第八章 堰流及閘孔出流

8堰流及閘孔出流8.4寬頂堰流的水力計(jì)算

8.1堰流的類型及計(jì)算公式

8.2薄壁堰流的水力計(jì)算8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.5窄深堰流的水力計(jì)算8.6閘孔出流的水力計(jì)算

水利工程中，為防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電等要求，需修建溢流壩、水閘等控制水流的水工建筑物。例如，溢流壩、水閘底檻、橋孔、無壓涵洞進(jìn)口。堰：在水力學(xué)中，把頂部過流的水工建筑物稱堰beH00

圖堰流及閘孔出流閘孔出流：受到閘門控制的過堰水流圖中為溢流壩上的閘孔出流beH00

圖堰流及閘孔出流圖閘孔出流e00H閘孔出流：受到閘門控制的過堰水流圖中為寬頂堰上的閘孔出流bH00v0

圖堰流堰流：未受閘門控制的過堰水流圖中為溢流壩上的堰流

圖堰流H堰流：未受閘門控制的過堰水流圖中為寬頂堰上的堰流

比較堰流和閘孔出流堰流：水面線為一條光滑曲線；過水能力強(qiáng)閘孔出流：閘孔上、下游水面不連續(xù)；過水能力弱beH00

圖堰流及閘孔出流bH00v0

圖堰流beH00

圖閘孔出流bH00v0

圖堰流

共同點(diǎn)壅高上游水位都是在重力作用下形成明渠流動(dòng)在較短范圍內(nèi)，流線急劇彎曲，有離心力能量損失主要是局部損失beH00

圖閘孔出流bH00v0

圖堰流堰流和孔流取決上游來流條件（漲水或落水）閘孔相對(duì)開度閘底坎及閘門型式因此，堰流和孔流是相對(duì)水流條件而言的，水流條件改變，同一堰上的堰流，或孔流就可能改變。平頂堰

e/H≤0.65孔流

e/H

＞0.65堰流e

閘孔開度；H為堰上水頭圖閘孔出流e00H曲線型堰

e/H≤0.75孔流

e/H＞0.75堰流

e閘孔開度；H堰上水頭beH00

圖堰流及閘孔出流beH00

圖堰流及閘孔出流

堰流及孔流是水利工程中常見的水流現(xiàn)象，其水力計(jì)算的主要任務(wù)是研究過水能力。

水利工程中，常根據(jù)不同建筑材料，將堰作成不同類型。例如，溢流壩常用混凝土，或石料作成較厚的曲線，或折線型；實(shí)驗(yàn)室量水堰一般用鋼板、木板作成薄堰壁。堰外形、厚度不同，能量損失及過水能力不同8.1堰流的類型及計(jì)算公式8.1.1堰的類型

當(dāng)水流接近堰頂，流線收縮，流速加大，自由表面逐漸下降HP1v011v1P20δ0HP1v011v1P20δ0堰前斷面：把堰上游水面無明顯下降的0-0斷面堰上水頭：堰前斷面堰頂以上的水深，用H

表示HP1v011v1P20δ0

行進(jìn)流速：堰前斷面的流速稱之，用v0表示

堰前斷面距離上游壁面的距離：L=（3～5)H

研究表明，流過堰頂?shù)乃餍蛻B(tài)隨堰坎厚度與堰頂水頭之比δ/H而變，工程上，按δ與H的大小將堰流分為

薄壁堰

實(shí)用堰

寬頂堰

越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎吆裼绊?，水舌下緣與堰頂為線接觸，水面呈降落線由于堰頂常作成銳緣形，故薄壁堰也稱銳緣堰HP1v011v1P20δ0

薄壁堰：δ/H

＜0.67

實(shí)用堰流：0.67＜δ/H＜2.5水利工程，常將堰作成曲線型，稱曲線型實(shí)用堰00v0Hδ11

實(shí)用堰流：0.67＜δ/H＜2.5

堰頂加厚，水舌下緣與堰頂為面接觸，水舌受堰頂約束和頂托，已影響水舌形狀和堰的過流能力。00v0Hδ11H00P1P211v1v0δ折線型實(shí)用堰：水利工程，常將堰作成折線形寬頂堰：2.5＜δ/H

＜10H00P1P2v0δ11v1

寬頂堰堰頂厚度對(duì)水流頂托非常明顯

水流特征：水流在進(jìn)口附近的水面形成降落有一段水流與堰頂幾乎平行下游水位較低時(shí)，出堰水流二次水面降H00P1P2v0δ11v1堰坎厚度δ＞10H，此時(shí)沿程水頭已經(jīng)不能略去，水流特性不再屬于堰流，而是明渠水流。P1δi>ikKKH對(duì)堰前斷面0-0和堰頂斷面1-1列能量方程基準(zhǔn)面：通過堰頂?shù)乃矫鎣011v1P200δHP18.1.2堰流基本公式分析：0-0斷面為漸變流1-1斷面為急變流（流線彎曲）1-1斷面測(cè)壓管水頭的平均值v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1v11-1斷面的平均流速v00-0斷面的平均流速

ζ

局部阻力系數(shù)v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1

v011v1P200δHP1流量系數(shù)流速系數(shù)v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1影響流量系數(shù)的主要因素m

主要反映局部水頭損失的影響的系數(shù)v011v1P200δHP1φ：流速系數(shù)

反映局部損失影響（堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂口邊緣形狀等）v011v1P200δHP1k垂直收縮系數(shù)反映堰頂水流垂直收縮的程度（1-1斷面水舌厚度kH）v011v1P200δHP1ξ

相對(duì)測(cè)壓管水頭反映堰頂斷面平均測(cè)壓管水頭與堰頂全水頭之比8.2.1矩形薄壁堰流8.2.2直角三角形薄壁堰流8.2薄壁堰流的水力計(jì)算

薄壁堰具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，常作為水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)、野外量測(cè)中的一種有效量水工具。有的臨時(shí)擋水建筑物，如疊梁閘門也可近似作為薄壁堰。也HP100v0Hδ11

曲線型實(shí)用堰外形一般按薄壁堰水舌下緣曲線設(shè)計(jì)。因此，研究薄壁堰是具有重要的實(shí)際意義。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動(dòng)

矩形薄壁堰上下游等寬，堰流無側(cè)收縮。當(dāng)自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度較高。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動(dòng)無側(cè)收縮的矩形薄壁堰自由出流水舌形狀HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動(dòng)

為保證下游為自由出流，矩形薄壁堰應(yīng)滿足

H>2.5cm，否則堰下形成貼壁流，出流不穩(wěn)定水舌下與大氣通，否則水舌下有真空，出流不穩(wěn)定由堰流計(jì)算公式M0:包括行進(jìn)流速在內(nèi)的流量系數(shù)，可按雷白克(T.Rehbock)公式計(jì)算雷白克公式(T.Rehbock)式中，P1為上游堰高，H為堰上水頭，均以米計(jì)算8.2.1矩形薄壁堰流8.2.2直角三角形薄壁堰流8.2薄壁堰流的水力計(jì)算當(dāng)所需測(cè)流量較小，如Q＜0.1m3/s時(shí)，若用矩形薄壁堰，則水頭過小，誤差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夾角可取不同角度值，但常用直角。HP2BHP2B堰上游引渠寬度8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.3.1曲線型實(shí)用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)8.3.3側(cè)收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護(hù)坦高程對(duì)過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.3.1曲線型實(shí)用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)8.3.3側(cè)收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護(hù)坦高程對(duì)過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)

實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個(gè)等寬堰孔邊墩閘墩b’ddb’b’邊墩db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩

實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個(gè)等寬堰孔側(cè)向收縮影響堰頂設(shè)閘墩及邊墩，引起水流側(cè)向收縮，降低過流能力，其影響用側(cè)收縮系數(shù)ε反映。db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩Bv011v1P200δHP1

下游水位的影響堰下游水位過高或下游堰高較小時(shí)，會(huì)影響堰的過流能力，形成淹沒出流的情況，它的影響用淹沒系數(shù)σs反映。

考慮淹沒出流、側(cè)收縮影響以及其他的所有影響，堰流公式為v011v1P200δHP1

實(shí)用堰是水利工程中常見的堰型之一。作為檔水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折線型，高的溢流壩一般作成曲線型。實(shí)用堰的水力計(jì)算公式曲線形實(shí)用堰的剖面形狀：應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：過流能力大、堰面不出現(xiàn)過大的負(fù)壓，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定。EHdP1P2ABCDOαm

上游直線段：AB

堰頂曲線段：BC

下游直線段：CD，坡度m=cotα

下游河底連接反弧段：DEEHdP1P2ABCDOαmr上游直線

AB段垂直，或傾斜，取決于溢流壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求EHdP1P2ABCDOαmr反弧段使直線CD與下游河底平滑連接，避免水流沖刷河床EHdP1P2ABCDOαmr反弧段一般情況下，非基巖上、高度不大的壩Hd

溢流壩剖面設(shè)計(jì)水頭

zmax

最大上下游水位差堰頂曲線BC

對(duì)堰流影響最大，是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰剖面形狀的關(guān)鍵，理想的曲線實(shí)用堰剖面形狀與薄壁堰水舌下緣形狀吻合，不產(chǎn)生真空，過流能力最大。但實(shí)際兩者不可能完全吻合。原因是水位波動(dòng)，水舌不穩(wěn)定（紊動(dòng)影響）。

堰面不出現(xiàn)真空的堰稱為非真空剖面堰堰面出現(xiàn)真空的堰稱為真空剖面堰

曲線型實(shí)用堰切入薄壁堰水舌下緣內(nèi)部，堰面不產(chǎn)生負(fù)壓，但過流能力有所降低。

因此，實(shí)際采用的剖面形狀是按薄壁堰下游水舌下緣曲線稍加修改而成。HdP1v0uxuyuxyθB

分析薄壁堰水舌下緣曲線。假定經(jīng)過B點(diǎn)，水流質(zhì)點(diǎn)的流速為HdP1v0uxuyuxyθBHdP1v0uxuyuxyθB

上式還不能計(jì)算曲線型實(shí)用堰頂曲線原因:θ,k，n

為未知變量水流行進(jìn)堰頂時(shí)，臨近堰頂水舌內(nèi)壓強(qiáng)不等于大氣壓，使堰頂水流運(yùn)動(dòng)與質(zhì)點(diǎn)自由拋射運(yùn)動(dòng)理論有出入。

工程上，常通過試驗(yàn)研究或適當(dāng)修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下緣曲線，得出堰頂曲線的坐標(biāo)值。

克里格—奧菲采洛夫剖面（克－奧剖面）我國(guó)以前多用，但該剖面略嫌肥大，曲線坐標(biāo)用用表給出，坐標(biāo)點(diǎn)少，施工不便控制。其剖面設(shè)計(jì)方法可參考有關(guān)書籍。

Ogee剖面美國(guó)內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局在系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上推薦的。該剖面參數(shù)均與行進(jìn)流速水頭、設(shè)計(jì)全水頭有關(guān)，并考慮壩高對(duì)堰頂剖面曲線影響，適應(yīng)不同壩高的堰剖面設(shè)計(jì)。Ogee剖面的設(shè)計(jì)方法可參考有關(guān)書籍。WES剖面近年來多采用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站的剖面。其用曲線方程表示，便于控制，堰剖面較瘦可節(jié)省工程量，堰面壓強(qiáng)較理想，負(fù)壓不大，對(duì)安全有利。

yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292HdWES剖面設(shè)計(jì)堰頂O點(diǎn)下游曲線k，n取決于堰上游面坡度上游垂直：k=0.5，n=1.85Hd：不包括行近流速水頭的設(shè)計(jì)水頭yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd堰頂O點(diǎn)上游曲線采用三段復(fù)合圓弧相接堰頂曲線上游與上游面平滑連接改善堰面壓強(qiáng)分布，減小負(fù)壓yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd

堰剖面曲線的坐標(biāo)值取決于設(shè)計(jì)水頭Hd

堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設(shè)計(jì)水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負(fù)壓。

（1）Hd=Hmax可保證堰面不出現(xiàn)負(fù)壓，但H<Hd時(shí)，堰面壓強(qiáng)為正，流量系數(shù)減小，堰剖面偏肥，不經(jīng)濟(jì)。堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設(shè)計(jì)水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負(fù)壓。

（2）如果Hd

=Hmin，可得到較經(jīng)濟(jì)剖面。但H>Hd，堰面產(chǎn)生較大負(fù)壓，嚴(yán)重時(shí)危及壩安全。

堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設(shè)計(jì)水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負(fù)壓。

工程中常用Hd=(0.75～0.95)Hmax。當(dāng)H>Hd時(shí)，為真空剖面堰；當(dāng)H<Hd時(shí)，堰剖面堰稍偏肥大，為非真空剖面堰。WES

剖面主要適用高溢流堰因?yàn)樵O(shè)計(jì)中并未考慮行近流速的影響，但有研究報(bào)告認(rèn)為，WES

剖面可直接移用作低堰剖面。8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.3.1曲線型實(shí)用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)8.3.3側(cè)收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護(hù)坦高程對(duì)過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)

對(duì)于不同堰型，流量系數(shù)不同。水力設(shè)計(jì)時(shí)，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。對(duì)于重要工程需要通過模型試驗(yàn)確定。

m=m(P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度)P1/Hd堰上游面垂直WES剖面

P1/Hd≥1.33（高堰）

m=f(H0/Hd)

不計(jì)行近流速水頭設(shè)計(jì)流量系數(shù)md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m

＜mdH0/Hd＞1，m

＞mdP1/Hd

＜1.33稱低堰，行近流速加大，設(shè)計(jì)流量系數(shù)如圖P1/Hd低堰范圍高堰8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.3.1曲線型實(shí)用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)8.3.3側(cè)收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護(hù)坦高程對(duì)過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)用于考慮邊墩及閘墩對(duì)過水能力影響溢流壩都有邊墩，多孔溢流壩還有閘墩。邊墩和閘墩將使水流發(fā)生平面收縮，增大了局部水頭損失，降低過流能力。

實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個(gè)等寬堰孔db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩邊墩閘墩b’ddb’b’邊墩側(cè)收縮系數(shù)ε與閘墩、邊墩平面形狀溢流孔數(shù)堰上水頭溢流寬度等因素有關(guān)

ε=1－0.2［Ka

＋(n-1)KP］H0/nb’

式中：n溢流孔

b每孔寬度

Ka邊墩系數(shù)

KP

閘墩系數(shù)邊墩系數(shù)Ka

與邊墩平面形狀、行進(jìn)流速有關(guān)，其值越大，ε越小，過流能力降低。ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

邊墩系數(shù)Ka圓弧形邊墩當(dāng)行進(jìn)水流正向進(jìn)入溢流堰時(shí)，

Ka

＝0.1（與混凝土非溢流壩段鄰接的高溢流堰）＝0.2（與土壩鄰接的高溢流堰）當(dāng)行進(jìn)水流非正向進(jìn)入溢流堰時(shí)，Ka

適當(dāng)加大ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

閘墩系數(shù)Kp與下列因素有關(guān)閘墩頭部形狀

H0/Hd

閘墩頭部與堰上游面的相對(duì)位置ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

8.3實(shí)用堰流的水力計(jì)算8.3.1曲線型實(shí)用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)8.3.3側(cè)收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護(hù)坦高程對(duì)過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究表明，堰下游可為自由出流：過流能力不受下游水位影響淹沒出流：過水能力降低當(dāng)下游水位高過堰頂至某一范圍時(shí),堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒水躍，過堰水流受下游水位頂托自由出流v0H0P100v0H0hsP2ht淹沒出流00v0H0hsP2ht淹沒出流

淹沒出流對(duì)過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示，其與hs/H0

、P2/H0

有關(guān)。

hs/H0（hs從堰頂算起的下游水深）

hs越大，下游水位的頂托作用越大，過流能力影響越大

00v0H0hsP2ht淹沒出流

淹沒出流對(duì)過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示，其與hs/H0

、P2/H0

有關(guān)。

P2/H0

（P2下游堰高）當(dāng)下游護(hù)坦較高，P2/H0

較小時(shí)，即使下游水位低于堰頂，過堰水流也會(huì)受下游護(hù)坦影響，產(chǎn)生類似的淹沒效果，降低過流能力。8.3寬頂堰流的水力計(jì)算H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流：

2.5＜δ/H

＜10時(shí)的堰流幾何特征：堰頂厚度比薄壁堰、實(shí)用堰為厚H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流的特點(diǎn)：

進(jìn)口處形成水面跌落？局部水頭損失，水面降陡

水流動(dòng)畫0.5rm寬頂堰的流態(tài)H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流的特點(diǎn)：進(jìn)口處形成水面跌落；

堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動(dòng)