堰流閘孔出流和橋涵過流的水力計算資料

堰流閘孔出流和橋涵過流的水力計算資料第1頁/共50頁第八章堰流及閘孔出流

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。第2頁/共50頁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。其出流過程的能量損失主要是局部損失。第3頁/共50頁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。第4頁/共50頁8-1堰流的分類及水力計算基本公式一、堰流的分類水利工程中常根據(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。第5頁/共50頁二、堰流水力計算的基本公式

工程上通常按照堰坎厚度δ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：即第6頁/共50頁8-2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(guān)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

薄壁堰流由于具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)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，如疊梁閘門也可近似作薄壁堰流計算。第7頁/共50頁

另外，工程上廣泛應(yīng)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(shè)計。所以，薄壁堰流的研究是具有實際意義的。

常用的薄壁堰，堰坎頂部的過水斷面常作成矩形或三角形，分別稱為薄壁堰或三角形薄壁堰。第8頁/共50頁2.水舌下面的空間與大氣相通。否則由于溢流水舌把空氣帶走，壓強降低，水舌下面形成局部真空。這種出流也是不穩(wěn)定的。1.堰上水頭不宜過?。ㄒ话銘?yīng)使H>2.5厘米），否則溢流水舌受表面張力作用，使出流很不穩(wěn)定。一、矩形薄壁堰流

實驗證明：當矩形薄壁堰流為無側(cè)收縮，自由出流時，水流最為穩(wěn)定，測量精度也較高。所以用來量水的矩形薄壁堰應(yīng)使上游梁寬與堰寬相同；下游水位低于堰頂。此外為了保證堰為自由出流，還應(yīng)滿足：第9頁/共50頁

圖8-5是實驗室中測得的無測收縮，非淹沒矩形薄壁堰自由出流的水舌形狀。無測收縮，非淹沒矩形薄壁堰的流量按（8-1）式計算

為了便于根據(jù)直接測出的水頭來計算流量，可改寫（8-1）式，把行近流速的影響包括在流量系數(shù)中去：即第10頁/共50頁式中P1為上游堰高，H及P1均以米計。上式用于H≥0.025米，≤2及P1≥0.3米條件下。令則得（8-3）式中，包括行近流速影響的流量系數(shù)m0可按下列經(jīng)驗公式計算（8-4）第11頁/共50頁二直角三角形薄壁堰流當所需測量的流量較?。ɡ鏠＜0.1米3/秒）時，若應(yīng)用矩形薄壁堰流則水頭過小，誤差增大。一般可改用直角三角形薄壁堰（圖8-6），其計算公式為（8-7）式中，C0為直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)，可按下式計算第12頁/共50頁其中，Q為流量，以米3/秒（m3/s）計；H為堰頂水頭；P1為上游堰高；B為堰上游引渠寬均以米（m）計。在下述范圍內(nèi)，上式的誤差＜（±1.4%）0.5m≤B≤1.2m0.1m≤P1≤0.75m0.07m≤H≤0.26m

H≤B/3過去，有采用C0=1.4第13頁/共50頁作為擋水及泄水建筑物的溢流壩就是實用堰的典型例子。8-3實用堰流的水力計算低溢流堰常用石料砌筑成折線形，較高的溢流壩為大過流能力，一般作成曲線形，即所謂的折線型實用堰和曲線型實用堰。第14頁/共50頁一、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(yīng)當具有下列幾個優(yōu)點：(1)過水能力大(2)堰面不出現(xiàn)過大的負壓(3)經(jīng)濟、穩(wěn)定第15頁/共50頁(a)(b)(c)堰頂曲線BC對水流特性的影響最大，是設(shè)計曲線實用堰剖面形狀的關(guān)鍵。國內(nèi)外設(shè)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。第16頁/共50頁如圖所示矩形薄壁堰自由出流，設(shè)堰頂B點處水流質(zhì)點流速u與水平方向相交成θ角，則x、y方向大流速分量等于式中：系數(shù)；指數(shù)n=2。薄壁堰自由出流時，水舌下緣曲線的特性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，兩端用整理后得第17頁/共50頁我國采用的剖面有：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剖面如圖第18頁/共50頁實驗研究表明，曲線型適用堰的流量系數(shù)主要決定于上游堰高與設(shè)計水頭之比，堰頂全水頭與設(shè)計水頭之比以及上游面的坡度。二、WES剖面型實用堰的流量系數(shù)m第19頁/共50頁三、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?？捎上旅娼?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)。第20頁/共50頁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。決定于和P2/H0。四、曲線型實用堰的淹沒系數(shù)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。第21頁/共50頁淹沒系數(shù)可查下圖：當≤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第22頁/共50頁當堰頂水平且厚度，在進口處形成水面跌落，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)8-4寬頂堰流的水力計算第23頁/共50頁一、流量系數(shù)m對堰頂入口為直角的寬頂堰對堰頂進口為圓角的寬頂堰第24頁/共50頁二、側(cè)收縮系數(shù)（8-17）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a0＝0.19；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為上游引渠寬。第25頁/共50頁當時，應(yīng)采用。當時，應(yīng)采用；上式的應(yīng)用條件為：1．對單孔寬頂堰（無閘墩）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）式中第26頁/共50頁為中孔側(cè)收縮系數(shù)，按（8-17）式計算時，可??；為單孔凈寬；，d為閘墩厚；為邊孔側(cè)收縮系數(shù)，用(8-17)式計算時，可?。海粸檫吙變魧?；，Δ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。側(cè)收縮系數(shù)應(yīng)取邊孔及中孔的加權(quán)平均值：（8-18）式中：n為孔數(shù)；第27頁/共50頁寬頂堰的淹沒系數(shù)hs/H00.800.810.820.830.840.850.860.870.880.89σs1.000.9950.990.980.970.960.950.930.900.87hs/H00.900.910.920.930.940.950.960.970.98σs0.840.820.780.740.700.650.590.500.40三、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）為第28頁/共50頁已知，進閘流量Q為41m3/s，引水角θ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Δ為0.8m，閘底坎進口為圓弧形，坎長δ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。例8-5今擬在某攔河壩上游設(shè)置一灌溉進水閘如圖8-27所示。第29頁/共50頁解：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的方向與進水軸線交角為θ＝450，故全水頭H0可以下列公式計算第30頁/共50頁根據(jù)，從表8-10查得因為，故為淹沒出流。當P1＝7m，時，2．流量系數(shù)m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)由第31頁/共50頁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，（8-17）式中a0=0.1。則中孔側(cè)收縮系數(shù)邊孔側(cè)收縮系數(shù)第32頁/共50頁設(shè)＝9m，則因未知，故計算只能按試算法進行。由此可求得第33頁/共50頁每孔凈寬=3m。

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，所假定的即為所求：故所需的堰孔凈寬b=9m，分三孔（n=3）第34頁/共50頁例8-6某泄洪排沙閘共四孔，每孔凈寬為14m；閘墩頭部為半圓形，墩厚d為5m，閘室上游翼墻為八字形，收縮角θ為300，翼墻計算厚度Δ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。試計算閘門全開，上游水位高程為111.0m時的流量。第35頁/共50頁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)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(yīng)為多孔無坎寬頂堰自由出流。計算公式為式中，b==4×14=56m；應(yīng)為包括側(cè)收縮影響的各孔流量系數(shù)的加權(quán)平均值。第36頁/共50頁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?？刹捎谩爸鸩浇品ā庇嬎恪＿吙琢髁肯禂?shù)平均流量系數(shù)第37頁/共50頁第一次近似計算：假定v01＝0，即H01＝H＝11m，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第38頁/共50頁第三次近似計算：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Q＝3690m3/s，v0=4.23m/s。第39頁/共50頁8-5閘孔出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(wù)：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：σs淹沒系數(shù)（自由出流σs＝1）μ閘孔出流流量系數(shù)b

閘孔寬度e

閘孔開度H0閘孔全水頭第40頁/共50頁若≤，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)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(shè)收縮水深的躍后水深為一、底坎為寬頂堰的閘孔出流第41頁/共50頁1．流量系數(shù)（1）對于平板閘門的閘孔流量系數(shù)μ可按南京水利科學(xué)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)μ可由下面的經(jīng)驗公式計算上式的適用范圍是：250＜≤900；第42頁/共50頁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(xué)研究所的研究淹沒系數(shù)與潛流比(－／H－)有關(guān)，可由圖8-27查得。2．淹沒系數(shù)第43頁/共50頁解:因為故為閘孔出流。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。由表8-7，當e/H＝0.2時，垂直收縮系數(shù)ε2＝0.619，則收縮水深為先判別閘孔出流的性質(zhì)：第44頁/共50頁收縮水深的共軛水深由下式計算收縮斷面的流速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)μ用（8-22）式計算。則第45頁/共50頁收縮斷面的