堰流及閘孔出流.doc

1、第八章堰流及閘孔出流第一節(jié)概述水利工程中為了宣泄洪水以及引水灌溉、發(fā)電、給水等目的，常需要修建堰閘等泄水建筑物， 以控制水庫或渠道中的水位和流量。 堰、閘等泄水建筑物水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是研究其水流狀態(tài)和過流能力。一. 堰流及閘孔出流的概念既能壅高上游水位，又能從自身溢水的建筑物稱為堰。水流由于受到堰坎或兩側(cè)邊墻的束窄阻礙，上游水位壅高，水流經(jīng)過溢流堰頂下泄，其溢流水面上緣不受任何約束，而成為光滑連續(xù)的自由降落水面，這種水流現(xiàn)象稱為堰流。水流受到閘門或胸墻的控制，閘前水位壅高，水流由閘門底緣與閘底板之間孔口流出， 過水?dāng)嗝媸荛l門開啟尺寸的限制， 其水面是不連續(xù)的， 這種水流現(xiàn)象稱為閘孔出流。二.

2、 堰流與閘孔出流的水流狀態(tài)比較堰流與閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象：堰流時(shí)，水流不受閘門或胸墻控制，水面曲線是一條光滑連續(xù)的降落曲線。而閘孔出流時(shí)， 水流要受到閘門的控制，閘孔上下游水面是不連續(xù)的。對明渠中具有閘門控制的同一過流建筑物而言，在一定邊界條件下，堰流與閘孔出流是可以相互轉(zhuǎn)化的， 即在某一條件下為堰流， 而在另一條件下可能是閘孔出流。堰流與閘孔出流兩種流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的條件除與閘門相對開度H 有關(guān)外，還與閘底坎形式或閘門（或胸墻）的形式有關(guān)，另外，還與上游來水是漲水還是落水有關(guān)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究， 一般可采用如下關(guān)系式來判別堰流及閘孔出流。閘底坎為平頂ee0.650.65為閘孔出流， H

3、堰H為堰流。閘底坎為曲線ee0.750.75為閘孔出流， H堰H為堰流。式中， H 為從堰頂或閘底坎算起的閘前水深，e 為閘門開度。堰流與閘孔出流又有許多共同點(diǎn)：堰流及閘孔出流都是由于堰或閘壅高了上游水位，形成了一定的作用水頭， 即水流具有了一定的勢能。 泄水過程中，都是在重力作用下將勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。堰和閘都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。 堰流及閘孔出流都屬于明渠急變流， 在較短距離內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲， 離心慣性力對建筑物表面的動(dòng)水壓強(qiáng)分布及過流能力均有一定的影響；流動(dòng)過程中的水頭損失也主要是局部水頭損失。第二節(jié)堰流的類型及水力計(jì)算公式一、堰流的類型常見的有薄壁堰、曲線型實(shí)

4、用堰、折線型實(shí)用堰、寬頂堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力計(jì)算時(shí)，并不按堰的用途分類，而是按堰坎厚度 與堰上水頭 H 的比值大小來劃分堰流類型，即按堰的相對厚度對堰流進(jìn)行分類。（ 1）薄壁堰流： H0.67。此時(shí)越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只呈線的接觸， 水面為單一的降落曲線。 由于薄壁堰常將堰頂做成銳緣，故薄壁堰也稱為銳緣堰。0.672.5（ 2）實(shí)用堰流：H。水舌下緣與堰頂呈面的接觸，水舌受到堰頂?shù)募s束和頂托，但這種影響還不是很大， 越過堰頂?shù)乃髦饕€是在重力作用下的自由跌落。2.510（ 3）寬頂堰流：H。此時(shí)堰頂厚度對水流的頂托作用已經(jīng)非常明顯，進(jìn)

5、入堰頂?shù)乃魇艿窖唔敶怪狈较虻募s束， 過水?dāng)嗝鏈p小， 流速增大，加之水流進(jìn)入堰頂時(shí)存在局部水頭損失， 因此，在進(jìn)口處形成了水面跌落。 然后水面幾乎與堰頂保持平行，當(dāng)下游水位較低時(shí)，流出堰頂?shù)乃饔謺?huì)產(chǎn)生第二次水面跌落。當(dāng) H10時(shí)，沿程水頭損失已不能忽略， 此時(shí)的水流特性不再屬于堰流，而應(yīng)該按明渠水流處理。 對同一個(gè)堰而言， 堰坎厚度是一定的，但堰上水頭 H卻是隨水流狀況變化的。堰流的類型雖然有以上幾種， 但其水流的運(yùn)動(dòng)卻有著共同的規(guī)律。 比如，水流在趨近堰頂時(shí)，由于流線收縮，流速增大，溢流自由水面均有明顯的降落；從作用力方面來講， 重力作用是主要的； 從水流的流線變化情況來看， 堰流都屬于明

6、渠急變流， 離心慣性力的影響比較顯著， 有時(shí)還存在表面張力的影響； 從能量方面講，都是勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能， 而且水流運(yùn)動(dòng)過程中以局部水頭損失為主。 既然如此，堰流問題就可以用同一個(gè)公式來描述。二、堰流的基本公式堰流水力計(jì)算的基本公式Qs 1 mb 2g H 03 2式中，流量系數(shù) m f ( , k ,) ，所有這些影響堰流過流能力的因素除與堰上水頭 H 有關(guān)外，還與堰高、堰頂邊緣的進(jìn)口形狀等邊界條件有關(guān)。因此，不同類型、不同高度的堰其流量系數(shù)m 是不盡相同的。下游水位過高， 以致影響了堰的過流能力， 這時(shí)的堰流就稱為淹沒出流；反之，稱為自由出流。其影響以淹沒系數(shù)s閘墩及邊墩的存在會(huì)引起水流的側(cè)向

7、收縮，降低過流能力，這種堰稱為有側(cè)收縮堰；反之，稱為無側(cè)收縮堰，其影響以側(cè)收縮系數(shù)1 來反映。若堰頂有 n 孔閘門，上式中的堰頂寬度可表示為bnb ，其中 b 為單孔凈寬。上述堰流水力計(jì)算的基本公式對于過水?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝娴谋”谘吡?、?shí)用堰流、寬頂堰流都是適用的，只是堰流類型不同，其流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)的確定方法與計(jì)算公式不同，這是值得特別關(guān)注的問題。第三節(jié)薄壁堰流的水力計(jì)算薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，因此薄壁堰常用作實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)或野外量測流量的量水工具。 工程實(shí)際中廣泛采用的曲線型實(shí)用堰和隧洞進(jìn)口曲線等也常根據(jù)薄壁堰流水舌下緣曲線來構(gòu)制。常見的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和拋物

8、線形。一、矩形薄壁堰實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)矩形薄壁堰流無側(cè)收縮、自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定。1、無側(cè)收縮、自由出流時(shí)的流量系數(shù)可按下列公式計(jì)算（ 1）巴贊公式（ Bazin ，1898 年）m0.4050.0027Hm0(0.4050.0027 )1 0.55(H) 2 或HHP1式中， H 、 P1 以 m計(jì)。適用范圍是 0.025H1.24 ， b2 m ， P11.13 m 。（ 2）雷伯克公式（ Th.Rehbock，1929 年）m02 (0.6050.0010.08 H )3HP1H2P以 m計(jì)。適用范圍是 H0.025 ， bP0.3 mP1，。式中，H、 1B ， 1二、三角形薄壁堰當(dāng)量測

9、流量較?。ㄐ∮?.1 m 3 / s）時(shí)，宜采用三角形薄壁堰。90 三角形薄壁堰的流量公式為Q1.4H 2.5第四節(jié)實(shí)用堰流的水力計(jì)算實(shí)用堰是水利工程中用來擋水同時(shí)又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式隨著生產(chǎn)的發(fā)展而不斷改進(jìn)。如用條石或其它當(dāng)?shù)夭牧闲藿ǖ闹小⒌鸵缌餮?，堰頂剖面常做成折線形，稱為折線型實(shí)用堰。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰頂常做成適合水流特點(diǎn)的曲線形，稱為曲線型實(shí)用堰。一、曲線型實(shí)用堰的剖面組成及其設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰的剖面一般如圖所示 .曲線型實(shí)用堰由上游直線段 AB 、堰頂曲線段 BC 、下游斜坡段 CD 以及反弧段 DE 這幾部分組成。上游直線段 AB 可以做成垂直的，也可以做

10、成傾斜的，其高度主要取決于工程規(guī)模和設(shè)計(jì)要求，而垂直還是傾斜則往往取決于壩體的穩(wěn)定要求。堰頂曲線段 BC 是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰的關(guān)鍵，國內(nèi)外對堰的剖面形狀有多種設(shè)計(jì)方法，其主要區(qū)別還在于曲線段如何確定。下游斜坡段 CD 是連接堰頂曲線段 BC 與下游反弧段 DE 的公切線，其坡度主要依據(jù)壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定要求確定，一般取 1:0.65 1:0.75 。反弧段 DE 是連接直線段 CD 與河床的圓弧， 主要為使其連接光滑， 避免水流直沖河床， 并有利于溢流堰下游的消能， 其反弧半徑應(yīng)結(jié)合消能形式統(tǒng)一考慮。二、 WES堰的水力計(jì)算1、WES堰的堰面曲線y0.5( x )1.85WES標(biāo)準(zhǔn)剖面：堰頂 o

11、點(diǎn)下游的曲線按 H dH d計(jì)算；堰頂 o 點(diǎn)上游 Bo 段采用三段復(fù)合圓弧相接，這樣可使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善了堰面壓強(qiáng)分布，減小了負(fù)壓。2、流量系數(shù)P1H 0實(shí)驗(yàn)研究表明，曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)主要取決于H d、 H d以及上游面坡度等，實(shí)用中 WES堰的流量系數(shù)可查圖確定。P11.33當(dāng) H d時(shí)，稱為高堰，計(jì)算中行近流速水頭可忽略不計(jì)，并且，當(dāng)H 01.0H dmd0.502實(shí)際工作水頭等于設(shè)計(jì)水頭，即時(shí)，設(shè)計(jì)流量系數(shù)，說明高H 01.0若 H d堰的設(shè)計(jì)流量系數(shù)為常數(shù)。 當(dāng)實(shí)際工作水頭不等于設(shè)計(jì)水頭時(shí)，則H 01.0m mdH dmmd；若，則P11.33P1若 H dm

12、將隨 H d 的減小而減小，此時(shí)行近流速加大，流量系數(shù)H 0P1mf ( H 0 ,P1 )此時(shí)流量系數(shù) m 不僅與 H d 有關(guān)，還與H d 有關(guān)，即 mdH dH d 。3 、側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為H 0110.2k(n1) 0 nb式中， k 為邊墩形狀系數(shù)， 0 為閘墩形狀系數(shù)，其數(shù)值可按不同形狀分查圖或表確定。4、淹沒系數(shù)對一般高堰，當(dāng)下游水位超過堰頂，并堰下發(fā)生淹沒水躍時(shí)，稱為淹沒出流。此時(shí)過堰水流受下游水位頂托，將使堰的過流能力降低。實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般用淹沒系數(shù)反映下游水位和堰后護(hù)坦高程對過流能力的影響。淹沒系數(shù)決定于hsP2hs0.15P22.0H 0及 H 0。對 W

13、ES剖面堰，當(dāng) H 0及 H 0時(shí)，出流不受下游水位的影響，稱為自由出流。第五節(jié)寬頂堰流的水力計(jì)算工程實(shí)際中，寬頂堰流的水流現(xiàn)象是十分常見的。如進(jìn)水閘，不論有坎還是無坎（平底），其水流均屬于寬頂堰流；流經(jīng)無壓隧洞進(jìn)口、涵管進(jìn)口、橋孔、施工圍堰的水流等也都屬于寬頂堰流。2.510當(dāng)堰頂水平且相對厚度H時(shí)，過堰水流會(huì)在進(jìn)口處形成水面跌落，在堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段流線近似平行堰頂?shù)臐u變流動(dòng)，這種堰流就稱為寬頂堰流。一、有坎寬頂堰流的水力計(jì)算1、流量系數(shù)P1寬頂堰流的流量系數(shù) m 取決于堰的進(jìn)口形式和堰的相對高度 H ，具體可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。（ 1）矩形有直角前沿進(jìn)口的寬頂堰P13m0.32 0.01

14、HP10.46 0.75HP1P1P13033上式適用范圍：H；當(dāng) H時(shí)，取 H，此時(shí)，流量系數(shù)為常數(shù)，m 0.32。（ 2）矩形帶圓角前沿進(jìn)口的寬頂堰P13m 0.36 0.01H1.2 1.5 P1HP1P1P13033上式適用范圍：H；當(dāng) H時(shí)，取 H，此時(shí)，流量系數(shù)為常數(shù)， m0.36。P13由上兩式可知，當(dāng) H0.32 ，時(shí)，流量系數(shù) m 為常數(shù)，直角進(jìn)口， m圓角進(jìn)口， m0.36 ，是最小值；當(dāng) P1 0 時(shí)，流量系數(shù) m 為最大值， m0.385；P1300.32 0.385 ，圓角進(jìn)當(dāng)H，其流量系數(shù)在一定范圍變化，直角進(jìn)口 m口 m 0.36 0.385 。根據(jù)理論推導(dǎo)，寬頂

15、堰流的流量系數(shù)最大值不超過0.385 。2、側(cè)收縮系數(shù)影響側(cè)收縮的主要因素是閘墩和邊墩的頭部形狀、 數(shù)目和閘墩在堰頂?shù)南鄬ξ恢眉把呱纤^等。側(cè)收縮系數(shù)仍可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。3、淹沒系數(shù)寬頂堰流淹沒出流，整個(gè)堰頂水流都將變?yōu)榫徚?。因此，寬頂堰流的?h h共軛的躍后水深 hc ，即 hshc 。對此淹沒條件，目前用理論分析尚有困難，多采用試驗(yàn)資料來判別。根據(jù)試驗(yàn)，寬頂堰流的淹沒條件為hs (0.75 0.85) H 0 ，hs取平均值為hs0.8H 0。其淹沒系數(shù)s隨相對淹沒度H 0的增大而減小，其具體數(shù)值可查表確定。二、無坎寬頂堰流的水力計(jì)算經(jīng)過平底進(jìn)水閘、橋墩、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流，雖無

16、底坎的阻礙作用，但因受到平面上的束窄， 水面也發(fā)生跌落， 其流動(dòng)現(xiàn)象稱為無坎寬頂堰流。無坎寬頂堰流本身是由側(cè)向收縮產(chǎn)生的，故不再單獨(dú)考慮側(cè)收縮系數(shù)，而是將側(cè)收縮的影響一并考慮在流量系數(shù)之內(nèi)。 無坎寬頂堰流的流量系數(shù)采用查表法確定。需要注意的是多孔無坎寬頂堰流的流量系數(shù)要取邊孔和中孔的加權(quán)平均值，即mm ( n1)msmn式中， n 為堰孔數(shù)目；mm 為中孔的流量系數(shù)， ms 為邊孔的流量系數(shù)。無坎寬頂堰流的淹沒判定條件及其淹沒系數(shù)的確定可近似地參照有坎寬頂堰流確定。第六節(jié)閘孔出流的水力計(jì)算水利工程中的水閘，其閘底坎一般為寬頂堰或曲線型實(shí)用堰。根據(jù)閘前水深 H 、閘門開度 e 和下游水深 ht

17、的不同，閘孔出流就具有不同的水流形態(tài)。如果閘前水頭 H 不隨時(shí)間改變， 當(dāng)閘門開度 e 一定時(shí)，出流流速和流量不隨時(shí)間改變，閘孔出流為恒定出流，否則為非恒定出流。一、 底坎為寬頂堰型的閘孔出流計(jì)算公式Qs be 2gH 0式中，流量系數(shù)s 為淹沒系數(shù)。（一）、流量系數(shù)與垂直收縮系數(shù)1 、寬頂堰上平板閘門（1）垂直收縮系數(shù)2儒可夫斯基（ ）采用數(shù)理分析方法，求e得了垂直收縮系數(shù)2 隨 H 0 變化的數(shù)值，查表確定。（2）流量系數(shù)南京水利科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式0.600.176eHe0.10.65此式適用范圍：H。2 、寬頂堰上弧形閘門（1）垂直收縮系數(shù)22 主要與閘門下緣切線與水平方向的夾角值有關(guān)，查表確定