水力學 第八章

1、1第八章第八章 堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流 水利工程中為了泄水或引水，常修建水閘或溢流壩等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受閘門控制而從建筑物頂部與閘門下緣間孔口流出時，這種水流狀態(tài)叫做閘孔出流。當頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對水流不起控制作用時，水流從建筑物頂部自由下泄，這種水流狀態(tài)稱為堰流。2 堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象。 堰流與閘孔出流也存在著許多共同點。首先，堰流和閘孔出流都是因水閘或溢流壩等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流運動。其次，這兩種水流都是在較短的距離內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲，離心慣性力對建筑物表面的壓強分布及建筑物的過水能力均有一定影響

2、。 其出流過程的能量損失主要是局部損失。3 閘底坎平頂堰時 為閘孔出流； 為堰流； 閘底坎為曲線型堰流時 為閘孔出流； 為堰流； 式中：e為閘孔開度；H為從堰頂算起的閘前水深。65. 0He65. 0He75. 0He75. 0He48-1 堰流的類型及計算公式堰流的類型及計算公式 一、堰流的類型一、堰流的類型水利工程中常根據(jù)不同的建筑材料和使用要求作成不同的堰。堰坎外形及厚度不同其能量損失及過水能力也會不同。5 工程上通常按照堰坎厚度與堰上水頭H的比值大小及水流的特征將堰流分作： 1薄壁堰流：即 。 2實用堰： 即 。 3寬頂堰流：即 。 67.0H5.267.0H105 .2H 二、堰流的

3、基本公式二、堰流的基本公式2302 HgmBQs68-2 薄壁堰流的水力計算薄壁堰流的水力計算 薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關系，因此常作為水力模型試驗或野外測量中一種有效的量水工具。常用的薄壁堰頂部過水斷面常作成矩形或三角形，分別稱為： 一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流 薄壁堰流由于具有穩(wěn)定的水頭和流量關系，因此，常作為水力模型試驗或外測量中一種有效的量水工具。有些臨時性的擋水建筑，如疊梁閘門（見圖8-4）也可近似作薄壁堰流計算。7另外，工程上廣泛應用的曲線型實用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌緣曲線設計。所以，薄壁堰流的研究是具有實際意義的。8910112/302 HgmbQ 2/32/

4、32002/320022122HgbgHvamgvaHgmbQ122/3200021gHvamm2/302 HgbmQ HPHm0007. 0053. 0403. 0101PH1321009. 02 . 014. 0004. 0354. 1BHPHC14158-3 實用堰流的水力計算實用堰流的水力計算 作為擋水及泄水建筑物的溢流壩就是實用堰的典型例子。低溢流堰常用石料砌筑成折線形，較高的溢流壩為了增大過流能力，一般作成曲線形，即所謂的折線型實用堰和曲線型實用堰。2302 HgmBQs16 一、曲線型實用堰的剖面形狀一、曲線型實用堰的剖面形狀 曲線型實用堰比較合理的剖面形狀應當具有下列幾個優(yōu)點：

5、 (1) 過水能力大 (2) 堰面不出現(xiàn)過 大的負壓 (3) 經(jīng)濟、穩(wěn)定17(a)(b)(c) 堰頂曲線BC對水流特性的影響最大，是設計曲線實用堰剖面形狀的關鍵。國內(nèi)外設計堰剖面形狀有許多方法，主要區(qū)別在于曲線段BC如何確定。 實際采用的剖面形狀都是按薄壁堰水舌下緣曲線稍加修改而成。18 薄壁堰自由出流時，水舌下緣曲線的特性 如圖所示矩形薄壁堰自由出流，設堰頂B點處水流質(zhì)點流速u與水平方向相交成角，則x、y方向大流速分量等于 ，則在水舌下緣最高點時有 。經(jīng)時刻t后，液體質(zhì)點的坐標值為： 消去t后，兩端用Hd整理后得式中：系數(shù) ；指數(shù) n =2。sin,cosuuuuyx0,yxuuu221co

6、sgtyuttuxxnddHxkHy)()(guHkd2cos42219 我國采用的剖面有： 1克里格奧菲采洛夫（過去常用） 2渥奇 3美國水道試驗站W(wǎng)ES型（現(xiàn)在常用） WES剖面如圖20 二、曲線型實用堰的流量系數(shù)二、曲線型實用堰的流量系數(shù) 實驗研究表明，曲線型適用堰的流量系數(shù)主要決定于上游堰高與設計水頭之比P1/Hd、堰頂全水頭與設計水頭之比H0/Hd 以及上游面的坡度。21 三、側(cè)收縮系數(shù)三、側(cè)收縮系數(shù) 側(cè)收縮系數(shù)就是用來考慮邊墩及閘墩對過水能力的影響。可由下面經(jīng)驗公式計算： 式中： n為堰孔數(shù)； H0為堰頂全水頭； Ka為邊墩形狀系數(shù)； KP為閘墩形態(tài)系數(shù)。01) 1(21nbHKn

7、KPa22 四、曲線型實用堰的淹沒四、曲線型實用堰的淹沒 試驗研究表明:(1) 當下游水位高過堰頂至某一范圍時堰下游形成淹沒水躍，過堰水流受到下游水位的頂托，降低了過水能力 即為淹沒出流；(2) 當下游護坦高程較高，過堰水流受下游護坦的影響，也會產(chǎn)生類似淹沒的效果而使流量系數(shù)降低。實際計算中用淹沒系數(shù) 來綜合反映下游水位及護坦高程對過水能力的影響。 決定于 hs/H0和 P2/H0。ss23 淹沒系數(shù) 可查下圖：當 hs/H0 0.15和 P2/H0 2時出流不受下游水位及護坦高程的影響稱為自由出流。s1s248-4 寬頂堰流的水力計算寬頂堰流的水力計算 當堰頂水平且厚度 ，在進口處形成水面跌

8、落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行堰頂?shù)臐u變流動即為寬頂堰流。 流量計算公式為：(a)(b)(c)10/5 . 2H2/3012 HgbmnQs25 一、流量系數(shù)一、流量系數(shù) 對堰頂入口為直角的寬頂堰 對堰頂進口為圓角的寬頂堰 HPHPm1175. 046. 0301. 032. 0HPHPm115 . 12 . 1301. 036. 026 二、側(cè)收縮系數(shù)二、側(cè)收縮系數(shù) （8-15） 式中： a0 為考慮墩尖及堰頂入口形狀的系數(shù)。當閘墩（或邊墩）頭部為矩形，堰頂為直角入口邊緣時a00.19；當閘墩（或邊墩）頭部為圓弧形，堰頂入口邊緣為直角或圓弧形時a0=0.10； b為溢流孔凈寬； B為上游引渠

9、寬。)1 (2 .0143101BbBbHPa27 上式的應用條件為： ； 。 當 時，應采用 ； 當 時，應采用 。 1對單孔寬頂堰（無閘墩） 式中 b采用兩邊墩間的寬度； B可采用堰上游的水面寬度。 2對多孔寬頂堰（有邊墩及閘墩） 2 . 0Bb31HP2 . 0Bb2 . 0Bb31HP31HP28 側(cè)收縮系數(shù)應取邊孔及中孔的加權(quán)平均值： （8-16） 式中： n為孔數(shù)； 為中孔側(cè)收縮系數(shù)，按（8-15）式計算時，可取 。 為單孔凈寬； ，d為閘墩厚； 為邊孔側(cè)收縮系數(shù)，用(8-15)式計算時，可取： 為邊孔凈寬； ，為邊墩計算厚度，是邊墩邊緣與堰上游同側(cè)水邊線間的距離。nn111) 1

10、(1bb bdbB1bb b2bB29三、寬頂堰的淹沒條件及淹沒系數(shù)三、寬頂堰的淹沒條件及淹沒系數(shù) 寬頂堰的淹沒條件（取平均值）為 08 . 0 Hhs寬頂堰的淹沒系數(shù)寬頂堰的淹沒系數(shù)hs/H00.800.810.820.830.840.850.860.870.880.89s1.000.9950.990.980.970.960.950.930.900.87hs/H00.900.910.920.930.940.950.960.970.98s0.840.820.780.740.700.650.590.500.4030 例8-5 今擬在某攔河壩上游設置一灌溉進水閘如圖8-27所示。已知，進閘流量Q為

11、41m3/s，引水角為450，閘下游渠道中水深h1為2.5m，閘前水頭H為2m，閘孔數(shù)n為3，邊墩進口處為圓弧形，閘墩頭部為半圓形，閘墩厚d為1m，邊墩的計算厚度為0.8m，閘底坎進口為圓弧形，坎長為6m，上游坎高P1為7m，下游坎高P2為0.7m，攔河壩前河中流速v0為1.6m/s。求所需的堰孔凈寬b。31 解：因為 ， ，故閘孔全開時為寬頂堰流，其計算公式為 現(xiàn)分別計算式中各項： 1閘前全水頭H0 由于行近流速v0的方向與進水閘軸線交角為450， 故全水頭H0可以下列公式計算326H105 . 2H23012 HgmnbQsmgvaHH1 . 245cos8 . 926 . 112cos2

12、02200032 2流量系數(shù)m 當P17m， 時，對堰頂入口為圓弧形的寬頂堰，流量系數(shù)m=0.36。 3淹沒系數(shù) 由 因為 ，故為淹沒出流。 根據(jù) ，從表8-2查得5 . 3271HPsmPhhs8 . 17 . 05 . 221mH68. 11 . 28 . 08 . 0008 . 0 Hhs857. 01 . 28 . 10Hhs953. 0s33 4側(cè)收縮系數(shù) 對閘、邊墩頭部為圓弧形，堰頂入口邊緣為圓弧的寬頂堰，（8-15）式中a0=0.1。則中孔側(cè)收縮系數(shù) 邊孔側(cè)收縮系數(shù) 1nn111) 1()11 (1272 . 01 . 01431bbbb)8 . 021 (8 . 02272 .

13、 01 . 01431bbbb34 因b 未知，故計算只能按試算法進行。 設nb9m，則 ；由此可求得 0.980mb339985. 0)1331 (133272 . 01 . 01431)8 . 02331 (8 . 0233272 . 01 . 0143135 則 將各已知值代入堰流計算基本公式的右端，當所得值等于已知流量時，所假定的nb即為所求： 41m3/s 故所需的堰孔凈寬b=9m，分三孔（n=3），每孔凈寬b=3m。983. 0398. 0985. 0) 13(1231 . 243. 4936. 0953. 0983. 0Q36 例8-6 某泄洪排沙閘共四孔，每孔凈寬b為14m；閘

14、墩頭部為半圓形，墩厚d為5m，閘室上游翼墻為八字形，收縮角為300，翼墻計算厚度為4m；上游河道斷面近似矩形，河寬B為79m；閘室下游邊一陡坡渠道坡度i為2，閘底高程為100m（圖8-28）。試計算閘門全開，上游水位高程為111.0m時的流量。37 解：因閘室下游為陡坡渠道，下游為急流。故閘門全開時通過閘室的水流應為多孔無坎寬頂堰自由出流。計算公式為 式中，b=nb =414=56m； 應為包括側(cè)收縮影響的各孔流量系數(shù)的加權(quán)平均值。可分別計算中孔流量系數(shù) 及邊孔流量系數(shù) ，然后用加權(quán)平均法求 ，具體計算如下： 中孔流量系數(shù)2302 HgbmQ m1m2mm1m；查得由表363.058737.0

15、51414179.0145.221mdbbBbbdbr38 邊孔流量系數(shù) 平均流量系數(shù) 由于堰前過水斷面不大，必須計入行近流速的影響。但流量未知， v0無法求出。可采用“逐步近似法”計算。2m363. 048732. 130637. 0421414220mctgctgbbBb查得由表m363. 04363. 0363. 0) 14() 1(21nmmnm39 第一次近似計算： 假定v010，即H01H11m，則 第二次近似計算： 根據(jù)已求得的流量，可計算行近流速的的近似值 則 smQ323132901143. 4144363. 0smHBQv/79. 3869329011793290102mg

16、vahv73. 08 . 9279. 312220002mgvaHH73.1173. 011220002smQ/360073.1143. 4144363. 0323240 第三次近似計算： 第四次近似計算： 按第三次求得的流量計算得 因為Q4與Q3相當接近 。故可認為所求的 Q3690m3/s，v0=4.23m/s。 smv/14. 41179360003mh87. 08 . 9214. 41203smQ/360087.1143. 4144363. 0323smv/32. 404mhv91. 004mH91.1104smQ/369034%27.0434QQQ418-6 閘孔出流的水力計算閘孔出

17、流的水力計算 實際工程中的水閘，閘底坎一般為寬頂堰或曲線型實用堰，閘門型式主要有平板閘門及弧形閘門。水力計算的任務：在一定閘前水頭下計算不同閘孔開度時的泄流量；或根據(jù)已知的泄流量求所需的閘孔寬度b。 計算基本公式： 式中： s淹沒系數(shù)（自由出流s1） 閘孔出流流量系數(shù) b 閘孔寬度 e 閘孔開度 H0閘孔全水頭02gHbeQs42 一、底坎為寬頂堰的閘孔出流一、底坎為寬頂堰的閘孔出流 閘孔出流受水躍位置的影響可分為自由出流及淹沒出流二種。如圖設收縮水深hc的躍后水深為 。 若 ，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。 若 ，則水躍發(fā)生在收縮斷面上

18、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 的增大而減小。(a)(b)(c)chchchththth43 1流量系數(shù)流量系數(shù) （1）對于平板閘門的閘孔 流量系數(shù)可按南京水利科學研究所的經(jīng)驗公式計算 （2）對于弧形閘門的閘孔 流量系數(shù)可由下面的經(jīng)驗公式計算 上式的適用范圍是：250900； 。 He)18081. 056. 0()18081. 097. 0(000065. 00HeHe176.060.044 2淹沒系數(shù) 當下游水深大于收縮斷面水深的共軛水深，即 時，閘孔為淹沒出流。 據(jù)南京水利科學研究所的研究淹沒系數(shù)s與潛流 比( H )有關，可由圖8-34查得。ch

19、chth cthh 45 例8-8 矩形渠道中修建一水閘，閘底板與渠底齊平，閘孔寬b等于渠道寬度，b為3m，閘門為平板門。今已知，閘前水深H為5m，閘孔開度e為1m。求下游水深hi為3.5米時通過閘孔的流量。 解: 因為 故為閘孔出流。 先判別閘孔出流的性質(zhì)： 由表8-7，當e/H0.2時，垂直收縮系數(shù)20.619，則收縮水深為 65. 02 . 051Hemehc619. 01619. 0246 收縮水深hc的共軛水深 由下式計算 收縮斷面的流速vc為 若不計行近流速的影響；上式中閘孔自由出 流的流量系數(shù)用（8-22）式計算。則 ch) 181(22ccccghvhh022022gHbegHbebhQvccsmvc/04. 9543. 4619. 02 . 0176. 060. 047 收縮斷面的共軛水深為 因為 故閘孔為淹沒出流，流量應根據(jù)（8-24）式計算。 潛流比 ； 從圖8-34查得淹沒系