实用堰流的特点(精)
自由堰流 淹没堰流
hs 0.15
H
淹没条件：
H0
P2 2 H0
水力分析与计算
hs ht
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
(3)按有无侧向收缩
无侧收缩堰流 b=B 有侧收缩堰流b≠B
有侧收缩堰流
水力分析与计算
无侧收缩堰流
实用堰流水力计算
曲线形 折线形
作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。低溢流 堰常用石料砌筑成折线形，较高的溢流坝为了增大过流能力，一 般作成曲线形，即所谓的折线型实用堰和曲线型实用堰。
水力分析与计算
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
曲线实用堰
水力分析与计算
折线实用堰
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
水力分析与计算
实用堰流水力计算
1.堰流的概念
（a）薄壁堰流
（b）折线型实用堰流
（c）曲线型实用堰流
（Hale Waihona Puke ）宽顶堰流水力分析与计算 图1 （a）、（b）、（c) 、 （d)堰流
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
（1）按堰的外形及厚度不同，按δ/H分类，其能量损失及过水 能力也会不同
0.67<δ/H<2.5 实用堰流
3. 曲线型实用堰的剖面形状
曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有下列几个优点：
Hd
(1) 过水能力大 (2) 堰面不出现过大的负压 (3) 经济、稳定
P1
B C m
O P2
D
A
α
E
水力分析与计算
实用堰流水力计算
3. 曲线型实用堰的剖面形状
目前国内外采用的实用堰剖面形状有许多种，最常见的是美国陆军 工程兵团水道实验站（Waterways Experiment Station）提出的 WES剖面。一般情况下，曲线型实用堰有下列几个部分组成（如下图 所示）：
Hd
B
C
P1
m
O P2
水力分析与计算
D
A
α
E
图 曲线实用堰剖面形状
实用堰流水力计算
3. 曲线型实用堰的剖面形状
上游直线段AB：常是垂直的，有时也是倾斜的，其坡度由坝体的稳定 和强度要求选定。 下游直线段CD：其坡度也是由坝体的稳定和强度要求选定。
反弧段DE：使直线段CD与下游河底 Hd
平滑连接，避免水流直冲河床，并有
利于下游的消能。 堰顶曲线段BC：对水流特性的影响
P1
最大，是设计曲线型实用堰剖面的关
B C m
O P2
键。
D
A
α
E
水力分析与计算
主持单位: 广东水利电力职业技术学院 黄河水利职业技术学院
参建单位: 杨凌职业技术学院 安徽水利水电职业技术学院 四川水利职业技术学院 山西水利职业技术学院 长江工程职业技术学院
水力分析与计算 实用堰流的特点
主讲人： 刘红英 杨凌职业技术学院
2014.11
实用堰流水力计算
实用堰流的特点
水力分析与计算
水利水电建筑工程
实用堰流水力计算
1.堰流的概念
既能壅高上游水位，又能从自身溢流的建筑物，称为堰。 水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高， 水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而 成为光滑连续的自由降落水面，如图1所示，这种水流现象 称为堰流。
流体力学7-8堰流讲解
(1 )
a为墩形系数，矩形墩a=0.19，圆形墩a=0.10。
淹没式有侧收缩的宽顶堰溢流量
Q s mb 2 g H 0
3
2
13
五、薄壁堰和实用堰溢流
薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰流的受 力性质(重力作用，不计hf)和运动形式(缓流经障壁顶部溢 流 ) 相同，因此具有相似的规律性和相同结构的基本公式。
三角形薄壁堰
用矩形堰量测小流量时，堰上水头很小，量测误差增 大。为使小流量(Q<100 l/s )仍能保持较大的堰上水头，就 要减小堰宽，为此采用直角三角形堰 H=0.05~0.25m
Q 1.4 H
5/ 2
(m /s) (m /s)
0.67H
3
B
H
H=0.25~0.55m
Q 1.343H
11
2．淹没的影响
2 0
2g
H0 H Q
v0
v
h
hc
P 1-1
2-2
c-c 淹没出流 hs 自由出流 hs
下游水位升高，顶托过堰水流，造成堰上水流性质 发生变化。堰上水深由h<hc变为h>hc ，水流由急流变为 缓流，下游干扰波能向上游传播，形成淹没溢流。 必要条件：下游水位高于堰顶 hs=h-p'>0 充分条件: 下游水位影响到堰上水流，急流变为缓流 3 hs=h-p'>0.8 2 s 0 淹没系数σs随淹没程度hs/H0的增大而减小，见P187表 7-9 12
2
2g
H c P 1 v0
v h
2
hc
c
hs hs
自由出流
一、自由式无侧收缩宽顶堰
进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断 面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流 (急流)，水面在堰尾第二次下降。 3 2 0
流体力学堰流
3> 侧堰 v
（4） 依据堰口的形状：
1> 三角堰
2> 矩形堰
3> 梯形堰
（5） 依据下游水位是否影响泄流：
1> 自由式； 2> 淹没式。
4> 流线形堰
§9—2 宽顶堰溢流
小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等 一般都属于宽顶堰水流计算。
1、水力现象分析： （1）当 2.5 <δ < 4 时，堰顶水面只有一次跌落， H 堰坎末端偏上游处的水深为临界水深 h cr 。
第九章 堰流
学习重点：
•掌握堰流分类及相关概念； •掌握宽顶堰、薄壁堰和实用堰水力计算；
任务： 计算过流量Q。
依据：
（1）能量方程； （2）总流的连续性方程； （3）能量损失计算式。
§9—1 概述
一、堰和堰流 1、堰： 在明渠缓流中设置障壁，它即能壅高渠 中的水位，又能自然溢流，一种既可蓄 又可泄的溢流设施。
2
dbtan dh 2
Q 2 m 0ta 2n 2 gH 0 h 2 3 d h 5 4 m 0ta 2n 2 g H 2 5
当θ=900,H=0.05—0.25m时，由实验得出m0=0.395，于是
5
Q 1.4H 2
当θ=900,H=0.25—
（2）当 4 < δ < 10 时，堰顶水面出现两次跌落， H
在最大跌落处形成收缩断面，
其水深为：h c≈（0.8～0.92）h cr
工程中常见的是第二种宽顶堰
一、自由式无侧收缩宽顶堰 主要特点：进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深
小于堰顶断面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰 顶的渐变流，水面在堰尾第二次下降，如图9-2。
水景构筑物的基础知识水景常用堰
流受堰顶较寬的影响，形成一段与堰顶近乎平 行的水流；
③ 如下游的水位较低水流在流出堰顶时 将产生第二次跌落。
宽顶堰
（三）瀑布、叠流、水帘、水盘等构筑 物的表面溢流计算
按其堰口形式选择类似堰形进行计算
1)常用堰形为宽顶堰（进水口分无侧面收缩 和有侧面收缩，堰墙分直角、圆角、斜角 和斜坡等）薄壁堰，均为非淹没流。
（四） 水盘、壁流、水帘等的孔口，常 用管嘴出流，可按孔口和管嘴形式选择，
选择适当的出流公式进行计算。
1）常用孔口为薄壁直边孔口，常用管嘴 为直线形、流线形和收缩形外管嘴及直线 形内管嘴。
2)各种孔口和管嘴的基本计算公式
式中
q= K3H1/2 V=K4H1/2 q——出流量（m3/h·m）；
V——出流速度（m/s）；
K3、K4——与孔口和管嘴直径及形式 有关的系数；
H——静水头（m）。
3）常用孔口和管嘴的计算表见附录 S表S-5。
2.水盘、壁流、水帘等的孔口出流
常用管嘴出流，可按孔口和管嘴形式选择， 选择适当的出流公式进行计算
常用孔口为薄壁直边孔口，常用管嘴为直 线形、流线形和收缩形外管嘴及直线形内 管嘴。
水景常用“堰”
堰流及其特征 （一）堰和堰流
在明渠流中，为控制水位或控制流量而 设置构筑物，使水流溢过构筑物的流动称 为堰流，该构筑物称为堰。由于堰对水流 的约束，使堰前水位壅高；然后水在堰上 的水位跌落，流过堰顶
堰流的水力特性
(1)堰的上游水流受阻，水面壅高，势能增大； 在堰顶上由于水深变小，速度变大，使动能增 大，在势能转化为动能过程中，水面有下跌的 现象；
第八章 堰流与闸孔出流
2 g ( Bh H ) 2
H
B
b
Q = m0 b 2 g H
1.5
+ MH
2.5
= (m0 +
MH 2gb
)b 2 g H 1.5 = mt b 2 g H 1.5
当 θ = 14 时，流量系数 m t 不随H及b变化，且约为0.42。
第五节 宽顶堰
有坎宽顶堰流：由于存在底坎引起水流在垂直方向 有坎宽顶堰流：由于存在底坎引起水流在垂直方向 产生收缩而形成进口水面跌落的水流现象。 形成进口水面跌落的水流现象 产生收缩而形成进口水面跌落的水流现象 无坎宽顶堰流：由于侧向收缩的影响， 侧向收缩的影响 无坎宽顶堰流：由于侧向收缩的影响，形成进口水 面跌落的水流状态 的水流状态. 面跌落的水流状态
v1 = ϕ 2 g ( H 0 −ψhk ) v12 H 0 = h1 + 2 gϕ 2
Q = εb ψ h k ϕ 2 g ( H 0 − ψ h k )
v12 H 0 = h1 + 2 gϕ 2
v1 = ϕ 2 g ( H 0 −ψ hk )
h1 = ψh k
Q = εbψhk ϕ 2 g ( H 0 − ψhk )
当宽顶堰溢流宽 度较大时，同样需设 置闸墩和边墩，产生 侧收缩使Ｑ减小。
第六节 小桥孔径的水力计算
无坎宽顶堰流
H:桥前壅水水深 h1 ,h2 :桥下(孔)水深 h :桥下游水深
自由出流
hk :桥下临界水深 H0:桥前总水头
h2
h < 1.3hk 自由式小桥
h=h2
h ≥ 1.3hk 淹没式小桥
淹没出流
三角形堰
B
三角形堰量测小 流量 矩形堰和梯形堰 用于量测较大流量。 用于量测较大流量
第10章 堰流
v H 0 = H + α 0 0 为包括行近流速水头的堰上水头, 为包括行近流速水头的堰上水头, 现设 2g
2
是修正系数， 又令 hc 0 = kH 0 ，k 是修正系数，它取决于堰口的形 状和过流断面的变化， 状和过流断面的变化， a 与 a0 为相应断面的动能修正系数 ζ 是局部阻力系数
1 vc = 1− k 2gH0 = ϕ 1− k 2gH0 α +ζ
宽顶堰进口情况
矩形直角进口宽顶堰
p 0 ≤ ≤ 3.0 H
p >3 H
矩形修圆进口宽顶堰
m = 0.32 + 0.01
p 3− H p 0.46 + 0.75 H
m = 0.32
p 0≤ ≤ 3 .0 H
p > 3.0 H
p 3− H m = 0.36+ 0.01 p 1.2 +1.5 H m = 0.36
hs =h−p′ >0
宽顶堰溢流淹没
形成淹没堰流溢流的充分条件： 形成淹没堰流溢流的充分条件：
hs = h − p ′ > 0.8 H 0
淹没宽顶堰出流的溢流量： 淹没宽顶堰出流的溢流量：
Q = σ s mb 2 g H 0
式中， 式中，
3
2
σs
为淹没系数， 为淹没系数，随淹没程度
hs H 0 的增大而减小
二、堰的分类
1. 薄壁堰
δ < 0.67 H
堰前来流由于受堰壁阻挡，底部水流因惯性作用上弯。当水舌回 堰前来流由于受堰壁阻挡，底部水流因惯性作用上弯。 落到堰顶高程时，距上游壁面约0.67H；当堰顶厚δ<0.67H时， 落到堰顶高程时，距上游壁面约0.67H 当堰顶厚δ<0.67H时 水舌不受堰宽的影响，堰和过堰水流就 水舌不受堰宽的影响， 只有一条边线接触，堰顶厚度对水流无 只有一条边线接触， 影响，故称为簿壁堰。 影响，故称为簿壁堰。薄壁堰主要用作 测量流量的设备。 测量流量的设备。
第九章 堰流
表9—1
宽顶堰的淹没系数
hs
0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
H0
s
1.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87
hs
0.90 09.1 09.2 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98
流，要按明渠流动来解决。
图9—4 宽顶堰
第二节 宽顶堰溢流
一、基本公式
1．自由式出流
如图9—5所示宽顶堰自由
式出流，在堰进口不远处 ，
水面降落。形成小于临界水深
收缩水h深c0 hk 堰上水流为
急流，水面近似平行堰顶，在
宽顶堰的上游取一渐变流断面
图9—5 宽顶堰溢流自由式出流
1—1、再取堰顶上的收缩断面
淹没式有侧收缩宽顶溢流量为：
Q smb
2g
H
0
3 2
smbc
2g
H0
3 2
(9—13)
例9—1 求流经直角进口无侧收缩宽顶堰的流量Q，已知堰顶
水头 H 0.85m ，坎高 p p 0.5m ，堰下游水深 h 1.12m ，堰
宽 b 1.28m ，取动能修正系数 1.0
相应断面的动能修正系数， 是局部阻力系数，代入上式，得：
vc
1
1 k
2gH0 1 k
2gH0
Q vchcb vckH0b k
1 kb
2g
H
3 2
mb
2g
H0
3 2
(9—2) (9—3)
水力学 第七章课后题答案
为什么低堰的流量系数小而泄流量大
（1）因不考虑淹没情况和侧向收缩情况，泄流量可采用公式
= 23Τ2
因为 = 0.4988 1 Τ 2
可计算出1 = 10时， = 0.4939 = 1270.42 3 Τ
3 = −0.282 = −4.84
17.18
1.85
3
2 2
= 0
根据不同 Τ 可查的不同的
267 = 6309 3 Τ 269 = 7556 3 Τ
（3） = 0.502
可利用流量公式试算出H=15.64m
上游水位高程为266.31m
7.5某灌溉进水闸为三孔，每孔宽为10m；闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为3m；边墩头部为
思考题
7.1何谓堰流，堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？如何判断
堰流：在水利工程中，为了引水或泄水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流
量。当这类建筑物顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物
顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
类型及判断：
根据过流堰顶的水流形态随堰坎厚度与堰顶水头之比 而变
（1）设计堰的剖面形状，及堰顶高程 311页
（2）当上游水位高程分别是267m和269m时，所设计的堰剖面通过的流量各为多少（下游水位低于
堰顶。
（3）通过流量为6000时，所需要的上游水位高程
（1）闸墩和边墩均为圆形，测收缩系数可求
= 1 − 0.0058
H为堰顶作用水头，WES坝的流量系数为0.502
流量系数可以由经验公式求出
第7章 堰流
H B
p b
h p
δ
v0
Δ<0
一、General characteristics of weir flow
表征堰流的特征量有：堰宽，即水流漫过堰 顶的宽度；堰上水头，即堰上游水位在堰顶上的 最大超高；堰壁厚度和它的剖面形状；下游水深 及下游水位高出底坎的高度；堰上、下游坎高； 行近流速。
H B
p b
式中m0是包含行近流速水头的流量系数。
三、堰流基本公式
H
h
Q mb
2
g
H
3 0
/
2
Q m0b 2g H 3/ 2
Q
如果形成淹没式
图7-4 淹没堰
堰流，在相同水头作用下，其流量小于自由式堰流的
流量。可用小于1的淹没系数σ表明其影响。因此，
淹没式堰流的流量公式可表示为
Q mb
2
g
H
3 0
/
2
Q m0 b 2g H 3/ 2
δ
v0
Δ<0
图7-1 堰流
H B
p b
h p
二、堰流分类（Classification of weir flow） 1、按堰顶厚度δ与堰上水头H的比值δ/H范围分类
有三种类型：薄壁堰 、实用堰 、宽顶堰。
δ
v0
Δ<0
图7-1 堰流
（1）薄壁堰 (Sharp-crested weir) δ/H<0.67，过堰水流和堰壁只有一条边线接触，
堰顶厚度对水流无影响。 薄壁堰主要用作测量流量的设备。
0
H
v0
N A
P
N
v1
0
3~5H
图7-2 无侧收缩矩形薄壁锐缘堰
流体力学讲义-第十章-堰流
第十章堰流堰流是明渠缓流由于流动边界急剧变化而引起的明渠急变流现象.本章主要介绍各类堰流的水力特征、基本公式、应用特点及水力计算方法.概述一、堰和堰流堰：在明渠缓流中设置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，这障壁就称为堰。
堰流（weir flow）:缓流越过阻水的堰墙溢出流动的局部水流现象称为堰流。
选择：堰流特定的局部现象是： A。
缓流通过障壁； B.缓流溢过障壁; C。
急流通过障壁； D.急流溢过障壁.研究堰流的主要目的:探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系.堰流的基本特征量（图10—1)1。
堰顶水头H；2。
堰宽b；3.上游堰高P、下游堰高P1；图10—14.堰顶厚度δ；5。
上、下水位差Z；6.堰前行近流速υ0.二、堰的分类1.根据堰壁厚度d与水头H的关系，如图10—2：图10-2图10-32。
根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系,图10-4：3.根据堰与水流方向的交角：图10-44.按下游水位是否影响堰流性质：5。
按堰口的形状：堰可分为矩形堰、梯形堰、三角堰.三、堰流及孔流的界限1。
堰流：当闸门启出水面,不影响闸坝泄流量时。
孔流：当闸门未启出水面，以致影响闸坝泄流量时。
2。
堰流和孔流的判别式（1)宽顶堰式闸坝堰流：e/H ≥0。
65 孔流：e/H <0.65（2)实用堰式闸坝(闸门位于堰顶最高点时）堰流：e/H ≥0.75 孔流: e/H 〈0.75式中：e——闸门开启高度； H—-堰孔水头。
判断:从能量角度看，堰流和闸孔出流的过程都是一种势能转化为动能的过程。
对第一节堰流的基本公式一、堰流基本公式推导（图10-7）由大孔口的流量公式(7-6)及，并考虑上游行近流速的影响，令图10—6得堰流的基本公式：（10-1)式中:m-—堰流流量系数，m=。
二、堰流公式图10—7若考虑到侧收缩影响及淹没影响,则堰流公式为：（10-2）(10-3)式中：——淹没系数，≤1.0；-—侧收缩系数，≤1。
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23s H g 2mb Q εσ=，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。