閘孔出流計(jì)算

1、閘孔出流計(jì)算第八章 堰流及閘孔出流第一節(jié) 概 述水利工程中為了宣泄洪水以及引水灌溉、發(fā)電、給水等目的，常需要修建堰閘等泄水建筑物，以控制水庫或渠道中的水位和流量。堰、閘等泄水建筑物水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是研究其水流狀態(tài)和過流能力。一 . 堰流及閘孔出流的概念既能壅高上游水位，又能從自身溢水的建筑物稱為堰。水流由于受到堰坎或兩側(cè)邊墻的束窄阻礙，上游水位壅高，水流經(jīng)過溢流堰頂下泄，其溢流水面上緣不受任何約束，而成為光滑連續(xù)的自由降落水面，這種水流現(xiàn)象稱為堰流。水流受到閘門或胸墻的控制，閘前水位壅高，水流由閘門底緣與閘底板之間孔口流出，過水?dāng)嗝媸荛l門開啟尺寸的限制，其水面是不連續(xù)的，這種水流現(xiàn)象稱為閘孔

2、出流。二 . 堰流與閘孔出流的水流狀態(tài)比擬堰流與閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象：堰流時(shí)，水流不受閘門或胸墻控制，水面曲線是一條光滑連續(xù)的降落曲線。 而閘孔出流時(shí)，水流要受到閘門的控制，閘孔上下游水面是不連續(xù)的。對(duì)明渠中具有閘門控制的同一過流建筑物而言，在一定邊界條件下，堰流與閘孔出流是可以相互轉(zhuǎn)化的，即在某一條件下為堰流，而在另一條件下可能是閘e孔出流。堰流與閘孔出流兩種流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的條件除與閘門相對(duì)開度H 有關(guān)外，三口4 口而M i 1 式 101米 、1 ,小坯與上游來水是漲水還是落水有關(guān)。經(jīng)過大量的 出流。閘底坎為平頂eeHH為閘孔出流，為堰流。閘底坎為曲線eeH為閘孔出流，H為堰流。式中

3、，H為從堰頂或閘底坎算起的閘前水深，e為閘1開度。堰流與閘孔出流又有許多共同點(diǎn)：堰流及閘孔出流都是由于堰或閘壅癖域切能防廢制版局1臨視就定的勢(shì)能。泄水過程也都是在重力作用下將第二節(jié) 堰流的類型及水力計(jì)算公式一、堰流的類型常見的有薄壁堰、曲線型實(shí)用堰、折線型實(shí)用堰、寬頂堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力計(jì)算時(shí)，并不按堰的用途分類，而是按堰坎厚度與堰上水頭H的比值大小來劃分堰流類型，即按堰的相對(duì)厚度對(duì)堰流進(jìn)行分類。H1溥壁堰流：。此時(shí)越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只呈線的接觸，水面為單一的降落曲線。由于薄壁堰常將堰頂 做成銳緣，故薄壁堰也稱為銳緣堰。H2實(shí)用堰流：

4、H o水舌下緣與堰頂呈面的接觸，水舌受到堰頂?shù)?約束和頂托，但這種影響還不是很大，越過堰頂?shù)乃髦饕€是在重力作 用下的自由跌落。103寬頂堰流：H 。此時(shí)堰頂厚度對(duì)水流的頂托作用已經(jīng)非常明顯，進(jìn)入堰頂?shù)乃魇艿窖唔敶怪狈较虻募s束，過水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，加之水 流進(jìn)入堰頂時(shí)存在局部水頭損失，因此，在進(jìn)口處形成了水面跌落。然后水面 幾乎與堰頂保持平行，當(dāng)下游水位較低時(shí)，流出堰頂?shù)乃饔謺?huì)產(chǎn)生第二次水 面跌落。H卻是隨水流狀況變化的。堰流的類型雖然有以上幾種，但其水流的運(yùn)動(dòng)卻有著共同的規(guī)律。比方，水流在趨近 堰頂時(shí)，由于流線收縮，流速增大，溢流自由水面均有明顯的降落；從作用力方面來講，重力作用是

5、主要的；從水流的流線變化情況來看，堰流都屬于明 渠急變流，離心慣性力的影響比擬顯著，有時(shí)還存在外表張力的影響；從能量方面講, 都是勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，而且水流運(yùn)動(dòng)過程中以局部水頭損失為主。既然如此，堰流問 題就可以用同一個(gè)公式來描述。堰流的根本公式堰流水力計(jì)算的根本公式Qsimb2gH032下游水位過高，以致影響了堰的過流能力，這時(shí)的堰流就稱為淹沒出流;反之，稱為自由出流。其影響以淹沒系數(shù)s閘墩及邊墩的存在會(huì)引起水流的側(cè)向收縮，降低過流能力，這種堰稱為有側(cè)收縮堰；反之，稱為無側(cè)收縮堰，其影響以側(cè)收縮系數(shù)1來反映。但設(shè)堰頂有n孔閘門，上式中的堰頂寬度可表示為b nb,其中b為單孔上述堰流水力計(jì)算的根

6、本公式對(duì)于過水?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝娴谋”谘吡鳌?shí) 用堰流、寬頂堰流都是適用的，只是堰流類型不同，其流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、 淹沒系數(shù)確實(shí)定方法與計(jì)算公式不同，這是值得特別關(guān)注的問題。第三節(jié)薄壁堰流的水力計(jì)算薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，因此薄壁堰常用作實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)或野外 量測(cè)流量的量水工具。工程實(shí)際中廣泛采用的曲線型實(shí)用堰和隧洞進(jìn)口曲線等也 常根據(jù)薄壁堰流水舌下緣曲線來構(gòu)制。常見的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和拋 物線形。一、矩形薄壁堰實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)矩形薄壁堰流無側(cè)收縮、自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定。1、無側(cè)收縮、自由出流時(shí)的流量系數(shù)可按以下公式計(jì)算1巴贊公式Bazin , 1898年mHmo)1 0.

7、55( H)2或HHPi式中，H、Pi以m計(jì)。適用范圍是 H, b2m,Pm 10 / 1312雷伯克公式，1929年2 Hmo)B,1H2m, P1O3 Hpi式中，H、P1以m計(jì)。適用范圍是H , b 二、三角形薄壁堰-'一當(dāng)量測(cè)流量較小小于m.s時(shí)，宜采用三角形薄壁堰。三角形薄壁堰的流量公式第四節(jié) 實(shí)用堰流的水力計(jì)算I輕露鼠型|制曲線型實(shí)用堰的剖面組成及其設(shè)計(jì) 曲線型實(shí)用堰的剖面一般如圖所小.學(xué)直線段 AB、堰頂曲線段BC、下游斜坡段CD以及反弧磐戰(zhàn)齊卜對(duì)堰的剖面形狀有DE的公切線，其坡O涔BC具苧法，其告AB AB -rr 器感和設(shè)出ICD 武壩體強(qiáng)黃楠m魅 CD 反弧段DE是

8、連接直線段CD與河床的圓弧，主要為使其連接光滑，防止水流直沖河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半徑應(yīng)結(jié)合消能形式統(tǒng)一考慮:、WES堰的水力計(jì)算1、WES堰的堰面曲線y0.5(x)WES標(biāo)準(zhǔn)剖面：堰頂°點(diǎn)下游的曲線按HdHd計(jì)算；堰頂0點(diǎn)發(fā)采用三段復(fù)合圓弧相接，這樣可使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善了堰面壓強(qiáng)分布,、.o2、流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究說明，曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)主要取決于 面坡度等，實(shí)用中 WES堰的流量系數(shù)可查圖確定。PiHo0、9以及上游Pir Hd時(shí)，稱為高堰，計(jì)算中行近流速水頭可忽略不計(jì)，并且，當(dāng)Ho實(shí)際工作水頭等于設(shè)計(jì)水頭，即Hd時(shí)，設(shè)計(jì)流量系數(shù)mdH0堰的設(shè)計(jì)流

9、量系數(shù)為常數(shù)。當(dāng)實(shí)際工作水頭不等于設(shè)計(jì)水頭時(shí),假設(shè)Hd,那么Homm；假小，那么m mdPi假設(shè)Hd,此時(shí)行近流速加大，流量系數(shù)m將隨HoPiHo f(的減小而減小,Pi )此時(shí)流量系數(shù)m不僅與Hd有關(guān)，還與Hd有關(guān)，即mdHdHd o3、側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為i 10.2 k(n 1)onb前茶傅或表靛厚墩形狀系數(shù)，0為閘墩形狀系數(shù)，其數(shù)值可按不同形狀分4、淹沒系數(shù)對(duì)一般高堰，當(dāng)下游水位超過堰頂，并堰下發(fā)生淹沒水躍時(shí)，稱為淹沒 出流。此時(shí)過堰水流受下游水位頂托，將使堰的過流能力降低。實(shí)際計(jì)算時(shí)，一 般用淹沒系數(shù)反映下游水位和堰后護(hù)坦高程對(duì)過流能力的影響。淹沒系數(shù)決定于hs P2hs

10、P2H0及H0。對(duì)WES剖面堰，當(dāng)H0 及H0 時(shí)，出流不受下游水位的 影響，稱為自由出流。第五節(jié)寬頂堰流的水力計(jì)算工程實(shí)際中，寬頂堰流的水流現(xiàn)象是十分常見的。如進(jìn)水閘，不管有坎 還是無坎 F水流均屬于寬頂堰流；流經(jīng)無壓隧洞迸耳、涵管進(jìn)口、橋孔、施工圍堰的水流等也都屬于寬頂堰流。堰流有坎寬頂堰流的水力計(jì)算1、流量系數(shù)閘孔出流計(jì)算股頂堰流的流量系數(shù) m取決于堰的進(jìn)口形式和堰的相對(duì)高度 ”，具體可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。矩形有宜角前沿進(jìn)口的寬頂堰Pl時(shí).PiPiPi流量系數(shù)為常數(shù),m。2矩形帶圓角前沿進(jìn)口的寬頂堰13/1310Pi3HPi常數(shù),上式適用范圍:3 Pi 3；當(dāng)HPiH 時(shí)，取H,此時(shí)，流

11、量系數(shù)為由上兩式可知，當(dāng)PiH時(shí)，流量系數(shù)m為常數(shù),直角進(jìn)口， m圓角進(jìn)口，m遛時(shí)，流量翹大即當(dāng)口 m。Pi 3H,其流量系數(shù)在一定范圍變化，直角進(jìn)Dm，圓角進(jìn)根據(jù)理論推導(dǎo)，寬頂堰流的流量系數(shù)最大值不超過2、側(cè)收縮系數(shù) 繁則桃苗帝超產(chǎn)墩和邊墩的頭部形狀、數(shù)目和閘墩在堰頂?shù)南鄬?duì)位置及堰上水頭等。側(cè)收縮 3、淹沒系數(shù) 寬頂堰流淹沒出流，整個(gè)堰頂水流都將為緩流。因此，寬頂堰流的淹沒條件是下游水位超過堰頂?shù)乃頷s大于堰頂自由出流時(shí)的收縮斷面水深 hc相共掘的躍后水深hc,即hs hc。對(duì)此淹沒條件，目前用理論分析尚有困難，多采用試驗(yàn)資料來判別。根據(jù)試驗(yàn)，寬頂堰流的淹沒條件為hs0.85)H0,hs取

12、平均值為hs 0。其淹沒系數(shù) s隨相對(duì)淹沒度 H0的增大而減小，其具體數(shù)值可查表確定。:、無坎寬頂堰流的水力計(jì)算雖無底坎的阻礙作用，但因受到平面上的束窄,無坎寬頂堰流本身是由側(cè)向收縮產(chǎn)生的，故不再單獨(dú)考慮側(cè)收縮系數(shù)，而是將側(cè)收縮的影響一并考慮在流 量系數(shù)之內(nèi)。無坎寬頂堰流的流量系數(shù)采用查表法確定。需要注意的是多孔無坎寬頂堰流的流量系數(shù)要取 邊孔和中孔的加權(quán)平均值，即mm(n 1)msm n閘孔出流計(jì)算底坎為寬頂堰型的閘孔出流解時(shí)間改變，閘孔出流為恒計(jì)算公式Qsbe2gHo式中，n為堰孔數(shù)目；mm為中孔的流量系數(shù)，ms為邊孔的流M系數(shù)。無坎寬頂堰流的淹沒判定條件及其淹沒系數(shù)確實(shí)定可近似地參照有坎寬 頂堰流確定。第六節(jié)閘孔出流的水力計(jì)算水利工程中的水閘，其閘底坎一般為寬頂堰或曲線型實(shí)用堰。根據(jù)式中， 流量系數(shù)s為淹沒系數(shù)一、流量系數(shù)與垂直收縮系數(shù)、寬頂堰上平板閘門1垂直收縮系數(shù)2儒可夫斯基H. E.)KyKOBCKH而采用數(shù)理分析方法，求e得了垂直收縮系數(shù) 2隨H0變化的數(shù)值，查表確定。14 /1311閘孔出流計(jì)算16 / 13122流量系數(shù)南京水利科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式此式適用范圍：H2、寬頂堰上弧形閘門1垂直收縮系數(shù) 22主要與閘門下緣切線與水平方向的夾角值有關(guān)，查表確定。2流量系數(shù) 流量系數(shù)可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)