宽顶堰流量系数推求及取值范围分析

宽顶堰流量系数推求及取值范围分析

摘要：宽顶堰流量系数取值直接关系到溢洪道泄洪能力。基于《溢洪道设计规范》中宽顶堰的流量系数计算式及流体力学理论，分析流量系数的由来。论证了

宽顶堰堰顶的最大过流流量相应水深为宽顶堰的临界水深。给出了宽顶堰进口底

坎边缘为方角时流量系数范围为0.320~0.385，进口底坎边缘为圆角时流量系数范

围为0.360~0.385。

关键词：流体力学；取值范围；流量系数；宽顶堰；临界水深

Abstract: The value of flow coefficient of wide crest weir is directly related to discharge capacity of spillway. Based on the calculation formula of flow coefficient of wide crest weir and the theory of fluid mechanics in "Spillway Design Specification",

the origin of flow coefficient was analyzed. The corresponding water depth of the maximum flow at the crest of weir was demonstrated to be the critical depth of weir. The range of flow coefficients was from 0.320 to 0.385 when the edge of the inlet of wide weir was square corner and from 0.360 to 0.385 when round corner.

Key words: hydrodynamics; value range; flow coefficient; wide crest weir; critical depth

宽顶堰是水闸布置中常采用的泄水建筑物，它的泄水能力计算是水利工程设

计和工程管理中的重要问题。宽顶堰流量系数取值直接关系到溢洪道泄流量大小。关于宽顶堰的流量系数的取值，已有设计规范进行指导及相关学者研究分析，如

水利行业《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）和水力电力行业《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）中都有考虑宽顶堰的进口底坎边缘形状不同，给出流量

系数取值方法[1,2]；戴荣法等通过收集大量溢流堰的现场率定流量系数资料和部

分模型试验数据，分析了宽顶堰和实用堰的不同规律[3];郭厚福、单长河等以具体工程为例，通过二元非线性回归分析、拟合得到堰流流量系数，克服了查表法内

插的不便[4,5]；俄国学者Е.К.拉勃科娃结合理论关系式和实验关系式分析了不同

因素的组合对流量系数变化的影响[6]。这些研究虽然明确了流量系数的取值计算

方法，但是实际运用过程中，仍然存在部分设计工作者计算结果误差较大，甚至

计算结果超出流量系数合理取值范围。本文基于《溢洪道设计规范》中宽顶堰的

流量系数计算式及流体力学经典理论，分析流量系数的由来，给出了宽顶堰进口

底坎边缘不同形状条件下流量系数取值的合理范围。

1.流量系数的提出

在水利行业《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）和水力电力行业《溢洪道

设计规范》（DL/T 5166-2002）中宽顶堰的泄流能力表达式皆为：

H为不计入行进流速的堰上水头，m;

根据设计规范，堰流流量系数取值受到进口底坎边缘形状、上游行近流速、

上游堰高的影响。两个规范不同之处在于水利行业《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）流量系数m取值需从规范表A.2.3-1与表A.2.3-1中查表插值计算；

而水力电力行业《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）m取值可直接采用规范

中A.2.2中m取值计算式，实则该计算式是源于别列津斯基（A．P．В риензекий）公式[7]，其具有计算简便的特点，下文分析皆采用DL/T 5166-2002规范推荐计算式。计算方程如下：

(1).进口底坎边缘为方角，宽顶堰示意图如图1所示，当时，