水力学教学辅导

'水力学教学辅导7.1堰流、闸孔出流的特点和区别（1）堰流和闸孔出流的特点：堰流和闸孔出流都属于急变流，都是壅高水位以后，靠重力作用形成的水流运动，其能量损失以局部水头损失为主。堰和闸都是属于控制建筑物，用于控制水位和流量。（2）堰流和闸孔出流的区别：堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；而闸孔出流正好相反，由于受到闸门的控制，自由表面被闸门截断。堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。（3）堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化为堰流。其判别标准是：闸底坎为平顶宽顶堰时：e/H≤0.65为闸孔出流，e/H＞0.65为堰流；闸底坎为曲线型宽顶堰：e/H≤0.75为闸孔出流，e/H＞0.75为堰流。7.2堰流的分类根据堰顶的宽度δ与堰顶水头H的比值可以将堰分为三类：当δ/H＜0.67为薄壁堰，薄壁堰具有稳定的水位流量关系，常用于流量的量测；当0.67＜δ/H＜2.5为实用堰，用于水利枢纽的挡水和泄水建筑物；当2.5＜δ/H＜10为宽顶堰，在渠系中广有泛应用。 堰流还可以进一步分为自由出流和淹没出流、有侧收缩和无侧收缩堰流。7.3堰流水力计算的基本公式堰流计算基本公式为Q?m?1?sb2gH03/2（7—1）式中：m－堰流流量系数，与堰型、进口形式、堰高及堰顶水头H有关；ε1－侧收缩系数，与堰型、边壁的形式、淹没程度、作用水头、孔宽及孔数有关；ζs－淹没系数，与堰顶水头及下游水深有关；H0－堰顶总水头。当堰较高时，行近流速水头可以忽略不记，H0≈H。7.8桥涵水力计算（这部分内容不作为考试的要求）（1）小桥过流的水力计算对于相对宽度不大（δ/H<10）的小桥过流，其水流特征类似于有侧收缩的无坎宽顶堰，因此可以按无坎宽顶堰进行计算。小桥过流水力计算的内容：在流量Q已知的情况下，计算：a）所需的小桥孔径b，以保证桥底下不发生冲刷，即桥孔流速V不大于桥下铺砌材料或天然基土的不冲允许流速＇V?；b）核算桥前的壅水水深H，使其不大于规范允许值H＇。H取决于路肩标高及桥梁梁底标高。小桥过流的水力计算步骤：a）计算桥孔中的临界水深hk，判别出流形式； b）计算所需的小桥孔径b；c）校核桥前壅水水深。具体方算例可参见教材内容。（2）无压涵洞a）无压涵洞的过流特征：当下游水位较底，进口存在收缩断面，其水深为hc。可根据涵洞长度L的不同，将无压涵洞分为长涵和短涵。要注意底坡i和洞长L对水流运动的影响。缓坡和平坡涵洞：当L不大时为短涵，hc＜hk，为自由出流，过流特性同宽顶堰流；当L较大时为长涵，hc＞hk，为淹没出流，过流特性同明渠水流。陡坡和临界坡涵洞：L不影响过流，hc＜hk，为自由出流，过流特性同宽顶堰流。b）无压涵洞的分类全长分为三段：进口段l1、中间段l2、出口段l3。lk=(166.23－423.38ε1)H当i不太大时：当l2＜lk时，为短涵；当l2＞lk时，为长涵当i＞ik时：无论l2多大，均视为短涵。c）无压涵洞的淹没判别对于短涵：当hc＜hk时，为自由出流；当ht＞hk时，hc＜hk，为自由出流；hc＞hk，为淹没出流。对于长涵：均为淹没出流：当ht＜hk时，淹没程度只取决于洞长； 当ht＞hk时，淹没程度取决于洞长和下游水深。d）无压涵洞的水力计算公式Q?0.385??b2gHs10（7—5）过流能力的计算：对于矩形断面的涵洞：对于非矩形断面的涵洞：取b=bk，bk=Ak/hk。7.９闸孔出流水力计算闸门主要分为平板闸门和弧形闸门，闸底板形式也可分为宽顶堰和曲线型实用堰。（１）闸孔出流的特征宽顶堰上的闸孔出流存在收缩断面，收缩断面水深为hchc=ε式中：e是闸门开度，ε22e（7－6）是闸孔出流量收缩系数，取决于闸门形式、相对开度、闸底坎型式，对于平板闸门和弧型闸门分别查教材中的表７－14和表７－15。曲线型实用堰上的闸孔出流，只有在堰下游坡角处才存在收缩断面，hc的计算见本教材第7.5.2节。（２）闸孔出流计算公式??sbeQσgH0（7－7）e式中：μ是闸孔流量系数，取决于闸门形式、相对开度H和闸底坎型式。b是闸孔宽度；e是闸门开度；ζS是闸孔出流的淹没系数，与根据闸门型式及边界条件确定，σs与潜流比 ??ht?hc??有关，由图7－33查得。H?hc；注意：对比堰流和闸孔出流的计算公式，我们可以看到堰流的流量2Q?H0闸孔出流的流量加约束造成的。利用堰流过流能力随水头迅速增加的特点，可以迅速将洪水泄排向下游；但堰顶的高程较高，不能排沙或放空水库进行检修，而闸孔出流可以完成这个任务。在大中型水利工程中，通常都设有堰和中孔或底孔，分别用来完成控制水位、流量和排沙的不同任务。由于深孔闸门的设计要求和造价较高，对于小型水库有时不设深孔排水和排沙，这样容易使水库造成淤积而兴利效益减小。7.10泄水建筑物下游水流的消能与衔接（1）泄水建筑物下游水流的消能方式经堰、闸、桥、涵、陡坎等泄水建筑物下泄的水流，流速高，动能大，必须采取工程措施消耗水流多余的能量，防止其对下游河床的严重冲刷和淤积，避免破坏水工建筑物的正常运行。常用的消能方式有3种：底流消能、挑流消能、面流消能。此外还有兴建消力戽的消能方式。我们主要讨论底流消能。（2）底流消能底流消能也称为水跃消能，它是通过修建消力池来控制水跃发生的位置，消耗大量多余的能量。底流消能一般适用于软土地基和中低水头泄水建筑物，是在渠系中最常见的消能方式。挑流消能在岩石基础和高水头水利枢纽中得到广泛应用。面流消能适用于下游水深较大而且稳定的情况，可以将急流导向下游河流的表面，避免主流冲刷河床。 (3)底流消能的收缩断面水深计算对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深hc用式（7－8）计算hc=ε2e（7—8）2对于实用堰和跌坎下的收缩断面水深用下式计算E?Q(7—9)0hc?2g?Ac式中：E0是以收缩断面底部为基准的堰前总比能；Ac收缩断面过水面积；φ堰的流速系数，可查阅表7－11和用公式计算。对于矩形断面渠道：E0?hc?（7－10）2g?hc由于hc与Ac有关，无法直接求解，一般采用试算法迭代计算。形断面渠道，已知hc可以计算其对应的共轭水深hc″''h8q2（7－11）hc?(??1)2ghc设泄水建筑物下游水深为ht，根据hc″和hc的对比关系，水跃有三种衔接形式：当hc″＞ht时，产生远驱水跃；当hc″＝ht时，产生临界水跃；当hc″＜ht时，形成淹没水跃。当产生远驱水跃和临界水跃时，不利于进行消能。为了控制急流段的长度，保证消能效果，必须采取消能工程措施，即修建消力池。(4)消力池的水力设计计算消力池有三种形式：即降低护坦形成消力池，修建消力坎形成的消力池和综合式消力 池。降低护坦式消力池计算的主要任务是确定池深d（或消力坎高c）和池长Lk。消力池池深d按下式计算：d=ζjhc1″-Δz-ht(7－12)式中：hc1″由式（7－8）或（7－9）计算，Δz按下式计算2q11?z?[?]（7—13）2g(?'h)(?jh)tc1式中：hc1″为降低护坦后收缩断面水深hc1的共轭水深；??为消力池出口宽顶堰的流速系数,一般取??=0.95;ζj为水跃淹没安全系数,一般取ζj=1.05~1.10。由式（7—8）、（7—9）、（7—10）和（7—11）四个方程通过试算法可求出hc1、hc1″、Δz和池深d，解题步骤见教材例7—10题。消力池长度Lk：消力池内的水跃长度约为自由水跃长度Lj的（０.７～0.8）倍。因此对于溢流堰取Lk=（０.７～0.8）Lj（7－12）对于宽顶堰、跌水或闸孔出流，可以根据射流长度与池内水跃长度之和来确定消力池的长度，请查有关经验公式。消力池池长和池深的设计流量是不同的：池长是取最大的流量作为设计流量，它要保证在最不利的情况下水跃也发生在消力池内。而池深d是随（hc″-ht）的增加而增大，因此对应于（hc″-ht）max的流量是池深的设计流量，这点要注意。q2消力坎的计算方法与上述相类似，具体见教材中的例题7—11。思7-4解答：在进行WES 实用堰剖面形状设计时，只能对应于某个确定的水头，这个水头称为WES堰的设计水头Hd。当实际水头H等于Hd时，对应的流量系数称为设计流量系数md。当其它条件相同，实际作用水头H＜Hd，水流通过堰面受到顶托作用，堰面压强增大。根据机械能量守恒与转换规律，在位能不变的情况下，压能增加，动能必然减少，即流速降低，过流能力减小。反之，当H＞Hd，水流欲脱离堰面，堰上产生真空，压能减小，动能增加，WES堰过流能力增加。思７－７提示：堰流Q?H02，而闸孔出流Q?H02，即流量Q随H0变化的程度不同。例题７－１如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当3闸门开度e=1m时，其泄流量Q=24.3m/s，闸孔宽b=4m，试求：堰上水头H。解：由于下游水位低于堰顶，故为自由泄流，其流量公式为Q??beо2gH由于θ=90，cosθ=0，所以流量系数计算公式为??0.65?0.186eH又由于水头H未知，故μ也暂时求不出来，所以此题只能采用试算法，设若干个水头H值，求相应的流量Q值，即这里设H=5m，则Q?(0.65?0.186e)begHH1)?4?1?19.6HH?(0.65?0.1861Q?(0.65?0.186)?4?1 ?.6?5=24.28m3/sH可见与题目所给流量Q=24.3m3/s基本相等，故取堰上水头H=5m。例题7－2如图所示水闸，已知闸前水深H=5m，闸门开度e=1.25m，下游水深ht=2.3m,试求：判别水跃的衔接形式，确定是否需要建造消力池？解：（1）判别下游水面衔接形式e1.25?0?0.60?0.176?0.60?0.176?0.5565假设闸孔为自由出流，并令H0≈H,则q??0e2gH0?0.556?1.25?.6?5?6.88m2/sq6.88V0???1.38m/sH522?H0?H?v02g?5?1.38?5.10m19.6最后q?0.556?1.2519.6?5.1?6.95m2/se1.25查表7—14可以得到ε2=0.622"hc?hc??2e?0.622?1.25?0.780.788?6.952hc8q2()=3.19m?(?3?1)??3?129.8?0.782ghc因为hc″＞ht，所以下游将产生远驱式水跃，说明按自由出流计算流量q正确，同时下游需要建造消力池。'