和孔流是相對(duì)的，堰流和孔流取決于閘孔相對(duì)開(kāi)度，閘底坎及閘門(mén)(或胸墻)型式以及上游來(lái)流條件〔漲水或落水〕。平頂堰：e/H≤0.65孔流曲線型堰：e/H≤0.75孔流e/H＞0.75堰流e/H＞0.65堰流式中：e為閘孔開(kāi)度；H為堰上水頭堰流及孔流是水利工程中常見(jiàn)的水流現(xiàn)象，其水力計(jì)算的主要任務(wù)是研究過(guò)水能力。它包括堰閘出流水力特性和堰閘水力計(jì)算。第一節(jié)堰流的分類及水力計(jì)算根本公式一、堰流的分類水利工程中，常根據(jù)不同建筑材料，將堰作成不同類型。例如，溢流壩常用混凝土或石料作成較厚的曲線或者折線型；實(shí)驗(yàn)室量水堰一般用鋼板、木板作成薄堰壁。堰外形、厚度不同，能量損失及過(guò)水能力不同。當(dāng)水流接近堰頂，流線收縮，流速加大，自由外表逐漸下降當(dāng)水流接近堰頂，流線收縮，流速加大，自由外表逐漸下降HP1v0111v1P20δ0圖5薄壁堰堰前斷面：堰上游水面無(wú)明顯下降的0-0斷面堰上水頭：堰前斷面堰頂以上的水深，用H表示行進(jìn)流速：堰前斷面的流速稱為行進(jìn)流速，用v0表示堰前斷面距離上游壁面的距離：L=〔3～5)H研究說(shuō)明，流過(guò)堰頂?shù)乃餍蛻B(tài)隨堰坎厚度與堰頂水頭之比δ/H而變，工程上，按δ與H的大小將堰流分薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰。1.薄壁堰：δ/H＜0.67越過(guò)堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎吆裼绊?，水舌下緣與堰頂為線接觸，水面呈降落線。由于堰頂常作成銳緣形，故薄壁堰也稱銳緣堰。2.實(shí)用堰流：0.67＜δ/H＜2.5水利工程，常將堰作成曲線型，稱曲線型實(shí)用堰。堰頂加厚，水舌下緣與堰頂為面接觸，水舌受堰頂約束和頂托，已影響水舌形狀和堰的過(guò)流能力。折線型實(shí)用堰：水利工程，常將堰作成折線形。3.寬頂堰：2.5＜δ/H＜10寬頂堰堰頂厚度對(duì)水流頂托非常明顯。水流特征：水流在進(jìn)口附近的水面形成降落；有一段水流與堰頂幾乎平行；下游水位較低時(shí)，出堰水流二次水面降。4.明渠水流：堰坎厚度δ＞10H000v0Hδ11圖6曲線型實(shí)用堰PP2v1v0H00P111δ圖7折線型實(shí)用堰H0H00P1P2v0δ11v1圖8寬頂堰P1δi>ikKKH圖9明渠水流二、堰流水力計(jì)算的根本公式HHP1v0111v1P20δ0對(duì)堰前斷面0-0和堰頂斷面1-1列能量方程基準(zhǔn)面：通過(guò)堰頂?shù)乃矫娣治觯?-0斷面為漸變流，1-1斷面為急變流〔流線彎曲〕①式中：為1-1斷面測(cè)壓管水頭的平均值；v0為0-0斷面的平均流速；v1為1-1斷面的平均流速；ζ為局部阻力系數(shù)令，那么①式可變?yōu)棰谟散谑降昧睿渲衚為系數(shù)，那么③再令：流速系數(shù)；流量系數(shù)那么③式可變?yōu)棰苡散苁娇芍河绊懥髁肯禂?shù)的主要因素——反映局部水頭損失的影響。包括：堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂口邊緣形狀等——反映堰頂水流垂直收縮程度〔1-1斷面水舌厚度kH〕——代表堰頂斷面平均測(cè)壓管水頭與堰頂全水頭之比ddb’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩B側(cè)向收縮影響有的堰頂過(guò)流寬小于上游渠寬；堰頂設(shè)閘墩及邊墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過(guò)流能力，用側(cè)收縮系數(shù)反映其影響。下游水位的影響堰下游過(guò)高會(huì)影響過(guò)堰水流的過(guò)流能力，其影響用淹沒(méi)系數(shù)反映。堰流公式：第二節(jié)薄壁堰流薄壁堰具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，常作為水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)、野外量測(cè)中的一種有效量水工具。有的臨時(shí)檔水建筑物，如疊梁閘門(mén)也可近似作為薄壁堰。曲線型實(shí)用堰的外形一般按薄壁堰水舌下緣曲線設(shè)計(jì)。因此，研究薄壁堰具有重要的實(shí)際意義。000v0Hδ11一、矩形薄壁堰流矩形薄壁堰上下游等寬，堰流無(wú)側(cè)收縮。當(dāng)自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度較高。為保證下游為自由出流，矩形薄壁堰應(yīng)滿足：①H>2.5cm，否那么堰下形成貼壁流，出流不穩(wěn)定②水舌下與大氣通，否那么水舌下有真空，出流不穩(wěn)定HHP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動(dòng)無(wú)側(cè)收縮的矩形薄壁堰出流水舌形狀無(wú)側(cè)收縮的矩形薄壁堰自由出流水舌形狀由堰流計(jì)算公式令式中，為包括行進(jìn)流速在內(nèi)的流量系數(shù)，可按雷白克(T.Rehbock)公式計(jì)算。雷白克(T.Rehbock)式中，P1為上游堰高，H為堰上水頭，均以米計(jì)算。二、直角三角形薄壁堰流當(dāng)所需測(cè)流量較小(例如Q＜0.1m3/s)時(shí)，假設(shè)用矩形薄壁堰，那么水頭過(guò)小，誤差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夾角可取不同值，但常用直角。9.3.29.3.2直角堰HP2B第三節(jié)實(shí)用堰流的水力計(jì)算公式實(shí)用堰是水利工程中常見(jiàn)的堰型之一。作為檔水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折線型，高的溢流壩一般作成曲線型。實(shí)用堰的水力計(jì)算公式邊墩閘墩邊墩閘墩b’ddb’b’邊墩實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個(gè)等寬堰孔實(shí)用堰的水力計(jì)算公式采用n為孔數(shù)；b’為一孔凈寬側(cè)收縮系數(shù)淹沒(méi)系數(shù)一、曲線型實(shí)用堰的剖面形狀上游直線段：上游直線段：AB堰頂曲線段：BC下游直線段：CD，坡度m=ctanα下游河底連接段：DEEEHdP1P2ABCDOαm上游直線AB段：垂直，或傾斜,取決于溢流壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求反弧段：使直線CD與下游河底平滑連接，防止水流沖刷河床反弧段：一般情況下，非基巖上、高度不大的壩式中，溢流壩剖面設(shè)計(jì)水頭；為最大上下游水位差堰頂曲線BC對(duì)堰流影響最大，是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰剖面形狀的關(guān)鍵。理想的曲線型實(shí)用堰剖面形狀與薄壁堰水舌下緣形狀吻合，不產(chǎn)生真空，過(guò)流能力最大。但實(shí)際中不可能完全吻合。原因：水位波動(dòng)，水舌不穩(wěn)定〔紊動(dòng)影響〕。堰面不出現(xiàn)真空的堰稱為非真空剖面堰。曲線型實(shí)用堰切入到薄壁堰水舌下緣內(nèi)部，那么實(shí)用堰面不產(chǎn)生負(fù)壓，但過(guò)流能力有所降低。曲線型實(shí)用堰和薄壁堰水舌下緣之間形成空間，那么堰的過(guò)流能力提高，但堰面產(chǎn)生負(fù)壓。堰面出現(xiàn)真空的堰稱為真空剖面堰。因此，實(shí)際采用的剖面形狀是按薄壁堰下游水舌下緣曲線稍加修改而成。薄壁堰水舌下緣曲線特性HHdP1v0uxuyuxyθB假定經(jīng)過(guò)B點(diǎn)，水流質(zhì)點(diǎn)的流速為用上式還不能計(jì)算曲線型實(shí)用堰頂曲線，其原因在于：①θ,k，n為未知變量；②水流行進(jìn)堰頂時(shí)，臨近堰頂水舌內(nèi)壓強(qiáng)不等于大氣壓，使堰頂水流運(yùn)動(dòng)與質(zhì)點(diǎn)自由拋射運(yùn)動(dòng)理論有出入。工程上，常通過(guò)試驗(yàn)研究，或適當(dāng)修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下緣曲線，得出堰頂曲線的坐標(biāo)值。1.克里格—奧菲采洛夫剖面〔克－奧剖面〕我國(guó)以前常用，該剖面略嫌肥大，曲線坐標(biāo)用用表給出，坐標(biāo)點(diǎn)少，施工不便控制。其剖面設(shè)計(jì)方法可參考有關(guān)書(shū)籍。2.Ogee剖面美國(guó)內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局在系統(tǒng)研究根底上推薦的剖面。該剖面參數(shù)均與行進(jìn)流速水頭、設(shè)計(jì)全水頭有關(guān)，并考慮壩高對(duì)堰頂剖面曲線影響，適應(yīng)不同壩高的堰剖面設(shè)計(jì)。Ogee剖面的設(shè)計(jì)方法可參考有關(guān)書(shū)籍。3.WES剖面美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站研究的。近年來(lái)多采用。該剖面用曲線方程表示，便于控制，堰剖面較瘦可節(jié)省工程量，堰面壓強(qiáng)較理想，負(fù)壓不大，對(duì)平安有利。WES剖面設(shè)計(jì)方法yWES剖面設(shè)計(jì)方法yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd堰頂O點(diǎn)下游曲線式中，k，n取決于堰上游面坡度；當(dāng)上游面為垂直時(shí)k=0.5，n=1.85；為不包括行近流速水頭的設(shè)計(jì)水頭。堰頂O點(diǎn)上游曲線采用三段復(fù)合圓弧相接，堰頂曲線上游與上游面平滑連接，改善堰面壓強(qiáng)分布，減小負(fù)壓。堰剖面曲線的坐標(biāo)值取決于設(shè)計(jì)水頭問(wèn)題：堰頂水頭在(Hmin～Hmax)范圍變化，如何選定設(shè)計(jì)水頭Hd＝？，使H=(Hmin～Hmax)時(shí)，堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過(guò)大負(fù)壓。兩種極端情況：〔1〕Hd=Hmax可保證堰面不出現(xiàn)負(fù)壓，但H<Hd時(shí)，堰面壓強(qiáng)為正；流量系數(shù)減?。谎咂拭嫫?，不經(jīng)濟(jì)?！?〕如果Hd=Hmin，可得到較經(jīng)濟(jì)剖面。但H>Hd，堰面產(chǎn)生較大負(fù)壓，嚴(yán)重時(shí)危及壩平安。工程中經(jīng)常采用：Hd=(0.75～0.95)Hmax，當(dāng)H>Hd時(shí)，為真空剖面堰；當(dāng)H<Hd時(shí)，堰剖面堰稍偏肥大，為非真空剖面堰。WES剖面主要適用高溢流堰原因：設(shè)計(jì)中并未考慮行近流速的影響，但有研究報(bào)告認(rèn)為，WES剖面可直接移用作低堰剖面。二、WES剖面型實(shí)用堰的流量系數(shù)m對(duì)于不同堰型，流量系數(shù)不同。水力設(shè)計(jì)時(shí)，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。對(duì)于重要工程需要通過(guò)模型試驗(yàn)確定。m=m(P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度)堰上游面垂直WES堰上游面垂直WES剖面P1/Hd≥1.33〔高堰〕m=f(H0/Hd)不計(jì)行近流速水頭設(shè)計(jì)流量系數(shù)md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m＜mdH0/Hd＞1，m＞mdPP1/HdPP1/Hd低堰范圍高堰P1/Hd＜1.33稱低堰，行近流速加大，設(shè)計(jì)流量系數(shù)如圖三、側(cè)收縮系數(shù)用于考慮邊墩及閘墩對(duì)過(guò)水能力影響。溢流壩都有邊墩，多孔溢流壩還有閘墩。邊墩和閘墩將使水流發(fā)生平面收縮，增大了局部水頭損失，降低過(guò)流能力。側(cè)收縮系數(shù)ε與閘墩、邊墩平面形狀，溢流孔數(shù)，堰上水頭，溢流寬度等因素有關(guān)。按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算ε=1－0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’式中：n——溢流孔B——每孔寬度Ka——邊墩系數(shù)KP——閘墩系數(shù)邊墩系數(shù)Ka與邊墩平面形狀、行進(jìn)流速有關(guān)，其值越大，ε越小，過(guò)流能力降低。圓弧形邊墩，當(dāng)行進(jìn)水流正向進(jìn)入溢流堰時(shí)，Ka＝0.1〔與混凝土非溢流壩段鄰接的高溢流堰〕，Ka＝0.2〔與土壩鄰接的高溢流堰〕；當(dāng)行進(jìn)水流非正向進(jìn)入溢流堰時(shí)，Ka適當(dāng)加大。閘墩系數(shù)Kp與閘墩頭部形狀，H0/Hd，閘墩頭部與堰上游面的相對(duì)位置等因素有關(guān)。閘墩頭部與堰上游面平齊的高溢流堰參考右圖0.133Hd0.133Hd0.267Hd2型閘墩0.292Hd0.267Hd0.033Hd0.292Hd1型閘墩0.267Hd0.267Hd3型閘墩0.292Hd0.267Hd0.292Hd4型閘墩四、淹沒(méi)系數(shù)及下游護(hù)坦高程對(duì)過(guò)流能量影響試驗(yàn)研究說(shuō)明,堰下游可為自由出流：過(guò)流能力不受下游水位影響淹沒(méi)出流：過(guò)水能力降低原因：當(dāng)下游水位高過(guò)堰頂至某一范圍時(shí),堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒(méi)水躍，過(guò)堰水流受下游水位頂托。00自由出流v自由出流v0H0P10v0H0hsP2ht淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流對(duì)過(guò)流能力的影響用淹沒(méi)系數(shù)σs表示，其與hs/H0、P2/H0有關(guān)。hs/H0〔hs從堰頂算起的下游水深〕hs越大，下游水位的頂托作用越大，過(guò)流能力影響越大P2/H0〔P2下游堰高〕當(dāng)下游護(hù)坦較高，P2/H0較小時(shí)，即使下游水位低于堰頂，過(guò)堰水流也會(huì)受下游護(hù)坦影響，產(chǎn)生類似的淹沒(méi)效果，降低過(guò)流能力。自由出流自由出流流出硫v0H0P1hs/H≤0.15及P2/H0≥200v0H0hsP2ht淹沒(méi)出流P2/H0＜2或hs/H0＞0.150.9000.9000.9000.6000.4000.9950.9900.9901.000淹沒(méi)出流區(qū)自由出流區(qū)五、曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)水利工程中，河岸式溢洪道或開(kāi)敞式進(jìn)水閘，由于地形、地質(zhì)多方面因素影響，常將底坎作成高度較小的寬頂堰或?qū)嵱醚?。高度較小的曲線型實(shí)用堰常能得到比寬頂堰大的流量系數(shù)。這種堰仍按流量根本公式進(jìn)行水力計(jì)算，但其水力特性及流量系數(shù)均與高堰有一定區(qū)別。高堰：當(dāng)P1/Hd≥1.33，可略去行進(jìn)流速低堰：當(dāng)P1/Hd＜1.33，行進(jìn)流速水頭已不能忽略PP1/Hd低堰范圍上游堰高選擇設(shè)計(jì)流量下，流量系數(shù)與上游堰高試驗(yàn)曲線如下圖。當(dāng)P1/Hd＜1.33，md均隨P1/Hd減小而減小，P1/Hd＜0.3左右時(shí)，曲線坡度較大，md迅速減小。因此，P1/Hd＞0.3為宜，以免md減少過(guò)小。下游堰高選擇自由出流區(qū)自由出流區(qū)淹沒(méi)出流區(qū)hs/H≤0.15P2/H0≥2P2/H0＜2或hs/H0＞0.15當(dāng)P2/H0≤0.7范圍內(nèi)，σs迅速減少。因此，當(dāng)P2/H0＞0.7為宜。例：某土壩中段設(shè)置溢洪道，底坎采用曲線型實(shí)用堰，試確定堰頂高程和堰底剖面形狀。：Q＝1400m3/s，上游水位高程165.0m，下游水位高程110.0m，筑壩處河床高程100.0m，并且堰上游面垂直，下游直線段坡度，m=0.7，α＝55°，邊墩頭部為圓弧形,閘墩頭部采用3型，頂部與堰上游面齊平，閘孔數(shù)n=5,每孔凈寬b’=12m。確定堰頂高程＝上游水位－堰頂水頭Hd由堰流根本公式采用WES曲線假定P1/Hd>1.33，md=0.502行進(jìn)流速可忽略，Hd=Hd0σs=1為自由出流ε=1-0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’KP=0(查表)Ka=0.2b’＝12n＝5ε=1-0.2［0.2＋(5-1)×0］Hd/5×12=1-0.0066Hd驗(yàn)證堰頂高程＝165.0－4.9=160.1m上游堰高＝160.1-100＝60.1mP1/Hd＝60.1/4.9＝12.23>1.33，md=0.502行進(jìn)流速可忽略下游水位=110.0<160.1下游為自由出流σs=1剖面設(shè)計(jì)yR1yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292HdO點(diǎn)下游的曲線方程y/Hd=0.5(x/Hd)1.95＝0.5(x/4.9)1.95C點(diǎn)坐標(biāo)EEHdP1P2ABCDO，`αm反弧半徑o點(diǎn)坐標(biāo)確定E點(diǎn)坐標(biāo)確定D點(diǎn)坐標(biāo)確定第四節(jié)寬頂堰流的水力計(jì)算當(dāng)2.5＜δ/H＜10時(shí)，進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動(dòng)，稱寬頂堰流。HH00P1P2v0δ11v1圖有坎的寬頂堰流有坎寬頂堰流：底坎引起水流在垂直方向收縮無(wú)坎寬頂堰流：由于側(cè)向收縮，進(jìn)口水面跌落，產(chǎn)生寬頂堰。例如，當(dāng)水流進(jìn)入涵洞或隧洞進(jìn)口流，施工圍堰束窄的河床，經(jīng)過(guò)橋墩之間的水流。HvHv0圖隧洞或者涵洞進(jìn)口無(wú)坎寬頂堰流圖橋墩之間的無(wú)坎寬頂堰流Hv0圖橋墩之間的無(wú)坎寬頂堰流寬頂堰出流會(huì)產(chǎn)生垂直、側(cè)向收縮，還受下游水位影響。寬頂堰流水力計(jì)算的根本公式為一、流量系數(shù)m流量系數(shù)取決于堰頂進(jìn)口形式、堰的相對(duì)高度P1/H。1.堰頂入口為直角的寬頂堰當(dāng)2.堰頂入口為圓弧的寬頂堰當(dāng)二、側(cè)收縮系數(shù)影響側(cè)收縮的主要因素有閘墩和邊墩頭部形狀，閘墩數(shù)目，閘墩在堰上相對(duì)位置以及堰上水頭等。適用條件：b/B>0.2和P1/H<3b/B<0.2，取b/B＝0.2P1/H>3，取P1/H＝3式中，b——溢流堰孔凈寬B——溢流堰上游引渠的寬度——考慮墩頭及堰頂入口形狀的系數(shù)，當(dāng)矩形閘墩或邊墩取0.