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—1 4。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
1
图10—3
2。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—4
4.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
2
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)
——淹没系数，
≤1。0；
（10-3)
式中：
——侧收缩系数， ≤1。0 .
m0-—计及行近流速的流量系数
第二节 薄壁堰
薄壁堰（如图10—8)主要用途：用作量水设备。薄壁堰口的横断面形状不同，相应的流量系数也不同。
图10—8
3
一、矩形薄壁堰
1。 基本公式
(10-4）
2。无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：
采用巴赞公式计算:
（10-5）
公式适用范围：b=0.2～2.0m,P=0。24~0.75m，H=0。05~1。24m，式中H、P均以m计。 初步设计时，取
，则:
（10—6）
3. 有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：
4.矩形薄壁堰的淹没判别条件（图10-9）
1）堰下游水位高出堰顶标高，即z〈H；-—必要条件 2）在堰下游发生淹没式水跃衔接，即ht〉hc -—充分条件
（10-7)
（10-8)
淹没溢流时，不仅堰的过水能力降低,而且下游水面波动较大，溢流不稳定。所以用于测量流量用的薄壁堰，不宜在淹没条件下工作。
图10—9
二、三角形堰(图10—10）
堰通常用于实验室作小流量测量。当堰为直角三角堰时：
适用条件:
(10—9)
。 图10—10
三、梯形薄壁堰
当
时的自由出流时的梯形薄壁堰公式为：
4
说明:当
（10-10）
时,侧收缩梯形堰倾斜部分所增加的流量，正好抵消
的梯形堰作
矩形堰侧收缩影响所减小的流量。即有侧收缩的
自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩形堰的流量.
注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流。 图10-11 问题1：当用矩形薄壁堰来测量流量时， ， 下,水流最稳定，测量精度最高. A。有侧收缩 自由出流； B。有侧收缩 淹没出流； C。无侧收缩 自由出流； D.无侧收缩 淹没出流。 问题2：为保证薄壁堰为自由出流，应满足： A.堰上水头尽量小，水舌下游空间应与大气相通; B.堰上水头不宜过小,水舌下游空间应与大气相通； C。堰上水头尽量小，水舌下游空间不应与大气相通；
D。堰上水头不宜过小，水舌下游空间不应与大气相通。
第三节 实用堰
实用堰的主要用途：用作蓄水建筑物——坝，或净水建筑物的溢流设备,如图10—12。
图10-12
一、曲线型实用堰(图10—13）
1.真空实用堰、非真空实用堰
非真空实用堰（non—vacuum weir）:若堰面的剖面曲线基本上与堰的水舌下缘外形相符，水流作用于堰面上的压强仍近似为大气压强，这种堰称为非真空实用堰.
真空实用堰（vacuum weir）:若堰面的剖面曲线低于堰的水舌下缘，溢流水舌脱离堰面，脱离处的空气被水流带走而形成真空区，这种堰称为真空实用堰.
选择:当曲线型实用堰的实际作用水头大于设计水头时，则过堰流量会: A.减小； B.增加； C。不
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变； D.不定。
2。曲线形实用堰的设计
要求：堰面不发生负压,流量系数大，堰剖面较小,工程量小， 稳定安全。 堰型：目前工程界广泛采用的是WES剖面堰。
选择：对于实用堰,对水流特性影响最大的是： A。上游直线； B。堰顶曲线； C.下游直线； D.反弧段.
图10-13
二、流量公式
(10—11）
式中： B—-B=nb，为全部闸孔净宽； n——闸孔的数目; b——单个闸孔净宽; ε——侧向收缩系数，有
式中:
(10—12)
—-边墩和闸墩形状系数。
图10-14
边墩值
图10-15 中墩
6
值
三、实用堰的淹没判别
实用堰淹没判别与矩形薄壁堰的判别条件相同（即下游水位高过堰顶且发生淹没水跃)，其流量公式为:
式中:
-—淹没系数。
（10-13)
第四节 有坎宽顶堰
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10—16。
选择：自由式宽顶堰的堰顶水深h： A。h〈hc； B。h〉hc； C.h=hc; D.不定。（其中hc为临界水深）
图10-16
1.自由式无侧收缩宽顶堰的流量公式 2。流量系数的计算 取1-1，2—2断面写能量方程(4-15)： 当
时：
直角边缘进口：m=0。32，圆角进口:m=0.36
令
当 时：
则
直角边缘进口：
（10—14）
令
,则得宽顶堰的流量公式： 直角边缘修圆：
（10—13）
（10—15）
式中：
——堰进口处的局部水头损失； 说明：1。根据伯朗日最大流量假设，当
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时，过堰流量为最大，m=0。385
。
——流速系数，
； 2。流体为理想流体时,则
=0，即
=1。0 ， m=0.385 。
m——堰流量系数，
。一般地，m值在0。32—0。385之间。
判断:相同水头的作用下，实用堰的过流能力比宽顶堰大。 对 二、侧收缩宽顶堰（b〈B） 式中：
（10-16)
——侧向收缩系数，由式（10—12）
计算。式中:
——边墩和闸墩形状系数，取值同实用堰.
或对单孔宽顶堰有经验公式：
(10—17)
a为墩形系数，矩形墩a=0.19，圆形墩a=0。10.
三、淹没式宽顶堰 （图10-17、10—18）
图10—17 图10—18
判别条件：必要条件：hs>0。 充分条件:
（10—18）
或 流量公式
(10—19)
（10—20)
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宽顶堰淹没出流时堰顶的流动状态是缓流.
例:某矩形断面渠道，为引水灌溉修筑宽顶堰（如图10-19）。已知渠道宽B=3m,堰宽b=2m，坎高P=P1=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，单孔，边墩为矩形，下游水深h=2m。试求过堰流量。 解：（1）判别出流形式 hs=h-P=1m>0 ———— 必要条件
——充分条件
满足淹没溢流必要条件，但不满足充分条件,为自由式溢流. 图10-19 b〈 B ，有侧收缩。综上所述，本堰为自由溢流有侧收缩的宽顶堰。
（2）计算流量系数m ： 堰顶为直角进口,P/H=0.5〈3，则由（10—14）得
（3）计算侧收缩系数 单孔采用式(10—17）得
（4)计算流量:自由溢流有侧收缩宽顶堰 其中
用迭代法求解Q，第一次取H
0(1)
≈H
第二次近似，取
第三次近似，取
9
3
本题计算误差限值定为1%，则过堰流量为Q=Q(3） =8.48m/s （5）校核堰上游流动状态
上游来流为缓流，流经障壁形成堰流，上述计算有效。用迭代法求解宽顶堰流量高次方程，是一种基本的方法，但计算繁复，可编程用计算机求解.
思考题：
1。在所有堰流中,哪种堰流的流量系数最大，哪种堰流的流量系数最小？ 实用堰流量系数最大，宽顶堰流量系数最小。 2。堰壁的厚度对堰流有何影响？
堰壁的厚度与堰上水头比值的大小决定了水流溢流的流动图形。 3.薄壁堰、实用堰、宽顶堰的淹没出流判别条件有什么区别？
三者淹没出流的必要条件相同：堰下游水位高出堰顶标高；但充分条件不同，薄壁堰、实用堰是：下游发生淹没式水跃衔接。宽顶堰是：下游水位影响到堰上水流由急流变为缓流即hs〉0。8H。
堰流流量公式中的流量系数m和m0有什么区别？ 答案：
中的
没有计及行近流速
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中的
考虑了行近流速的影响
第五节 无坎宽顶堰
水流流经小桥孔，由于受桥台、桥墩的侧向约束，使过水断面减小，形成宽顶堰溢流。一般情况下，桥孔下坎高P=P1=0,故小桥孔的过水是无底坎平底(i=0)的宽顶堰溢流。无坎宽顶堰流形式在工程上有很多,如经过平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。因此可利用无坎宽顶堰的原理对上述相关工程的溢流能力进行计算.
图10—20
一、无坎宽顶堰的水力计算 1.流量系数形式
在无坎宽顶堰中，流量系数经验值包含了侧压缩的影响,即
.因此由堰流基本公式(10-3）可得
（10—21）
为宽顶堰淹
式中：m’为包含侧收缩影响的流量系数，可据平面布置形成查《水力计算手册》. 没系数.
2。流速系数形式
如图所示，以坎底为基准面，设1-1断面的总水头为H0，2-2断面的水深（即坎顶实际水深）
为h2,平均流速为υ，两断面之间的损失为。对1-1与2—2断面列能量方程(4—15）得
即： (10-22）
式中，流速系数由试验给出,可查资料确定，一般。
二、无坎宽顶堰出流判别标准
在无坎宽顶堰中，其判别出流标准如下： 自由出流： ht〈1。3hc （10—23) 淹没出流： ht〉1.3hc （10-24) 式中：ht为下游河槽水深；hc为临界水深。
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该判别标准与有坎宽顶堰的淹没判别式(10—18），基本上是一致的，现说明如下：
因
有
实验知
,取
，
,代入有
或 1.3hc=0。8H0
代入有坎宽顶堰的淹没出流条件式（10-18）
得
(无坎宽顶堰hs=ht）
(注意，这里的hc对应过流宽度为b,而不是。
3.计算桥前的壅水水深H
列桥前水深与桥下水流的能量方程：
令 为流速系数，由桥台形状决定，则桥前壅水水深为：
式中：υ0 ——桥前行进流速,当υ0 <1。0m/s时可忽略不计。 小桥孔径的计算步骤
1） 确定下游河槽天然水深ht； 2） 确定桥孔下临界水深hc ； 3） 判别小桥桥孔下出流情况： 时，自由出流，桥下水深为临界水深hc ;
时，淹没出流，桥下水深为下游天然河槽水深ht 4) 确定桥孔孔径B、长度L；计算桥前的壅水水深H。 12
。 例：在某河道上有一钢筋混凝土桥.该桥有一半圆形中墩d=1。0m，桥下断面为梯形，m=1。5m。已知侧收缩系数=0.90,流速系数
3
=0.90.根据河床土质及加固条件，允许流速υs=3。0m/s。当桥孔通过设计
流量Q=35m/s，下游河槽天然水深ht=1.15m 。试设计桥孔孔径，桥前雍水水深.
解：1.设计桥孔孔径 ，求桥孔下临界水深 hc，取 υc= υs=3。0m/s
则
由
判别桥下水流状态:由 ht=1。15m ；1。3hc= 1。3×1。05=1.365m则 ht<1。3hc ，为自由出流.
由
2。计算桥前雍水水深
,取 B =16m
如行进流速υ0忽略不计，则：
（注：因标准B=16m时接近设计B=15。1m，故hc用B=15。1m时的hc值1。 05m计算，误差许可。）
本章小结
一、堰流特点及分类
堰流是明渠水流受竖向（或侧向）收缩而引起雍高而后跌落（或二次跌落）的局部水流现象，在堰上游积聚的势能于跌落中转化为动能，在计算中不考虑沿程水头损失。
根据堰壁厚度d与水头H的关系可将其分为:
薄壁堰（thin—wall weir）（ δ/H<0。67）:无沿程水头损失hf。 堰 实用堰(ogee weir）（ 0。67<δ/H<2.5）:一次跌落，可忽略hf.
宽顶堰（broad-crest weir）（2.5〈δ/H〈10）：二次跌落，可忽略hf。 二、堰流的基本公式
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自由出流时
=1.0；无侧向收缩时 =1.0 。
流量系数m0一般有:实用堰>薄壁堰>宽顶堰.
薄壁堰和实用堰淹没出流判别条件： 必要条件-—下游水位高于堰顶标高； 充分条件——下游发生淹没式水跃衔接。 宽顶堰淹没出流判别条件： 必要条件—-下游水位高于堰顶标高； 充分条件——堰顶水流由急流变为缓流：hs〉0.8H。
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