第八章 堰閘出流(zhu,2013)

1、前進 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 堰流與閘孔出流的判別 堰流的分類 堰流的基本公式 薄壁堰流的水力計算 實用堰流的水力計算 寬頂堰流的水力計算 堰流水力計算實例 閘孔出流的基本公式 底坎為寬頂堰型的閘孔出流 底坎為曲線型實用堰的閘孔出流 結(jié)束 閘孔出流水力計算實例 既能擋水，又能過水的水工建筑物，稱為既能擋水，又能過水的水工建筑物，稱為堰堰。 堰堰 流流 閘孔出流閘孔出流 堰流不受閘門控制堰流不受閘門控制 水面為一條光滑的水面為一條光滑的 曲線，而閘孔出流曲線，而閘孔出流 受閘門的控制水面受閘門的控制水面 在閘門處不連續(xù)。在閘門處不連續(xù)。 v都是上游壅水，水都是上游壅水，水 流在重力作用下運動，流在重力

2、作用下運動， 將勢能轉(zhuǎn)化為動能的將勢能轉(zhuǎn)化為動能的 過程；過程； v都是急變流，能量都是急變流，能量 損失主要是局部水頭損失主要是局部水頭 損失。損失。 閘孔出流閘孔出流 e H 0 0 b H 0 0 v0 堰流堰流 8.1 概述概述 堰、閘水流的判別堰、閘水流的判別 H e H e 堰堰 流流 閘孔出流閘孔出流0.75 e H 0.75 e H 0.65 e H 0.65 e H 返回 閘底坎形式 堰流的分類堰流的分類 堰的堰的外形及厚度外形及厚度不同，其能量損失及過水能力也會不同不同，其能量損失及過水能力也會不同 堰高P1 堰高P2 堰頂厚度 堰頂厚度 堰頂厚度 堰寬b 堰頂水頭H H

3、H 按按/H分類分類 /H0.67 薄壁堰流薄壁堰流 0.67/H2.5 實用堰流實用堰流 2.5/H Hd時，為真空剖面堰時，為真空剖面堰 當當 H 1.33，則，則md = 0.502， 行近流速水頭可以略去，即行近流速水頭可以略去，即H0dHd 。 式中式中: :b =14 m，孔數(shù)孔數(shù) n = 7；邊墩形狀系數(shù)邊墩形狀系數(shù) Ka= 0.7； 半圓閘墩在半圓閘墩在hs/Hd1.33 , ,故為故為 高堰，高堰，md= 0.502; 行近流行近流 速水頭可以略去。速水頭可以略去。 1 0.735 O 190 x y C 解題步驟解題步驟 又因為下游水位低于堰頂，即又因為下游水位低于堰頂，即

4、 hs 0，所以該堰為自，所以該堰為自 由出流由出流s= 1。 解題步驟解題步驟 1721 m78 m3263m5273 0 . . . H H d 3. 當上游水位高程當上游水位高程273.5 m 及及270 m 時，計算時，計算 該設計的堰剖面通過的流量該設計的堰剖面通過的流量 （1）上游水位上游水位273.5 m 時，時， 查表查表8-38-3，用內(nèi)插法得，用內(nèi)插法得 0.510m 側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù) 1 10.006910.0069 10.20.9296H 解題步驟 1 10.00696.70.954 77. 0 m7 . 8 m3 .263m270 d 0 H H 3 23 0.5

5、1 0.9296 7 14 m 2(10.2 m)6700.7 m sQg （2）上游水位上游水位270.0 m 時，時， 0.482m 此時此時 3 23 0.482 0.954 7 14 m 2(6.7 m)3460m sQg 查表查表8-38-3，用內(nèi)插法得，用內(nèi)插法得 又因為下游水位低于堰頂，即又因為下游水位低于堰頂，即 hs 0.2 和和 P1/H 3 b/B 3，取，取P1/H 3 8.4.2 8.4.2 側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù) 單孔寬頂堰單孔寬頂堰: 多孔寬頂堰：應采取邊孔和中孔的加權(quán)平均值多孔寬頂堰：應采取邊孔和中孔的加權(quán)平均值 n n )( 1 式中，式中， = 中孔閘墩收縮系

6、數(shù)，中孔閘墩收縮系數(shù)， b = b ， B = b +2d = 邊墩收縮系數(shù)，邊墩收縮系數(shù)， b = b ， B = b +2 d b b b 邊墩邊墩 邊墩邊墩 閘墩閘墩 閘墩閘墩 B 0 4 1 3 bb 11 BBP 0 2 H ()() . 淹沒條件為：淹沒條件為： hs 0.8H0， ，淹沒系數(shù)按表 淹沒系數(shù)按表8-10確定。確定。 0 H 0 P1 P2 v0 2H 1 1 K K hS 波狀水躍波狀水躍 hc 8.4.3 8.4.3 寬頂堰的淹沒條件及淹沒系數(shù)寬頂堰的淹沒條件及淹沒系數(shù) P2 H 0 0 P1 v0 2H 1 1 K K hS 波狀水躍波狀水躍 hc 例題1：如圖

7、所示直角進口堰，堰頂厚度=5m，堰寬與上游 矩形渠道寬度相同，b=1.28m，求過堰流量。 P1=0.5m H=0.85m ht=1.12m 解：（1）判別堰型 5 5.88 0.85H 所以該堰為寬頂堰 （2）確定系數(shù) 1 0.5 0.593 0.85 P H 1 1 3 0.320.010.3466 0.460.75 P H m P H 1 1Bb 2 0 0.730.81 sst s hhhP HHH （3）計算流量 33 22 22 22 0 20.3466 1.2819.60.85 22 (1.35 1.28) QQ QmbgH gAg 前進 2 0 2 0 2 Q HH gA Q=

8、1.68m3/s 底坎形式：平底板底坎形式：平底板 曲線型實用堰曲線型實用堰 閘門形式閘門形式: 平板閘門平板閘門 弧形閘門弧形閘門 8.5 8.5 閘孔出流的水力計算閘孔出流的水力計算 水力計算任務水力計算任務 （1）已知閘前水頭，計算不同閘）已知閘前水頭，計算不同閘 孔開度的泄量孔開度的泄量 （2）已知流量，求所需閘孔寬度）已知流量，求所需閘孔寬度 不同閘門類型不同閘門類型 不同底坎型式不同底坎型式 計算主要是確定系數(shù)計算主要是確定系數(shù) 平底閘孔出流條件平底閘孔出流條件 0.75 e H 0.65 e H 曲線型實用堰閘曲線型實用堰閘 孔出流條件孔出流條件 8.5.1 8.5.1 概述概述

9、 8.5.2 閘孔出流的水力特征閘孔出流的水力特征 設收縮水深設收縮水深hc的躍后水深為的躍后水深為 。 若若 ，則水躍發(fā)生在收縮斷面處或收縮斷面下游。下游水，則水躍發(fā)生在收縮斷面處或收縮斷面下游。下游水 深的大小不影響閘孔出流，稱做閘孔自由出流。深的大小不影響閘孔出流，稱做閘孔自由出流。 若若 ，則水躍發(fā)生在收縮斷面上游，水躍旋滾覆蓋了收縮，則水躍發(fā)生在收縮斷面上游，水躍旋滾覆蓋了收縮 斷面，稱為閘孔淹沒出流。通過閘孔的流量隨下游水深斷面，稱為閘孔淹沒出流。通過閘孔的流量隨下游水深 的增的增 大而減小。大而減小。 c h c h c h t h t h t h 自由出流自由出流 淹沒出流淹沒

10、出流 1 e H 0 0 b 1 底坎為曲線型實用堰的閘孔出流底坎為曲線型實用堰的閘孔出流 閘后水流 緊貼堰面 下泄，無 明顯收縮 斷面。 多為自由 出流。 e/H 0.100.615 0.150.619 0.200.620 0.250.622 0.300.625 0.340.629 0.400.630 0.450.639 0.500.645 0.550.650 0.600.660 0.650.675 0.700.690 0.750.705 底坎為寬頂堰或平底平板閘門垂直收縮系數(shù)底坎為寬頂堰或平底平板閘門垂直收縮系數(shù) 收縮斷面水深hc小于閘孔開度e,可令 2 c he 2 為平板閘門的垂直收縮

11、系數(shù) 2 35.000.799 40.000.766 45.000.742 50.000.720 55.000.699 60.000.679 65.000.662 70.000.646 75.000.635 90.000.627 95.000.622 90.000.620 底坎為寬頂堰或平底底坎為寬頂堰或平底弧形閘門的垂直收縮系數(shù)弧形閘門的垂直收縮系數(shù) cos 3590 ;00.65 ce R e H 值可按下式計算 對堰前斷面對堰前斷面0-0和收縮斷面和收縮斷面c-c列能量方程列能量方程 8.5.3 8.5.3 閘孔閘孔出流水力計算出流水力計算 e H 0 0 vc hc ht c c (

12、0.51) e 22 00 0 2 00 0 0 0 2 2 20 0 2 2 0 0 22 let 2 2 1 let: 2 let 12 let1 2 vv () v : v() vv() : () :() c cc cc c cccccc c HHh gg HH g g Hh QAh bh bg Hh he e QebgH H e H QbegH 0 2gHbeQ 閘孔自由出流計算公式 稱為流量系數(shù) 影響流量系數(shù)的主要因素影響流量系數(shù)的主要因素 He/, 2 反映局部水頭損失的影響反映局部水頭損失的影響 取決于閘底緣形式、閘門形式等取決于閘底緣形式、閘門形式等 無坎寬頂堰型閘孔無坎寬頂堰

13、型閘孔 有底坎的寬頂堰型閘孔有底坎的寬頂堰型閘孔 01950. 950850. 2 垂直收縮系數(shù)垂直收縮系數(shù) 水流經(jīng)閘孔時的流線收縮程度水流經(jīng)閘孔時的流線收縮程度 取決于閘門形式，閘孔入口的邊界條件、相對開度取決于閘門形式，閘孔入口的邊界條件、相對開度 注意：與堰流不同，閘孔出流中閘墩、邊墩側(cè)收縮影響相對閘門注意：與堰流不同，閘孔出流中閘墩、邊墩側(cè)收縮影響相對閘門 產(chǎn)生的垂直收縮可忽略。水頭較高時，可忽略行進流速水頭產(chǎn)生的垂直收縮可忽略。水頭較高時，可忽略行進流速水頭 8.5.3 閘孔出流水力計算基本公式閘孔出流水力計算基本公式 0 2 s Qb eg H 過閘流量過閘流量 閘寬閘寬 閘孔全水

14、頭閘孔全水頭 2 0 0 2 V HH g 流量系數(shù)流量系數(shù) 淹沒系數(shù)淹沒系數(shù) 取決于閘底坎的形式、閘門的 類型和閘孔的相對開度e/H值。 閘門開啟高度閘門開啟高度 返回 8.5.4 底坎為平底板型的底坎為平底板型的閘孔出流閘孔出流 i1=0 K K ht c c 流量系數(shù) 0.600.176 e H 平板閘門 弧形閘門(0.970.81)(0.560.81) 180180 e H 淹沒系數(shù) 0 2 s QbegH 查圖8-27 e H 0 v0 hc c c v02 2g R C e H 0 v0 hc ht (0.51) e c c v02 2g 0 2gHbeQ s c ct hH hh

15、 淹沒出流時，淹沒出流時， ,潛流比： ct hh 淹沒系數(shù)淹沒系數(shù) 閘孔出流的淹沒系數(shù)閘孔出流的淹沒系數(shù) 當下游水深大于收縮斷面水深的共軛水深，即當下游水深大于收縮斷面水深的共軛水深，即 時，閘孔時，閘孔 為淹沒出流。為淹沒出流。 南京水利科學研究所的研究南京水利科學研究所的研究: 淹沒系數(shù)淹沒系數(shù)s與潛流比與潛流比 ( H )有關(guān)。有關(guān)。 c h c h t h ct hh tc c hh Hh s 圖8-27 61 8.5.5底坎為曲線型實用堰的閘孔出流底坎為曲線型實用堰的閘孔出流 水流流線在閘前整個深度內(nèi)向閘孔集中，故水流的收縮比平 底閘孔充分和完善得多。出閘后水舌在重力作用下緊貼溢流

16、面下泄， 不存在明顯的收縮斷面，為自由出流。 (a)(b) 底坎為曲線型實用堰的閘孔出流底坎為曲線型實用堰的閘孔出流 H e 0 2QbegH 流量系數(shù) 0.650.186(0.250.375)cos ee HH 平板閘門 弧形閘門 9060 30 0 為平板閘門下緣角度 0.6850.19 e H 例題：矩形渠道中修建一水閘，采用平板閘門，閘底板與 渠底齊平，閘孔寬等于3m，已知行近流速v0=0.8m/s，閘前 水深H=5m，閘門開啟高度e=1.0m，下游水深ht=3.5m，求 過閘流量。 解：（1）判別是堰閘出流 1 0.20.65 5 e H 故為閘孔出流 （2）確定流量系數(shù)0.600.

17、1760.56 e H （3）設下游為自由出流，計算過閘流量 3 0 20.56 1 319.6 5.0316.68/QebgHms ht H hc 22 0 0 0.8 55.03 219.6 V HHm g 前進 （4）判別出流是否淹沒 0.2 e H 由查表8.7得 2 0.620 則收縮斷面水深 2 0.62 10.62 c hem hc的共軛水深 2 3 2 3 8 ( 11) 2 0.628 5.56 ( 11)2.9 29.8 0.62 c c c hq h gh m 因ht=3.5m，故 ，閘孔為淹沒出流 ct hh 由潛流比 ，查圖8.30得 3.52.9 0.286 52.9 tc c hh Hh 0.72 s 所以通過閘孔的流量為 0 3 2 0.72 0.56 1 319.6 5.03 12.01/ s QebgH ms 返回 例1：某水庫溢流壩，采用曲線型堰，堰頂厚度為5m，共 5孔，每孔凈寬為7m，壩頂設弧形閘門。試求壩頂水頭H 為5m，各孔均勻開啟，開度為1m時，通過閘孔的流量 （不計行近流速水頭，下游為自由出流）。 解：（1）判別堰型 5 1 5H 所以該堰為實用堰 （2）判別堰閘出流