宽顶堰临界流量:计算宽顶堰临界流量
宽顶堰广泛应用于河流、运河和其他天然明渠的流量测量和水深调节。宽顶堰流量计算可以用一个相当简单的方程，如果堰高度大到足以引起临界流量超过堰顶。
对于宽顶堰，其在堰顶上方的速度小于临界速度，流量系数将根据堰顶宽度和堰顶上方的水头在2.3至3.3之间变化。
如果有的话临界流，则所用公式为Q = 1.6 L H3/2，其中Q为明渠流量，单位为cfs, L为堰长(河道宽度)，单位为ft, H为堰上水头，单位为ft，如下图所示。
一般宽冠堰结构
如右图所示，宽顶堰通常是横跨整个河道的平顶障碍物。一个
左图所示为典型宽顶堰的纵断面。图中所示为堰上的水头H，堰高P，逼近速度和深度V1和y1，堰顶速度和深度V2和y2。一个正常运作的宽顶堰的一个关键特征是堰顶上的临界流量。在图中可以看到V2 = Vc和y2 = yc。下一节讨论确定最小堰高，以确保临界流量将发生在堰顶。
图片来源:格兰德保护区中部
临界流量宽顶堰的最低高度要求
当明渠中的水流经过宽顶堰之类的障碍物时，由于横截流面积的减小，水流速度就会增加。在一定范围内，障碍物越高，水通过障碍物的速度就越大。如果进路流量是次临界的，那么宽顶堰的流量将在某个特定的堰高处成为临界。通过一些基本的水力学方程，可以计算出堰顶临界流量所需的高度。使用上面宽顶堰图中的术语，加上B表示通道宽度，能量方程就变成:
y1 + V12/2g = y2 + P + V22/2g
由明渠平均流速的定义，假设明渠近似为矩形:
V1 = Q/y1B, Vc = Q/ycB
根据临界流动条件下比能最小的事实:
yc = [Q2/gB2]1/3
如果已知沟道宽度B、通过沟道的流速Q和进路深度y1，则可以用上述三个方程计算出宽顶堰顶临界流量所需的深度。如果宽顶堰具有临界流量所需的最小高度，那么简单的方程Q = 1.6 L H3/2，可以用于宽顶堰的流量计算。
下一节将用示例计算说明这一点。为了确保在所有流动条件下堰上的临界流量，应使用通过通道的最大预期流量来计算所需的堰高P。
最小高度计算示例
问题陈述:考虑一条20英尺宽的明渠，水流深度为5英尺，最大预期流量为350立方英尺。宽顶堰的最低高度是多少，才能确保越过堰顶的临界流量?
解决方案:使用前一节的方程，Q = 350 cfs, y1 = 5 ft, B = 20 ft:
V1 = Q/y1B = 350/(5)(20) = 3.5 ft/s
yc = [Q2 / gB2] 1/3 =[3502 /(32.2)(202)] 1/3 = 2.12英尺
Vc = Q/ycB = 350/(2.12)(20) = 8.25 ft/sec
P = y1 + V12/2g - y2 - V22/2g = 5 + 0.19 - 2.12 - 1.06 =2.01英尺
如果宽顶堰高度至少是2.01英尺，那么方程，Q = 1.6 L H3/2，可以用来计算流量(高达350 cfs)，从一个测量值的头部堰，H。
有关可以下载的Excel电子表格，以计算美国或斯里兰卡单位的宽顶堰流量，请参阅文章。”宽冠堰计算Excel电子表格”。
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参考文献
进一步资料参考:
1.美国内政部，垦务局，水量测量手册， 2001年修订，1997年第三版。
2.曼森，B. R.， Young, D. F.， & Okiishi, T. H.，流体力学基础，第四版，纽约:约翰·威利父子公司，2002。
3.法国香颂,休伯特,明渠水力学导论-基本原理、泥沙运动、水力建模、水工结构设计、第二版，纽约，爱思唯尔，2004。
这篇文章是“明渠流量测量”系列的一部分
明渠流速测量通常是通过测量水深变化来完成的。这可以用堰或水槽来完成。常见的类型有尖冠堰(包括v型缺口堰、矩形堰和cipolletti堰)、宽冠堰、Parshall渡槽和文丘里渡槽。
