第八章 堰流 闸孔出流

1、1水力学水力学2堰、闸作用：引水、泄洪、调节流量和水位。 第八章第八章 堰流、闸孔出流堰流、闸孔出流堰流堰流闸孔出流闸孔出流5闸门部分开启时，水流受到闸门、胸墙的约束，从闸孔流出的水流现象。 l闸孔出流闸孔出流闸底板特点：过水断面因受闸门开度的限制，上、下游水面不连续。 6l堰流堰流 闸门完全开启时，闸门对水流无约束，水流自由下泄的现象。 特点：上、下游水面光滑连续。 闸底板7l堰流、闸孔出流共同点堰流、闸孔出流共同点 1、水流或多或少受到水闸或溢流坝等建筑物的约束，从而壅高上游水位。 2、过堰、过闸水流属于明渠急变流。 、水头损失主要是局部水头损失。 8l堰、堰流的参数堰、堰流的参数 堰顶水

2、头HH1P2P上游堰高1P下游堰高2P堰顶厚度0 00V堰前断面 0 0行近流速0V9l堰流、闸孔出流的判别堰流、闸孔出流的判别对平底堰 对曲线型堰65.0He为闸孔出流；65.0He为堰流。75.0He为闸孔出流；75.0He为堰流。10第一节第一节 堰流的类型及其计算公式堰流的类型及其计算公式一、堰流的类型一、堰流的类型不同类型的堰，有不同的外形、水头损失、过水能力。堰顶厚度对堰流影响最为重要。因此，常根据堰顶厚度与堰顶水头比值大小划分堰流。111 1、薄壁堰、薄壁堰 67. 0H堰顶水舌形状不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线的接触线的接触，水面呈单一的自由降落曲线。 H薄壁堰H67

3、. 0122 2、实用堰、实用堰 5 . 267. 0H过堰水流主要受重力作用自由跌落。水舌下缘与堰顶呈面的接触面的接触，水舌受到堰顶的顶托。实用堰HH133 3、宽顶堰、宽顶堰 105 . 2H堰顶对水流的顶托作用明显顶托作用明显，在进口处上产生明显的水面跌落现象，堰顶水流在垂向上收缩。 宽顶堰H14二、堰流基本公式二、堰流基本公式jphgVhgVH220211200断面0、1能量方程：堰有不同的类型，但堰流基本公式一致。1、堰流基本公式10基准面0VH1V15gVhj221其中，令0HhpgVHH22000)1 (21011gHV1AVQ 10VbkH )1 (21010gHbkHQjph

4、gVhgVH2202112001Vbh16)1 (21010gHbkHQ令111km流速系数流量系数2/302HgmbQ 堰流基本公式堰流基本公式 2/302HgmbQ 17l若下游水位较高，使堰的过水能力较小，此时的堰流称为淹没出流，反之，为自由出流。2、堰流基本公式进一步讨论、堰流基本公式进一步讨论 l若堰顶的过流宽小于上游河宽，此时的堰流出现有侧收缩，反之，为无侧收缩。淹没系数1侧收缩系数2/302HgmbQ淹没出流2/3012HgmbQ有侧收缩18（1）自由出流 堰下游水位较低（流能力不受影响。 ），堰的过0)85. 075. 0(HhsthshH2P19自由出流特点：两次降落，一次微

5、升；收缩断面后的堰顶水流为急流。形成原因：堰前的缓流受到堰坎在垂直方向上的顶托作用。l第一次降落范围：水流进堰至收缩断面之间。thshCH20l水面微升形成原因：收缩断面处的水深小于临界水深，之后形成C型壅水曲线。范围：收缩断面后一定范围内，发生在堰顶。thshCH21l第二次降落形成原因：水流出堰时，水深接近临界水深，而下游水深较小（小于临界水深）。范围：水流出堰后与下游水面线衔接。thshCH22（2）淹没出流 0)85. 075. 0(Hhs堰下游水位较高（），使堰的过流能力减小。thCshH23thCsh淹没出流特点：整个堰上水流为缓流。24第二节第二节 薄壁堰流的水力计算薄壁堰流的水

6、力计算薄壁堰的水头与流量之间关系稳定，因此，它常作为实验室、明渠中量水的工具。小型河道上，可用叠梁闸门挡水，可视其为薄壁堰。25薄壁堰的堰口形状有矩形、三角形、梯形等。矩形薄壁堰Bb三角形薄壁堰Bb26一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流1、用作量水的矩形薄壁堰应满足的要求、用作量水的矩形薄壁堰应满足的要求l为保证出流稳定，堰顶水头 。 cmH5 . 2l水舌下面与大气相通。 l堰流无侧收缩，为自由出流。 272、矩形薄壁堰流量公式、矩形薄壁堰流量公式2/302HgmbQ 2/320022gVHgmb2/32/3200221HgbgHVm2/302Hgbm薄壁堰通过测量堰顶水头 来推算流量，因此，

7、其流量公式需由堰流基本公式改写。H28HPHm0007.0053.0403.0102/302 HgbmQ 其中，流量系数 通过实验确定。0m0m也可由经验公式计算：cmH5 .221PHmP3 .01适用范围经验公式1：29mH6 .01 .021PHmb22 .0适用范围：21055 .017200.0540.0PHHHm经验公式2：例例8.130二、三角形薄壁堰流二、三角形薄壁堰流测量较小流量时，为增大水头，以提高测量精度，常采用三角形薄壁堰。BbH三角形薄壁堰312/50HCQ 三角形薄壁堰流量公式：21009.02 .014.0004.0354.1BHPHC当堰口夹角 时，090当堰口

8、夹角 时，090HctgtgtgC001055. 0005. 0220195. 0553. 02361. 204 .10C或32第三节第三节 实用堰流的水力计算实用堰流的水力计算工程上，实用堰最常见，常用来挡水、泄水。实用堰流量公式：2/3012 HgbmnQs对于高堰高堰（ ），常用混凝土浇筑，堰顶制成曲线型。 33. 11dHP对于低堰低堰（ ），常用条石砌筑，堰顶制成折线形。 33. 11dHP1侧收缩系数s淹没系数b单孔净宽n闸孔数m流量系数33bbb闸墩边墩bbb边墩闸墩34一、曲线型实用堰的剖面形状一、曲线型实用堰的剖面形状dH1P2PABCDEmOr35直线段 、 的坡度根据坝体

9、的稳定性、强度确定。ABCDdH1P1PABCDE36圆弧段 ：将过堰水流与下游河道水流平稳连接，以减小对河床冲刷，有利于消能。 DEdH1P1PABCDErO 37dH1P1PABCDE曲线段 对堰过流能力、堰顶压强和流速分布影响较大，是曲线型实用堰设计的关键。BC38 曲线段 设计要求：BC 堰面不应出现过大的负压； 较大的过流能力； 坝体稳定、经济。39BCBC)a()c()b(堰面压强等于大气压。)a()b(堰面压强大于大气压。)c(堰面压强小于大气压。BC40国内外对曲线段 进行了大量实验研究。BC两种典型的堰的剖面形状：克奥剖面、 剖面。目前我国多采用后者。WES41dHdHR5

10、.01dHR2 .02dHR04.03oxy85.15 .0ddHxHyCB剖面WESdH282. 0dH276. 0dH175. 042二、二、 实用堰的流量系数实用堰的流量系数 10dHH若 ， ，查图8-12曲线（a） 。 dmm dmm10dHH若 ， ，查图8-12曲线（a） 。 WESdmm 若 ， 。 502. 0dm10dHH33. 11dHPl当堰上游面垂直，且 时，)(0dHHmm 43查图8-12曲线(b) 、(c) 、(d)、(e) 。 33. 11dHPl当堰上游面垂直，且 时，),(10ddHPHHmm dHP1dHH0dmm11(a)(b)(c)(b)(e)dHP

11、133.10 .167.033.020.0044三、侧收缩系数三、侧收缩系数 侧收缩系数经验公式：bnHKnKpa01121aK边墩形状系数，pK闸墩形状系数。n堰孔数，b堰宽， 45边墩形状边墩形状 直角形折线形圆弧形1aK7 . 0aK7 . 0aKaK边墩形状系数 与边墩头部形式和进水水流方向有关。46矩形直角形半圆形流线形闸墩墩头形状闸墩墩头形状 闸墩形状系数 与闸墩墩头形式、 、闸墩墩头与堰上游面的相对位置有关。查图8.14。PKdHH /047四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水能力的影响能力的影响 1 1、曲线型实用堰的淹没条件、曲

12、线型实用堰的淹没条件 下游水位高于堰顶（ ）； 0.15/0Hhs0Hsh48 堰下游发生淹没水跃。 49用淹没系数综合反映上述1、2对堰的过流能力的影响：2 2、护坦高程对过水能力的影响护坦高程对过水能力的影响 护坦高程较高（ 较小）时，也会降低堰的过水能力。2P),(002HhHPfss上述关系反映在图8.16中。 50五、曲线型低堰的水力设计简介五、曲线型低堰的水力设计简介 上游堰墙垂直的WES剖面设计步骤：Step1 确定设计水头 ，上下游堰高， 的边坡系数 及夹角 ，反弧半径 。 dHmCDr)(5.025.0(maxZHrd至maxZ为最大上下游水位差51计算并绘制曲线 。Step

13、2 定出堰顶坐标 及坐标轴 、 。由 xOCy85.15 .0ddHxHyOdHox85.15 .0ddHxHyyCB52177.1096.1mHxdc177.2592.0mHydc85.15 .0ddHxHy由 及 得mdxdy1Step3 根据曲线 与 在 点相切，确定 点坐标 。),(ccyxCBCCDCdHoxyCBD53sin)2180()(02rrctgyPmxxccdcos2rrPydStep4 根据圆弧段 在 点与 相切，确定 点坐标 。),(ddyxDCDDDEdH1P2PxBCDEmyOOr54Step5 确定 点坐标 。),(eeyxEsinrxxde2PyedH1P2P

14、xBCDEmyOOr55Step6 确定 点坐标 。),(ooyxoeoxxrPyo2dH1P2PxBCDEmyOOr56例：8.357例：习题8.2已知： ， ， ， ， ， 。1nPHH0Q1PthB求：bH1Pth58本例属于自由出流，1s解：侧收缩系数： bnHKnKpa01121b31. 101 . 021b262. 01流量系数： 502. 0dmm33.131.1/8.7/1HP属于高堰，故不计行近流速水头，31.10 HH592/331. 12262. 0110gbb2/3012 HgbmnQs由 得解得mb27.3060六、折线型实用堰六、折线型实用堰 小型溢流坝，为了取材、

15、施工方便，常采用折线型实用堰，且梯形断面较多。 61H1P12折线型实用堰的侧收缩系数、淹没系数可近似按曲线型实用堰计算。折线型实用堰的流量系数可查表得出。620.330.340.350.350.360.370.380.360.380.390.40.36 0.350.340.350.370.360.380.390.40.380.40.410.420.4 0.38流量系数1053000021000.5堰下游坡度00010543002.01.00.5堰上游坡度12 23 35折线型实用折线型实用堰堰的流量系数的流量系数mHP /1H/=0.4 1H/=1 21ctg2ctg63第四节第四节 宽顶堰

16、流的水力计算宽顶堰流的水力计算宽顶堰， 。10/5 . 2Hl有坎宽顶堰有坎宽顶堰thshH宽顶堰的例子：过堰水流在垂直方向上收缩。 64Hl无坎宽顶堰无坎宽顶堰过堰水流在水平方向上（侧向）收缩。 652/3012 HgbmnQs宽顶堰流量公式：当 时， 3/01HPHPHPm/75. 046. 0/301. 032. 01132. 0m3/1HP当 时， 1 1、对直角进口堰、对直角进口堰m一、流量系数一、流量系数 1P662 2、对修圆进口堰、对修圆进口堰当 时， 3/01HPHPHPm/5 . 12 . 1/301. 063 . 0113/1HP当 时， 63 . 0m1Pr671二、侧

17、收缩系数二、侧收缩系数 BbBbHP1/2 . 0143101其中， 为考虑墩头和堰顶入口形状的系数 。 019. 00矩形闸墩（边墩）、直角入口堰顶， ；1 . 00弧形闸墩（边墩）， 。（一）单孔侧收缩系数（一）单孔侧收缩系数 注意应用条件。 68nn111) 1( （二）多孔侧收缩系数（二）多孔侧收缩系数 其中，dbbdbbHP1/2 . 0143101中孔边孔 212/2 . 0143101bbbbHPbbb边墩闸墩dd69三、宽顶堰的淹没条件、淹没系数三、宽顶堰的淹没条件、淹没系数 thH宽顶堰的自由出流KKChShthHKCh宽顶堰的自由出流70实验表明：宽顶堰的淹没条件为08 .

18、 0 HhS宽顶堰的淹没系数 与 有关，查表8.2。S0HhSthH宽顶堰的淹没出流KShh71四、无坎宽顶堰流四、无坎宽顶堰流 无坎宽顶堰流形成：堰宽小于上游河宽，水流产生侧向收缩。 BbKK721mm 不单独计算无坎宽顶堰流的侧向收缩系数 ，其影响并入流量系数中，即1m考虑了侧向收缩系数的流量系数。2/302 HgbnmQs无坎宽顶堰流量公式无坎宽顶堰流的的流量系数 根据不同情况，查表8.3，8.4，8.5。 m731PthH0V2P例8.5已知：、。QthH1P2P0V计算。b74第六节第六节 闸孔出流的水力计算闸孔出流的水力计算工程上的水闸，闸底坎有宽顶堰、曲线型实用堰两种；闸门有平板

19、闸门、弧形闸门两种。闸孔出流水力计算的任务：l已知闸前水头、闸门开度，求泄流量；l已知泄流量，求闸前开度。 底坎与闸门的不同组合，形成不同形态的闸孔出流，使得其计算难度较堰流困难，精度也低。75 一、底坎为宽顶堰的闸孔出流一、底坎为宽顶堰的闸孔出流形成自由出流条件：tChh 其中，Ch 为 相应的跃后水深 ChHtheChCCh 76形成淹没出流条件：tChh HtheChC淹没出流Ch 771 1、宽顶堰底坎自由出流的水力计算、宽顶堰底坎自由出流的水力计算列写断面 、 能量方程：oCgVgVhgVHcccc2202022200ccchHgV021HeChCo0V78ccchHgV021cch

20、HgV02cAVQ eHgebQ2022cbhA eHgbeQ2002002021gHHebeQ02gHbeQc1流速系数ehc2垂向收缩系数20流量系数0201He流量系数79 取值与底坎形式、闸门类型、闸门开度有关。202gHbeQ宽顶堰型闸孔自由出流的计算公式 的影响因素的影响因素: : （1）流速系数2（2）垂直收缩系数 取值与底坎形式、闸门类型有关。02gHbeQ80计算计算 的经验公式：的经验公式： （1）平底上的平板闸孔（2）平底上的弧形闸孔He176. 06 . 0He0018081. 056. 018081. 097. 0适用： ，7 . 00He009025其中， ReccosHRec81例例 8.78.782 2 2、宽顶堰底坎宽顶堰底坎淹没出流的水力计算淹没出流的水力计算02gHbeQ宽顶堰底坎自由出流公式02gHbeQs宽顶堰底坎淹没出流公式淹没系数，查图8.35HtheChCCh 83ccthHhh s图8.3500