第八章 堰流 閘孔出流

1、1水力學(xué)水力學(xué)2堰、閘作用：引水、泄洪、調(diào)節(jié)流量和水位。 第八章第八章 堰流、閘孔出流堰流、閘孔出流堰流堰流閘孔出流閘孔出流5閘門部分開啟時，水流受到閘門、胸墻的約束，從閘孔流出的水流現(xiàn)象。 l閘孔出流閘孔出流閘底板特點(diǎn)：過水?dāng)嗝嬉蚴荛l門開度的限制，上、下游水面不連續(xù)。 6l堰流堰流 閘門完全開啟時，閘門對水流無約束，水流自由下泄的現(xiàn)象。 特點(diǎn)：上、下游水面光滑連續(xù)。 閘底板7l堰流、閘孔出流共同點(diǎn)堰流、閘孔出流共同點(diǎn) 1、水流或多或少受到水閘或溢流壩等建筑物的約束，從而壅高上游水位。 2、過堰、過閘水流屬于明渠急變流。 、水頭損失主要是局部水頭損失。 8l堰、堰流的參數(shù)堰、堰流的參數(shù) 堰頂水

2、頭HH1P2P上游堰高1P下游堰高2P堰頂厚度0 00V堰前斷面 0 0行近流速0V9l堰流、閘孔出流的判別堰流、閘孔出流的判別對平底堰 對曲線型堰65.0He為閘孔出流；65.0He為堰流。75.0He為閘孔出流；75.0He為堰流。10第一節(jié)第一節(jié) 堰流的類型及其計算公式堰流的類型及其計算公式一、堰流的類型一、堰流的類型不同類型的堰，有不同的外形、水頭損失、過水能力。堰頂厚度對堰流影響最為重要。因此，常根據(jù)堰頂厚度與堰頂水頭比值大小劃分堰流。111 1、薄壁堰、薄壁堰 67. 0H堰頂水舌形狀不受堰頂厚度的影響，水舌下緣與堰頂只有線的接觸線的接觸，水面呈單一的自由降落曲線。 H薄壁堰H67

3、. 0122 2、實用堰、實用堰 5 . 267. 0H過堰水流主要受重力作用自由跌落。水舌下緣與堰頂呈面的接觸面的接觸，水舌受到堰頂?shù)捻斖?。實用堰HH133 3、寬頂堰、寬頂堰 105 . 2H堰頂對水流的頂托作用明顯頂托作用明顯，在進(jìn)口處上產(chǎn)生明顯的水面跌落現(xiàn)象，堰頂水流在垂向上收縮。 寬頂堰H14二、堰流基本公式二、堰流基本公式j(luò)phgVhgVH220211200斷面0、1能量方程：堰有不同的類型，但堰流基本公式一致。1、堰流基本公式10基準(zhǔn)面0VH1V15gVhj221其中，令0HhpgVHH22000)1 (21011gHV1AVQ 10VbkH )1 (21010gHbkHQjph

4、gVhgVH2202112001Vbh16)1 (21010gHbkHQ令111km流速系數(shù)流量系數(shù)2/302HgmbQ 堰流基本公式堰流基本公式 2/302HgmbQ 17l若下游水位較高，使堰的過水能力較小，此時的堰流稱為淹沒出流，反之，為自由出流。2、堰流基本公式進(jìn)一步討論、堰流基本公式進(jìn)一步討論 l若堰頂?shù)倪^流寬小于上游河寬，此時的堰流出現(xiàn)有側(cè)收縮，反之，為無側(cè)收縮。淹沒系數(shù)1側(cè)收縮系數(shù)2/302HgmbQ淹沒出流2/3012HgmbQ有側(cè)收縮18（1）自由出流 堰下游水位較低（流能力不受影響。 ），堰的過0)85. 075. 0(HhsthshH2P19自由出流特點(diǎn)：兩次降落，一次微

5、升；收縮斷面后的堰頂水流為急流。形成原因：堰前的緩流受到堰坎在垂直方向上的頂托作用。l第一次降落范圍：水流進(jìn)堰至收縮斷面之間。thshCH20l水面微升形成原因：收縮斷面處的水深小于臨界水深，之后形成C型壅水曲線。范圍：收縮斷面后一定范圍內(nèi)，發(fā)生在堰頂。thshCH21l第二次降落形成原因：水流出堰時，水深接近臨界水深，而下游水深較?。ㄐ∮谂R界水深）。范圍：水流出堰后與下游水面線銜接。thshCH22（2）淹沒出流 0)85. 075. 0(Hhs堰下游水位較高（），使堰的過流能力減小。thCshH23thCsh淹沒出流特點(diǎn)：整個堰上水流為緩流。24第二節(jié)第二節(jié) 薄壁堰流的水力計算薄壁堰流的水

6、力計算薄壁堰的水頭與流量之間關(guān)系穩(wěn)定，因此，它常作為實驗室、明渠中量水的工具。小型河道上，可用疊梁閘門擋水，可視其為薄壁堰。25薄壁堰的堰口形狀有矩形、三角形、梯形等。矩形薄壁堰Bb三角形薄壁堰Bb26一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流1、用作量水的矩形薄壁堰應(yīng)滿足的要求、用作量水的矩形薄壁堰應(yīng)滿足的要求l為保證出流穩(wěn)定，堰頂水頭 。 cmH5 . 2l水舌下面與大氣相通。 l堰流無側(cè)收縮，為自由出流。 272、矩形薄壁堰流量公式、矩形薄壁堰流量公式2/302HgmbQ 2/320022gVHgmb2/32/3200221HgbgHVm2/302Hgbm薄壁堰通過測量堰頂水頭 來推算流量，因此，

7、其流量公式需由堰流基本公式改寫。H28HPHm0007.0053.0403.0102/302 HgbmQ 其中，流量系數(shù) 通過實驗確定。0m0m也可由經(jīng)驗公式計算：cmH5 .221PHmP3 .01適用范圍經(jīng)驗公式1：29mH6 .01 .021PHmb22 .0適用范圍：21055 .017200.0540.0PHHHm經(jīng)驗公式2：例例8.130二、三角形薄壁堰流二、三角形薄壁堰流測量較小流量時，為增大水頭，以提高測量精度，常采用三角形薄壁堰。BbH三角形薄壁堰312/50HCQ 三角形薄壁堰流量公式：21009.02 .014.0004.0354.1BHPHC當(dāng)堰口夾角 時，090當(dāng)堰口

8、夾角 時，090HctgtgtgC001055. 0005. 0220195. 0553. 02361. 204 .10C或32第三節(jié)第三節(jié) 實用堰流的水力計算實用堰流的水力計算工程上，實用堰最常見，常用來擋水、泄水。實用堰流量公式：2/3012 HgbmnQs對于高堰高堰（ ），常用混凝土澆筑，堰頂制成曲線型。 33. 11dHP對于低堰低堰（ ），常用條石砌筑，堰頂制成折線形。 33. 11dHP1側(cè)收縮系數(shù)s淹沒系數(shù)b單孔凈寬n閘孔數(shù)m流量系數(shù)33bbb閘墩邊墩bbb邊墩閘墩34一、曲線型實用堰的剖面形狀一、曲線型實用堰的剖面形狀dH1P2PABCDEmOr35直線段 、 的坡度根據(jù)壩體

9、的穩(wěn)定性、強(qiáng)度確定。ABCDdH1P1PABCDE36圓弧段 ：將過堰水流與下游河道水流平穩(wěn)連接，以減小對河床沖刷，有利于消能。 DEdH1P1PABCDErO 37dH1P1PABCDE曲線段 對堰過流能力、堰頂壓強(qiáng)和流速分布影響較大，是曲線型實用堰設(shè)計的關(guān)鍵。BC38 曲線段 設(shè)計要求：BC 堰面不應(yīng)出現(xiàn)過大的負(fù)壓； 較大的過流能力； 壩體穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。39BCBC)a()c()b(堰面壓強(qiáng)等于大氣壓。)a()b(堰面壓強(qiáng)大于大氣壓。)c(堰面壓強(qiáng)小于大氣壓。BC40國內(nèi)外對曲線段 進(jìn)行了大量實驗研究。BC兩種典型的堰的剖面形狀：克奧剖面、 剖面。目前我國多采用后者。WES41dHdHR5

10、.01dHR2 .02dHR04.03oxy85.15 .0ddHxHyCB剖面WESdH282. 0dH276. 0dH175. 042二、二、 實用堰的流量系數(shù)實用堰的流量系數(shù) 10dHH若 ， ，查圖8-12曲線（a） 。 dmm dmm10dHH若 ， ，查圖8-12曲線（a） 。 WESdmm 若 ， 。 502. 0dm10dHH33. 11dHPl當(dāng)堰上游面垂直，且 時，)(0dHHmm 43查圖8-12曲線(b) 、(c) 、(d)、(e) 。 33. 11dHPl當(dāng)堰上游面垂直，且 時，),(10ddHPHHmm dHP1dHH0dmm11(a)(b)(c)(b)(e)dHP

11、133.10 .167.033.020.0044三、側(cè)收縮系數(shù)三、側(cè)收縮系數(shù) 側(cè)收縮系數(shù)經(jīng)驗公式：bnHKnKpa01121aK邊墩形狀系數(shù)，pK閘墩形狀系數(shù)。n堰孔數(shù)，b堰寬， 45邊墩形狀邊墩形狀 直角形折線形圓弧形1aK7 . 0aK7 . 0aKaK邊墩形狀系數(shù) 與邊墩頭部形式和進(jìn)水水流方向有關(guān)。46矩形直角形半圓形流線形閘墩墩頭形狀閘墩墩頭形狀 閘墩形狀系數(shù) 與閘墩墩頭形式、 、閘墩墩頭與堰上游面的相對位置有關(guān)。查圖8.14。PKdHH /047四、曲線型實用堰的淹沒及下游護(hù)坦高程對過水四、曲線型實用堰的淹沒及下游護(hù)坦高程對過水能力的影響能力的影響 1 1、曲線型實用堰的淹沒條件、曲

12、線型實用堰的淹沒條件 下游水位高于堰頂（ ）； 0.15/0Hhs0Hsh48 堰下游發(fā)生淹沒水躍。 49用淹沒系數(shù)綜合反映上述1、2對堰的過流能力的影響：2 2、護(hù)坦高程對過水能力的影響護(hù)坦高程對過水能力的影響 護(hù)坦高程較高（ 較?。r，也會降低堰的過水能力。2P),(002HhHPfss上述關(guān)系反映在圖8.16中。 50五、曲線型低堰的水力設(shè)計簡介五、曲線型低堰的水力設(shè)計簡介 上游堰墻垂直的WES剖面設(shè)計步驟：Step1 確定設(shè)計水頭 ，上下游堰高， 的邊坡系數(shù) 及夾角 ，反弧半徑 。 dHmCDr)(5.025.0(maxZHrd至maxZ為最大上下游水位差51計算并繪制曲線 。Step

13、2 定出堰頂坐標(biāo) 及坐標(biāo)軸 、 。由 xOCy85.15 .0ddHxHyOdHox85.15 .0ddHxHyyCB52177.1096.1mHxdc177.2592.0mHydc85.15 .0ddHxHy由 及 得mdxdy1Step3 根據(jù)曲線 與 在 點(diǎn)相切，確定 點(diǎn)坐標(biāo) 。),(ccyxCBCCDCdHoxyCBD53sin)2180()(02rrctgyPmxxccdcos2rrPydStep4 根據(jù)圓弧段 在 點(diǎn)與 相切，確定 點(diǎn)坐標(biāo) 。),(ddyxDCDDDEdH1P2PxBCDEmyOOr54Step5 確定 點(diǎn)坐標(biāo) 。),(eeyxEsinrxxde2PyedH1P2P

14、xBCDEmyOOr55Step6 確定 點(diǎn)坐標(biāo) 。),(ooyxoeoxxrPyo2dH1P2PxBCDEmyOOr56例：8.357例：習(xí)題8.2已知： ， ， ， ， ， 。1nPHH0Q1PthB求：bH1Pth58本例屬于自由出流，1s解：側(cè)收縮系數(shù)： bnHKnKpa01121b31. 101 . 021b262. 01流量系數(shù)： 502. 0dmm33.131.1/8.7/1HP屬于高堰，故不計行近流速水頭，31.10 HH592/331. 12262. 0110gbb2/3012 HgbmnQs由 得解得mb27.3060六、折線型實用堰六、折線型實用堰 小型溢流壩，為了取材、

15、施工方便，常采用折線型實用堰，且梯形斷面較多。 61H1P12折線型實用堰的側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)可近似按曲線型實用堰計算。折線型實用堰的流量系數(shù)可查表得出。620.330.340.350.350.360.370.380.360.380.390.40.36 0.350.340.350.370.360.380.390.40.380.40.410.420.4 0.38流量系數(shù)1053000021000.5堰下游坡度00010543002.01.00.5堰上游坡度12 23 35折線型實用折線型實用堰堰的流量系數(shù)的流量系數(shù)mHP /1H/=0.4 1H/=1 21ctg2ctg63第四節(jié)第四節(jié) 寬頂堰

16、流的水力計算寬頂堰流的水力計算寬頂堰， 。10/5 . 2Hl有坎寬頂堰有坎寬頂堰thshH寬頂堰的例子：過堰水流在垂直方向上收縮。 64Hl無坎寬頂堰無坎寬頂堰過堰水流在水平方向上（側(cè)向）收縮。 652/3012 HgbmnQs寬頂堰流量公式：當(dāng) 時， 3/01HPHPHPm/75. 046. 0/301. 032. 01132. 0m3/1HP當(dāng) 時， 1 1、對直角進(jìn)口堰、對直角進(jìn)口堰m一、流量系數(shù)一、流量系數(shù) 1P662 2、對修圓進(jìn)口堰、對修圓進(jìn)口堰當(dāng) 時， 3/01HPHPHPm/5 . 12 . 1/301. 063 . 0113/1HP當(dāng) 時， 63 . 0m1Pr671二、側(cè)

17、收縮系數(shù)二、側(cè)收縮系數(shù) BbBbHP1/2 . 0143101其中， 為考慮墩頭和堰頂入口形狀的系數(shù) 。 019. 00矩形閘墩（邊墩）、直角入口堰頂， ；1 . 00弧形閘墩（邊墩）， 。（一）單孔側(cè)收縮系數(shù)（一）單孔側(cè)收縮系數(shù) 注意應(yīng)用條件。 68nn111) 1( （二）多孔側(cè)收縮系數(shù)（二）多孔側(cè)收縮系數(shù) 其中，dbbdbbHP1/2 . 0143101中孔邊孔 212/2 . 0143101bbbbHPbbb邊墩閘墩dd69三、寬頂堰的淹沒條件、淹沒系數(shù)三、寬頂堰的淹沒條件、淹沒系數(shù) thH寬頂堰的自由出流KKChShthHKCh寬頂堰的自由出流70實驗表明：寬頂堰的淹沒條件為08 .

18、 0 HhS寬頂堰的淹沒系數(shù) 與 有關(guān)，查表8.2。S0HhSthH寬頂堰的淹沒出流KShh71四、無坎寬頂堰流四、無坎寬頂堰流 無坎寬頂堰流形成：堰寬小于上游河寬，水流產(chǎn)生側(cè)向收縮。 BbKK721mm 不單獨(dú)計算無坎寬頂堰流的側(cè)向收縮系數(shù) ，其影響并入流量系數(shù)中，即1m考慮了側(cè)向收縮系數(shù)的流量系數(shù)。2/302 HgbnmQs無坎寬頂堰流量公式無坎寬頂堰流的的流量系數(shù) 根據(jù)不同情況，查表8.3，8.4，8.5。 m731PthH0V2P例8.5已知：、。QthH1P2P0V計算。b74第六節(jié)第六節(jié) 閘孔出流的水力計算閘孔出流的水力計算工程上的水閘，閘底坎有寬頂堰、曲線型實用堰兩種；閘門有平板

19、閘門、弧形閘門兩種。閘孔出流水力計算的任務(wù)：l已知閘前水頭、閘門開度，求泄流量；l已知泄流量，求閘前開度。 底坎與閘門的不同組合，形成不同形態(tài)的閘孔出流，使得其計算難度較堰流困難，精度也低。75 一、底坎為寬頂堰的閘孔出流一、底坎為寬頂堰的閘孔出流形成自由出流條件：tChh 其中，Ch 為 相應(yīng)的躍后水深 ChHtheChCCh 76形成淹沒出流條件：tChh HtheChC淹沒出流Ch 771 1、寬頂堰底坎自由出流的水力計算、寬頂堰底坎自由出流的水力計算列寫斷面 、 能量方程：oCgVgVhgVHcccc2202022200ccchHgV021HeChCo0V78ccchHgV021cch

20、HgV02cAVQ eHgebQ2022cbhA eHgbeQ2002002021gHHebeQ02gHbeQc1流速系數(shù)ehc2垂向收縮系數(shù)20流量系數(shù)0201He流量系數(shù)79 取值與底坎形式、閘門類型、閘門開度有關(guān)。202gHbeQ寬頂堰型閘孔自由出流的計算公式 的影響因素的影響因素: : （1）流速系數(shù)2（2）垂直收縮系數(shù) 取值與底坎形式、閘門類型有關(guān)。02gHbeQ80計算計算 的經(jīng)驗公式：的經(jīng)驗公式： （1）平底上的平板閘孔（2）平底上的弧形閘孔He176. 06 . 0He0018081. 056. 018081. 097. 0適用： ，7 . 00He009025其中， ReccosHRec81例例 8.78.782 2 2、寬頂堰底坎寬頂堰底坎淹沒出流的水力計算淹沒出流的水力計算02gHbeQ寬頂堰底坎自由出流公式02gHbeQs寬頂堰底坎淹沒出流公式淹沒系數(shù)，查圖8.35HtheChCCh 83ccthHhh s圖8.3500