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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:Thevalueofflowcoefficientofwidecrestweirisdirectlyrelatedtodischargecapacityofspillway.Basedonthecalculationformulaofflowcoefficientofwidecrestweirandthetheoryoffluidmechanicsin"SpillwayDesignSpecification",theoriginofflowcoefficientwasanalyzed.Thecorrespondingwaterdepthofthemaximumflowatthecrestofweirwasdemonstratedtobethecriticaldepthofweir.Therangeofflowcoefficientswasfrom0.320to0.385whentheedgeoftheinletofwideweirwassquarecornerandfrom0.360to0.385whenroundcorner.
Keywords:hydrodynamics;valuerange;flowcoefficient;widecrestweir;criticaldepth
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》（SL253—2000）和水力电力行业《溢洪道设计规范》（DL/T5166-2002）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》（SL253—2000）和水力电力行业《溢洪道设计规范》（DL/T5166-2002）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》（SL253—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/T5166-2002）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．Вриензекий）公式[7]，其具有计算简便的特点，下文分析皆采用DL/T5166-2002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，
图2进口底坎为圆角的宽顶堰
根据上述两式，将0≤P1/H≤3范围内的m值计算出来并绘制于下图（P1/H>3为水平直线，故不再绘制）：
图3宽顶堰m值曲线
从图3可以看出，坎边缘为方角的宽顶堰m值范围为[0.320,0.385]，坎边缘为圆角的宽顶堰m值范围为[0.360,0.385]。下文结合流体力学理论，从理论上分析流量系数的由来及取值范围。
2.流量系数取值范围理论分析
以宽顶堰堰顶水平面0-0为基准面，列1-1和2-2断面的能量方程式：
3.结论
1.基于流体力学，分析了宽顶堰的流量系数的由来；给出了流量系数与垂直收缩系数的关系式；
2.揭示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。
3.结合理论分析及设计规范，给出了宽顶堰流量系数取值范围:进口底坎边缘为方角时m∈[0.320,0.385]，进口底坎边缘为圆角时m∈[0.360,0.385]。
参考文献(References)：
[1]DL/T5166-2002溢洪道设计规范[S].
[2]SL253—2000溢洪道设计规范[S].
[3]戴荣法,杜屿.溢流堰流量系数验证分析[J].水文,1997(2):41-48.
[4]郭厚福.水工建筑物堰流流量系数拟合[J].农业与技术,2006,26(1):94-96.
[5]单长河,齐清兰.无坎宽顶堰流量系数的计算及讨论[J].国防交通工程与技术,2008,06(5):31-32
[6]Е.К.拉勃科娃.宽顶堰式首部取水结构的泄水能力[J].水利水电快报,1999(16):1-6.
[7]李炜,徐孝平.水力学[M].武汉：武汉水利电力大学出版社,1999.