堰流及閘孔出流PPT課件

1、1一、定義一、定義：8.1 8.1 堰流的定義及分類堰流的定義及分類堰堰-既能擋水又能過水既能擋水又能過水的建筑物。的建筑物。堰流堰流-水流受到堰墻或者兩側(cè)邊墻阻礙，使水流受到堰墻或者兩側(cè)邊墻阻礙，使之上游水壅高，至一定高度時，水流沿堰頂溢之上游水壅高，至一定高度時，水流沿堰頂溢流下泄，溢流水股的上流下泄，溢流水股的上表面不受外界任何約束表面不受外界任何約束，而為一連續(xù)自由降落水面。這種過流稱之為堰而為一連續(xù)自由降落水面。這種過流稱之為堰頂溢流。頂溢流。第1頁/共38頁2 根據(jù)堰墻厚度與堰上水頭的比值不同，可將根據(jù)堰墻厚度與堰上水頭的比值不同，可將堰流分成三類：堰流分成三類：u薄壁堰薄壁堰堰墻

2、很薄堰墻很薄u實用剖面堰實用剖面堰堰墻稍厚堰墻稍厚u寬頂堰寬頂堰二、分類二、分類：第2頁/共38頁3n 越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只有線的接觸，水面呈下緣與堰頂只有線的接觸，水面呈單一的降落曲線單一的降落曲線0.67H1 1、薄壁堰：、薄壁堰：第3頁/共38頁40.672.5H第4頁/共38頁52.510.0H第5頁/共38頁6三、堰流的共同規(guī)律三、堰流的共同規(guī)律l作用力作用力: 重力起主要作用，溢流的自由水面有明重力起主要作用，溢流的自由水面有明顯降落。顯降落。l能量損失能量損失: 能量損失以局部水頭損失為主。能量損失以局部

3、水頭損失為主。 流態(tài)流態(tài): 堰頂溢流時，其堰頂上的水流流線急劇堰頂溢流時，其堰頂上的水流流線急劇彎曲，彎曲，屬于急變流動屬于急變流動。 流態(tài)的過渡流態(tài)的過渡從緩流向急流過渡從緩流向急流過渡。因此各種堰。因此各種堰流在其堰頂都要出現(xiàn)臨界水深。流在其堰頂都要出現(xiàn)臨界水深。第6頁/共38頁7四、堰流的基本公式四、堰流的基本公式 2302 HgmbQ 232 HgmbQl這就是堰流的普遍公式。三種堰的物理本質(zhì)并無這就是堰流的普遍公式。三種堰的物理本質(zhì)并無差異，其間的差別僅體現(xiàn)在流量系數(shù)，淹沒系數(shù)差異，其間的差別僅體現(xiàn)在流量系數(shù)，淹沒系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù)的確定方法及數(shù)值上。和側(cè)收縮系數(shù)的確定方法及數(shù)值上。其

4、中：其中：kmm為流量系數(shù)為流量系數(shù)考慮下游水位的淹沒影響及側(cè)收縮影響后：考慮下游水位的淹沒影響及側(cè)收縮影響后：淹沒系數(shù)，淹沒系數(shù)，1 1，不淹沒時為，不淹沒時為1 1側(cè)收縮系數(shù)，側(cè)收縮系數(shù)，1 1，無側(cè)收縮時，無側(cè)收縮時為為1 1第7頁/共38頁8 薄壁堰堰壁厚度不影響水舌形狀，水頭相對不大，且上游行近渠道一般建造的比較規(guī)則，為簡便計，在公式8.2 薄壁堰流的水力計算薄壁堰流的水力計算 1 1：矩形薄壁堰：矩形薄壁堰232oHgmbQ gVo220322oQm bgH中，用水頭代替，而把的影響并入流量系數(shù)考慮，于是有：第8頁/共38頁9是包括行近流速影響在內(nèi)的流量系數(shù),也稱為流量系數(shù)，可用下

5、列經(jīng)驗公式計算：0mHPHm0007. 0053. 0403. 010110.02520.3HHmPmP，及適用條件：適用條件：第9頁/共38頁10矩形薄壁堰流測量流量應(yīng)注意矩形薄壁堰流測量流量應(yīng)注意1.1. 矩形薄壁堰上游渠寬與堰寬相等，下游水位低于堰頂；矩形薄壁堰上游渠寬與堰寬相等，下游水位低于堰頂；2.2. 堰上水頭大于堰上水頭大于2.5cm2.5cm，避免水舌受到表面張力影響；，避免水舌受到表面張力影響；3.3. 水舌下面空間必須通氣，避免真空影響精度。水舌下面空間必須通氣，避免真空影響精度。第10頁/共38頁11 堰口橫斷面形狀為三角形，一般采用 三角形堰，也可采用式：2 2：三角形

6、薄壁堰：三角形薄壁堰 905 . 102 HgbmQ 由實驗可得158. 00mHb2又,代入上式可得： 5 . 24 . 1HQ )/(0154. 047. 2sLHQ 實際中常用：第11頁/共38頁128.3 實用堰的水力計算實用堰的水力計算 實用堰是水利工程中用來擋水同時又能泄水的實用堰是水利工程中用來擋水同時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?、低斷改進(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，稱為溢流堰，堰頂剖面常做成折線形，稱為折線型實折線型實用堰用堰。如用混凝土

7、修建的中、高溢流堰，堰頂常。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰頂常做成適合水流特點的曲線形，稱為做成適合水流特點的曲線形，稱為曲線型實用堰曲線型實用堰。第12頁/共38頁13一、曲線型實用堰的剖面組成及其設(shè)計一、曲線型實用堰的剖面組成及其設(shè)計第13頁/共38頁14 上游上游ABAB直線段直線段可以做成垂直的，也可以做成傾斜的，其高可以做成垂直的，也可以做成傾斜的，其高度主要取決于工程規(guī)模和設(shè)計要求，而垂直還是傾斜則往往取度主要取決于工程規(guī)模和設(shè)計要求，而垂直還是傾斜則往往取決于壩體的穩(wěn)定要求。決于壩體的穩(wěn)定要求。 堰頂堰頂BCBC曲線段曲線段是設(shè)計曲線型實用堰的關(guān)鍵，國內(nèi)外對堰的是設(shè)計曲線型實用

8、堰的關(guān)鍵，國內(nèi)外對堰的剖面形狀有多種設(shè)計方法，其主要區(qū)別還在于曲線段如何確定。剖面形狀有多種設(shè)計方法，其主要區(qū)別還在于曲線段如何確定。 下游斜坡下游斜坡CDCD段段是連接堰頂曲線是連接堰頂曲線BCBC段與下游反弧段段與下游反弧段DEDE的公切的公切線，其坡度主要依據(jù)壩體強度和穩(wěn)定要求確定，一般取線，其坡度主要依據(jù)壩體強度和穩(wěn)定要求確定，一般取1:0.651:0.651:0.751:0.75。 反弧段反弧段DEDE是連接直線段是連接直線段CDCD與河床的圓弧，主要為使其連接與河床的圓弧，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，其反光滑，避免水流直沖河床，并有利于溢流堰下游

9、的消能，其反弧半徑應(yīng)結(jié)合消能形式統(tǒng)一考慮?；“霃綉?yīng)結(jié)合消能形式統(tǒng)一考慮。 第14頁/共38頁15二、實用堰剖面的種類二、實用堰剖面的種類克里格奧菲采洛夫剖面克里格奧菲采洛夫剖面 我國多采用，剖面肥大，施工難度大。我國多采用，剖面肥大，施工難度大。渥奇剖面渥奇剖面 美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局研究成果，主要考慮壩高美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局研究成果，主要考慮壩高對剖面影響對剖面影響WES剖面剖面 流行采用流行采用第15頁/共38頁16l水流進(jìn)入寬頂堰后，出現(xiàn)兩次跌落的水力現(xiàn)象，水流進(jìn)入寬頂堰后，出現(xiàn)兩次跌落的水力現(xiàn)象，一般發(fā)生在堰坎處，但流經(jīng)橋墩，渡槽，涵洞一般發(fā)生在堰坎處，但流經(jīng)橋墩，渡槽，涵洞 的建筑物時也具有這

10、種水流現(xiàn)象，又為無坎寬的建筑物時也具有這種水流現(xiàn)象，又為無坎寬頂堰，按寬頂堰計算；公式依舊采用基本公式。頂堰，按寬頂堰計算；公式依舊采用基本公式。8.4 寬頂堰的水力計算寬頂堰的水力計算 堰流堰流第16頁/共38頁17u直角進(jìn)口直角進(jìn)口u圓弧進(jìn)口圓弧進(jìn)口一、流量系數(shù)一、流量系數(shù) m m HaHbmHpmHp75. 046. 0301. 032. 0, 332. 0, 3HaHamHpmHp5 . 12 . 1301. 036. 0, 336. 0, 3l m m與寬頂堰的進(jìn)口形式，水頭與寬頂堰的進(jìn)口形式，水頭H H，堰高，堰高P P有關(guān)，可以有關(guān)，可以由經(jīng)驗公式或表查??；理論最大值由經(jīng)驗公式或

11、表查??；理論最大值m=0.385m=0.385。第17頁/共38頁18二、側(cè)收縮系數(shù)二、側(cè)收縮系數(shù)43)1 (2 . 01BbBbHha式中：式中：a a為墩形系數(shù)，矩形邊緣為墩形系數(shù)，矩形邊緣a=0.19a=0.19；圓形邊緣；圓形邊緣a=0.10a=0.10。溢 流 寬 度cbbu 堰寬小于渠道寬度的寬堰寬小于渠道寬度的寬頂堰流將發(fā)生傾向收縮，頂堰流將發(fā)生傾向收縮，使主流的實際寬度使主流的實際寬度bcbc小于小于堰寬堰寬b b，水流阻力也因此增，水流阻力也因此增大，泄流能力變小。大，泄流能力變小。u 用用來反映側(cè)收縮影響。來反映側(cè)收縮影響。u 與堰寬與渠寬的比值與堰寬與渠寬的比值b/Bb/

12、B、邊墩的進(jìn)口形狀及進(jìn)、邊墩的進(jìn)口形狀及進(jìn)口斷面變化口斷面變化h/Hh/H有關(guān)，經(jīng)驗公式為：有關(guān)，經(jīng)驗公式為：第18頁/共38頁19三、淹沒條件及淹沒系數(shù)三、淹沒條件及淹沒系數(shù)h第八章第八章 堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流u 據(jù)實驗，寬頂堰的淹沒據(jù)實驗，寬頂堰的淹沒條件為：條件為： 8.0oHhsu 淹沒系數(shù)淹沒系數(shù)的大小取決于淹沒程度，的大小取決于淹沒程度，與與h hs s/H/H0 0成成反比，反比，可查表可查表8.28.2得到。得到。u 堰頂水頭堰頂水頭H H0 0及進(jìn)口形式及進(jìn)口形式一定時，下游水位升高，一定時，下游水位升高，寬頂堰形成淹沒出流后，寬頂堰形成淹沒出流后，下游水位略高于堰頂

13、水位，下游水位略高于堰頂水位，過水能力降低。過水能力降低。 第19頁/共38頁20第八章第八章 堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流四、無坎寬頂堰流的水力計算簡四、無坎寬頂堰流的水力計算簡介介l 無坎寬頂堰流形式在工程上有很多，如經(jīng)過小橋孔無坎寬頂堰流形式在工程上有很多，如經(jīng)過小橋孔徑、平底水閘、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流等。均徑、平底水閘、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流等。均可利用無坎寬頂堰原理對過流能力進(jìn)行計算?？衫脽o坎寬頂堰原理對過流能力進(jìn)行計算。l 無坎寬頂是由于堰孔寬度小于上游引渠寬度，水流無坎寬頂是由于堰孔寬度小于上游引渠寬度，水流受平面上的束窄產(chǎn)生側(cè)向收縮，引起水面跌落而形成受平面上的束窄

14、產(chǎn)生側(cè)向收縮，引起水面跌落而形成的。的。l 無坎寬頂堰的計算公式與普通寬頂堰相同，但無坎寬頂堰的計算公式與普通寬頂堰相同，但計算計算中不單獨考慮側(cè)向收縮的影響中不單獨考慮側(cè)向收縮的影響，而包含在流量系數(shù)中，而包含在流量系數(shù)中一并考慮一并考慮,即令即令m= m*1,。m可查表可查表8.3得到。得到。第20頁/共38頁218.5 閘孔出流的水力計算閘孔出流的水力計算 閘孔閘孔-帶有閘門來控制水流的泄水建筑物。帶有閘門來控制水流的泄水建筑物。閘孔出流閘孔出流-建筑物頂部閘門部分開啟，水流受閘建筑物頂部閘門部分開啟，水流受閘門控制而從建筑物頂部和閘門下緣之間下泄。門控制而從建筑物頂部和閘門下緣之間下泄

15、。2 2、堰、閘的區(qū)分（堰閘出流的轉(zhuǎn)換）、堰、閘的區(qū)分（堰閘出流的轉(zhuǎn)換） 堰流與閘孔出流是密切相關(guān)的，當(dāng)閘門開度堰流與閘孔出流是密切相關(guān)的，當(dāng)閘門開度e e大于一定值，閘門底緣對水流沒有約束時，閘大于一定值，閘門底緣對水流沒有約束時，閘孔出流轉(zhuǎn)化為堰流。孔出流轉(zhuǎn)化為堰流。1 1、基本概念、基本概念第21頁/共38頁22第22頁/共38頁23e e/ /H H 0.75 0.75 為堰流。為堰流。平頂寬頂堰平頂寬頂堰e e/ /H H 0.65 0.65 閘孔出流閘孔出流e e/ /H H 0.650.65堰流堰流曲線型寬頂堰曲線型寬頂堰e e/ /H H 0.75 0.75 閘孔出流，閘孔出流

16、，3 3、堰、閘的共同點和區(qū)別、堰、閘的共同點和區(qū)別（1 1）堰流和閘孔出流都是建筑物壅高水位，在重）堰流和閘孔出流都是建筑物壅高水位，在重力作用形成的水流運動，從能量觀點，堰閘出流力作用形成的水流運動，從能量觀點，堰閘出流的出流過程都是一種勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。的出流過程都是一種勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。u 共同點：共同點：第23頁/共38頁24（2 2）堰和閘都是屬于控制建筑物，都屬于急變）堰和閘都是屬于控制建筑物，都屬于急變流，其能量損失以局部水頭損失為主。流，其能量損失以局部水頭損失為主。 堰流的上部不受閘門控制，水流自由表面是連堰流的上部不受閘門控制，水流自由表面是連續(xù)光滑的；續(xù)光滑的；

17、 閘孔出流受到閘門的控制，自由表面被閘門截閘孔出流受到閘門的控制，自由表面被閘門截斷，閘孔上、下游水面是不連續(xù)的。斷，閘孔上、下游水面是不連續(xù)的。u 區(qū)別：區(qū)別：l 堰流和閘孔出流的這種差異導(dǎo)致它們的水流特堰流和閘孔出流的這種差異導(dǎo)致它們的水流特征、過水能力和規(guī)律都不相同。征、過水能力和規(guī)律都不相同。第24頁/共38頁254、閘孔出流的型式、閘孔出流的型式u 常見閘底坎型式：寬頂堰，曲線型實用堰常見閘底坎型式：寬頂堰，曲線型實用堰u 常見閘門型式：常見閘門型式： 平板閘門，弧形閘門平板閘門，弧形閘門第25頁/共38頁265、閘孔出流水力計算的主要任務(wù)、閘孔出流水力計算的主要任務(wù)u 在一定閘前水

18、頭下，計算不同閘孔開度時的在一定閘前水頭下，計算不同閘孔開度時的泄流量。泄流量。u 根據(jù)已知泄流量求所需的閘孔寬度。根據(jù)已知泄流量求所需的閘孔寬度。淹沒出流自由出流按照出流形式可分按照出流形式可分實際工程中，為幾種型式的組合實際工程中，為幾種型式的組合第26頁/共38頁276、底坎為、底坎為寬頂堰型寬頂堰型的閘孔出流的閘孔出流淹沒問題淹沒問題:第27頁/共38頁28hcht當(dāng)當(dāng) 運驅(qū)式運驅(qū)式 在在c-c c-c 下游下游 自由出流自由出流 臨界式臨界式 在在c-c c-c 斷面斷面 自由出流自由出流 淹沒式淹沒式 在在c-c c-c 上游上游 淹沒出流淹沒出流hcht hcht 第28頁/共3

19、8頁29A A、底坎為、底坎為寬頂堰型寬頂堰型閘孔閘孔的水力計算的水力計算HgbQe020221He寬頂堰型閘孔自由出流的寬頂堰型閘孔自由出流的 流量系數(shù)流量系數(shù)2垂直收縮系數(shù)垂直收縮系數(shù)c1流速系數(shù)流速系數(shù)第29頁/共38頁30a a）對于平板閘門的閘孔）對于平板閘門的閘孔儒可夫斯基應(yīng)用理論分析法，求得無側(cè)收縮儒可夫斯基應(yīng)用理論分析法，求得無側(cè)收縮系數(shù)條件下，垂直收縮系數(shù)隨相對開度增大系數(shù)條件下，垂直收縮系數(shù)隨相對開度增大而加大，表而加大，表8.7。2流量系數(shù)按照南京水利科學(xué)研究院經(jīng)驗公式。流量系數(shù)按照南京水利科學(xué)研究院經(jīng)驗公式。0.600.1760He第30頁/共38頁31b b）對于弧形閘門的閘孔）對于弧形閘門的閘孔主要與閘門下緣切線與水平方向夾角的大小主要與閘門下緣切線與水平方向夾角的大小有關(guān)，表有關(guān)，表8.8。2流量系數(shù)經(jīng)驗公式。流量系數(shù)經(jīng)驗公式。Heoooo)18081. 056. 0()18081. 097. 0(65. 00 ,9025Heoo第31頁/共38頁32B B、底坎為、底坎為寬頂堰型寬頂堰型閘孔閘孔淹沒出流淹