第八章堰流與閘孔出流

1、堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流本章綱要：n第一節(jié)第一節(jié) 堰流的特點(diǎn)及分類(lèi)堰流的特點(diǎn)及分類(lèi)n第二節(jié)第二節(jié) 堰流的基本公式堰流的基本公式n第三節(jié)第三節(jié) 薄壁堰薄壁堰n第四節(jié)第四節(jié) 實(shí)用堰實(shí)用堰n第五節(jié)第五節(jié) 寬頂堰寬頂堰n第六節(jié)第六節(jié) 小橋孔徑的水力計(jì)算小橋孔徑的水力計(jì)算n第七節(jié)第七節(jié) 閘孔出流閘孔出流堰和閘是水利工程中常見(jiàn)的用來(lái)引水、泄洪、調(diào)節(jié)流量或水位的水工建筑物。堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象實(shí)用堰流實(shí)用堰流弧型閘門(mén)閘孔出流弧型閘門(mén)閘孔出流二、堰閘出流特點(diǎn)二、堰閘出流特點(diǎn) (1) 橫向邊界有約束橫向邊界有約束 (2) 重力使水流流動(dòng)重力使水流流動(dòng) (3)

2、急變流急變流 (4) 以局部水頭損失為主以局部水頭損失為主1 1、共同點(diǎn)、共同點(diǎn): : 堰流堰流: 上部無(wú)約束，水面連續(xù)上部無(wú)約束，水面連續(xù), 過(guò)流能力大過(guò)流能力大 閘孔出流閘孔出流: 四周均有約束，水四周均有約束，水 面斷開(kāi)面斷開(kāi), 過(guò)流能力小過(guò)流能力小2 2、不同點(diǎn)、不同點(diǎn): :本章要點(diǎn)：(1)(1)概念：概念：堰及其分類(lèi)，出流形式；堰及其分類(lèi)，出流形式；堰流的基本公式及基本參數(shù)；堰流的基本公式及基本參數(shù)；堰流公式中的系數(shù)：無(wú)側(cè)向收縮自由出流堰流公式中的系數(shù)：無(wú)側(cè)向收縮自由出流流量系數(shù)、淹沒(méi)系數(shù)、側(cè)向收縮系數(shù)、垂流量系數(shù)、淹沒(méi)系數(shù)、側(cè)向收縮系數(shù)、垂直收縮系數(shù)（過(guò)水收縮斷面的參數(shù)）；直收縮系

3、數(shù)（過(guò)水收縮斷面的參數(shù)）；(2)(2)計(jì)算：小橋孔徑計(jì)算。計(jì)算：小橋孔徑計(jì)算。第一節(jié)第一節(jié) 堰流的特點(diǎn)及其分類(lèi)堰流的特點(diǎn)及其分類(lèi)n水流受到從河底建起的建筑物（堰體）的阻水流受到從河底建起的建筑物（堰體）的阻擋，擋，或者受兩側(cè)墻體的約束影響或者受兩側(cè)墻體的約束影響，n在堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體自由下泄在堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體自由下泄,n下泄水流的自由表面為連續(xù)的曲面下泄水流的自由表面為連續(xù)的曲面一、堰流的定義一、堰流的定義堰堰:堰頂厚度P1、P2:上下游堰高H:堰上水頭V0:堰前行近流速h:下游水深:下游水位與堰頂?shù)母卟頱:堰凈過(guò)流寬度B:河道寬度35H1 1、從堰的幾何形狀分：薄壁堰

4、、實(shí)用堰、寬頂堰、從堰的幾何形狀分：薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰薄壁堰/H 0.67二、堰流的分類(lèi)二、堰流的分類(lèi)v011v1P200HP100n堰頂水舌不受堰的堰頂水舌不受堰的頂托影響；頂托影響；n水舌下緣與堰頂水舌下緣與堰頂只有線的接觸；只有線的接觸；n水舌上下邊界水舌上下邊界為大氣壓強(qiáng)。為大氣壓強(qiáng)。0堰頂加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受堰頂堰頂加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受堰頂約束和頂托，但影響還不大，水流主要還是重力作用約束和頂托，但影響還不大，水流主要還是重力作用下的自由跌落。下的自由跌落。00v0H11實(shí)用堰0.67 /H 2.5曲線型實(shí)用堰曲線型實(shí)用堰 00v0H11折線型實(shí)用

5、堰折線型實(shí)用堰 H00P1P2v011v1u堰頂對(duì)水流的頂托堰頂對(duì)水流的頂托作用非常明顯作用非常明顯u進(jìn)口出現(xiàn)水面跌落進(jìn)口出現(xiàn)水面跌落u實(shí)驗(yàn)表明，寬頂實(shí)驗(yàn)表明，寬頂堰流的水頭損失堰流的水頭損失主要是局部水頭主要是局部水頭損失損失u當(dāng)當(dāng)/ H 10時(shí)，沿程水時(shí)，沿程水頭損失起主要作用，水流頭損失起主要作用，水流也逐漸具有明渠的性質(zhì)也逐漸具有明渠的性質(zhì)。寬頂堰2.5/ H 10自由出流自由出流v0H0P100v0H0hsP2ht淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流2、下游水深對(duì)堰的影響：、下游水深對(duì)堰的影響：自由岀流堰和淹沒(méi)岀流堰自由岀流堰和淹沒(méi)岀流堰3、從堰寬和河寬的大小分：有側(cè)收縮堰和無(wú)側(cè)收縮堰無(wú)側(cè)收縮堰：B=b

6、有側(cè)收縮堰： Bb4.從水流方向分：正堰、側(cè)堰、斜堰正堰：堰與水流方向正交。側(cè)堰：堰與水流方向平行。斜堰：堰與水流方向不正交。第二節(jié) 堰流的基本公式v011v1P200HP100gvgvpgvH22221211120002002HgvH堰流作用水頭因水舌被大氣包圍， 1-1斷面的0/1pgvH2)(211001121gHv11設(shè)流速系數(shù)012gHv以自由式無(wú)側(cè)收縮薄壁堰 為例01kbHkm 0kHe 2302 HgmbQ 流量系數(shù)流量系數(shù)水舌厚度水舌厚度:v011v1P200HP100K:垂直收縮垂直收縮系數(shù)系數(shù)過(guò)水?dāng)嗝娣e過(guò)水?dāng)嗝娣e:012gHv2302 HgbkQ),(kmm 反映局部水頭損

7、失的影反映局部水頭損失的影響響 反映堰頂水流垂直收縮的程度反映堰頂水流垂直收縮的程度k影響因素包括：堰頂水頭、上游堰高影響因素包括：堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂進(jìn)口邊緣形狀等、堰頂進(jìn)口邊緣形狀等2302 HgmbQm 流量系數(shù)流量系數(shù)b堰寬H0堰上作用水頭02002HgvH,淹沒(méi)系數(shù)淹沒(méi)系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)v011v1P200HP1考慮側(cè)收縮和淹沒(méi)影響適用于薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰第三節(jié)第三節(jié) 薄壁堰薄壁堰v0v1P200HP1n特征特征:n具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。n常作為一種有效量水工具。常作為一種有效量水工具。n由于堰壁較薄，上游水頭不宜過(guò)大。由于堰壁較薄，

8、上游水頭不宜過(guò)大。2302 HgmbQ 2302 HgbmQ 2323200232002)21 ()2(2HgbgHvmgvHgmbQ232000)21 (gHvmm一、矩形堰一、矩形堰1、自由式無(wú)側(cè)收縮堰巴贊公式巴贊公式8-3-1雷布克公式雷布克公式8-3-2B)(55. 01)0027. 0405. 0(210pHHHm巴贊公式巴贊公式8-3-1HpHm0007. 0053. 0403. 010雷布克公式雷布克公式8-3-22.自由式有側(cè)收縮堰2320HgbmQmc 有側(cè)收縮時(shí)的流量系數(shù)cmm 0Let:232 HgbmQc8-3-3b)()(55. 01 )03. 00027. 0405

9、. 0(212pHHBbBbBHmc3.淹沒(méi)堰2302 HgbmQ必要條件：堰下游水位要高于堰頂。充分條件：堰下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍式（8-3-4）32)2 . 01 (05. 1Hzp堰頂過(guò)流斷面為三角形堰頂過(guò)流斷面為三角形。所測(cè)流量較小。所測(cè)流量較小 ( (例如例如 Q 0.1m3/s) )時(shí)時(shí), , 可用三角形薄壁堰提高精度?？捎萌切伪”谘咛岣呔?。二、三角形堰二、三角形堰5 . 24 . 1 HQ )(0154. 047. 2slHQ B905 . 2CHQ C： 8-3-8H三、梯形堰三、梯形堰5 . 15 . 105 . 25 . 1022)2(2HgbmHgbbgCHmCHHgbm

10、Qt當(dāng) 時(shí)，流量系數(shù) 不隨H及b變化，且約為0.42。14tmBHb第四節(jié)第四節(jié) 實(shí)用堰實(shí)用堰實(shí)用堰包括曲線型實(shí)用堰和折線型實(shí)用堰00v0H11折線型實(shí)用堰折線型實(shí)用堰 曲線型實(shí)用堰曲線型實(shí)用堰 曲線型實(shí)用堰又包括真空堰和非真空堰計(jì)算公式2302 HgmbQ2302 HgmbQ0.5m 0.45m 在初步估算時(shí)非真空堰折線多邊形堰 m=0.350.42式中：a為考慮壩墩形狀影響的系數(shù)，矩形壩墩a0.2，半圓形或尖形壩墩a0.11，流線形尖墩a=0.06。實(shí)用堰的淹沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)與薄壁堰相同非真空堰淹沒(méi)系數(shù)由表8-1決定 真空堰第五節(jié)第五節(jié) 寬頂堰寬頂堰無(wú)坎寬頂堰流：無(wú)坎寬頂堰流：由于由于側(cè)向收縮側(cè)向收

11、縮的影響，的影響，形成進(jìn)口水形成進(jìn)口水面跌落面跌落的水流狀態(tài)的水流狀態(tài).有坎寬頂堰流有坎寬頂堰流：由于存在底坎引起水流在由于存在底坎引起水流在垂直方向垂直方向產(chǎn)生收縮而產(chǎn)生收縮而形成進(jìn)口水面跌落形成進(jìn)口水面跌落的水流現(xiàn)象的水流現(xiàn)象。一、寬頂堰流特點(diǎn)一、寬頂堰流特點(diǎn)特征特征: 進(jìn)口垂直收縮影響進(jìn)口垂直收縮影響,水面第一次跌落水面第一次跌落 在在斷面達(dá)最小值，斷面達(dá)最小值，hchk 堰頂流態(tài)為急流堰頂流態(tài)為急流 下游水位較低時(shí)下游水位較低時(shí)，出口產(chǎn)生第二次水面跌落。出口產(chǎn)生第二次水面跌落。H00P1P2v0KK2Hcchc自由出流理解掌握理解掌握當(dāng)下游水位剛超過(guò)k-k線,出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式或臨界水躍,此時(shí)

12、 不變，仍為自由岀流。ch下游水位增加00.8H淹沒(méi)判別條件：隨著下游水位進(jìn)一步增大，堰頂出現(xiàn)淹沒(méi)水躍 收縮斷面被淹沒(méi)收縮斷面被淹沒(méi),水躍消失水躍消失 堰上水流為緩流堰上水流為緩流 水面線近似平行于堰頂水面線近似平行于堰頂 進(jìn)口水位跌落進(jìn)口水位跌落,出口水位微微上升出口水位微微上升淹沒(méi)岀流堰頂入口為直角的寬頂堰堰頂入口為直角的寬頂堰320330 75046030103201111.,)(. mHPHPHPHPm當(dāng)當(dāng)H00P1P2v011v1二、流量系數(shù)二、流量系數(shù)2302 HgmbQHP1v0r堰頂入口為圓弧的寬頂堰堰頂入口為圓弧的寬頂堰360330( 512130103601111.,).

13、mHPHPHPHPm當(dāng)當(dāng)三、側(cè)收縮系數(shù)三、側(cè)收縮系數(shù)2302 HgmbQ為墩形系數(shù)圓形邊緣矩形邊緣堰凈溢流寬度小于河道寬度,形成側(cè)收縮影響單孔：)1 (2 . 0143110BbBbHPa0a19. 00a1 . 00adbbb邊墩邊墩邊墩邊墩閘墩閘墩閘墩閘墩B當(dāng)寬頂堰溢流寬度較大時(shí)，需設(shè)置閘墩和邊墩，此時(shí)需用（8-5-4）、（8-5-5）、（8-5-6）計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)。淹沒(méi)程度越大淹沒(méi)程度越大,淹淹沒(méi)系數(shù)越小沒(méi)系數(shù)越小四、淹沒(méi)系數(shù)系數(shù)四、淹沒(méi)系數(shù)系數(shù)00.8H 表8-5-1第六節(jié)第六節(jié) 小橋孔徑的水力計(jì)算小橋孔徑的水力計(jì)算無(wú)坎寬頂堰流無(wú)坎寬頂堰流H:橋前壅水水深h1 :橋下(孔)水深h :橋

14、下游水深hk :橋孔臨界水深自由出流淹沒(méi)出流h1h=h1khh3 . 1khh3 . 1自由岀流自由岀流淹沒(méi)岀流淹沒(méi)岀流 一、孔徑計(jì)算公式一、孔徑計(jì)算公式khh1有效過(guò)流寬度:b建立0-0和1-1斷面的能量方程gvgvhgvH22221211200gvhH2)(2110)(21101hHgv)(201khHgv)(20kkhHghbQ111vhbvQk185. 075. 0：垂向收縮系數(shù)，22202gvhH)(201khHgv)(20kkhHghbQh1 h=h1khh1)(20hHgbhQ)(202hHgv221102gvhH22202gvhH與橋臺(tái)形式有關(guān)值的選取，對(duì)非平滑進(jìn)口， 0.75

15、 0.80對(duì)于平滑進(jìn)口， 0.80 0.85有的設(shè)計(jì)方法取 1二、小橋孔徑水力計(jì)算原則及步驟二、小橋孔徑水力計(jì)算原則及步驟已知條件已知條件:n河道寬度河道寬度Bhn河道設(shè)計(jì)流量河道設(shè)計(jì)流量Q，n建橋前水深（即建橋后橋下游水建橋前水深（即建橋后橋下游水深深h），n經(jīng)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)確定n橋孔允許流速橋孔允許流速 ，橋前允許壅水水深，橋前允許壅水水深vH計(jì)算任務(wù)計(jì)算任務(wù):設(shè)計(jì)小橋孔徑設(shè)計(jì)小橋孔徑B、計(jì)算橋孔流速及橋前壅水水深、計(jì)算橋孔流速及橋前壅水水深需滿(mǎn)足需滿(mǎn)足:橋孔流速橋孔流速vv ；橋前壅水；橋前壅水HH1、計(jì)算原則按照橋前壅水水深按照橋前壅水水深H=允許最大壅水水深允許最大壅水水深 設(shè)計(jì)孔徑設(shè)計(jì)孔徑H按照橋孔流速按照橋孔流速v =不沖不沖允許流速允許流速 設(shè)計(jì)孔徑設(shè)計(jì)孔徑v設(shè)計(jì)的孔徑在設(shè)計(jì)流量通過(guò)時(shí)保證設(shè)計(jì)的孔徑在設(shè)計(jì)流量通過(guò)時(shí)保證HH設(shè)計(jì)的孔徑在設(shè)計(jì)流量通過(guò)時(shí)保證設(shè)計(jì)的孔徑在設(shè)計(jì)流量通過(guò)時(shí)保證vv以自由出流為例以自由出流為例,322)( bgQhkgvhk22 322)(gvhhkkkhh11vhbvbhQk2、計(jì)算用公式令令 v=vvhQbk222211022gvhgvhHk淹沒(méi)岀流？淹沒(méi)岀流？gvhk22 (1)從允許流速出發(fā)計(jì)算小橋孔徑b3、計(jì)算步驟(2)選取標(biāo)準(zhǔn)孔徑Bb公路、鐵路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)孔徑有4m、5m、6m、8m、10m、12m、16m