堰流及闸孔出流教学内容

1、堰流及闸孔出流2一、定义一、定义：堰堰-既能挡水又能过水既能挡水又能过水的建筑物。的建筑物。堰流堰流-水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢流下泄，溢流水股的上流下泄，溢流水股的上表面不受外界任何约束表面不受外界任何约束，而为一连续自由降落水面。这种过流称之为堰而为一连续自由降落水面。这种过流称之为堰顶溢流。顶溢流。62.510.0H7三、堰流的共同规律三、堰流的共同规律l作用力作用力: : 重力起主要作用，溢流的自由水面有重力起主要作用，溢流的自由水面有明显降落。明显降落。l能量损失能量

2、损失: : 能量损失以局部水头损失为主。能量损失以局部水头损失为主。 流态流态: : 堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急剧弯曲，剧弯曲，属于急变流动属于急变流动。 流态的过渡流态的过渡从缓流向急流过渡从缓流向急流过渡。因此各种。因此各种堰流在其堰顶都要出现临界水深。堰流在其堰顶都要出现临界水深。82302 HgmbQ 232 HgmbQ其中：其中：kmm m为流量系数为流量系数考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响后：考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响后：淹没系数，淹没系数，1 1，不淹没时为，不淹没时为1 1侧收缩系数，侧收缩系数，1 1，无侧收缩时，无侧收缩时为为

3、1 19 薄壁堰堰壁厚度不影响水舌形状，水头相对不大，且上游行近渠道一般建造的比较规则，为简便计，在公式1 1：矩形薄壁堰：矩形薄壁堰232oHgmbQ gVo220322oQm bgH中，用水头代替，而把的影响并入流量系数考虑，于是有：10是包括行近流速影响在内的流量系数,也称为流量系数，可用下列经验公式计算：0mHPHm0007. 0053. 0403. 010110.02520.3HHmPmP，及适用条件：适用条件：1112 堰口横断面形状为三角形，一般采用 三角形堰，也可采用式：2 2：三角形薄壁堰：三角形薄壁堰 905 . 102 HgbmQ 由实验可得158. 00mHb2又,代入

4、上式可得： 5 . 24 . 1 HQ )/(0154. 047. 2sLHQ 实际中常用：13 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发展而的水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发展而不断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、不断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为折线型折线型实用堰实用堰。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶常做成适合水流特点的曲线形，称为常做成适合水流特点的曲线形，称为曲线型实用曲线型实用堰堰。

5、14一、曲线型实用堰的剖面组成及其设计一、曲线型实用堰的剖面组成及其设计15 上游上游ABAB直线段直线段可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取决于坝体的稳定要求。决于坝体的稳定要求。 堰顶堰顶BCBC曲线段曲线段是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。 下游斜坡下游斜坡CDCD段段是连接堰顶曲线是连接堰

6、顶曲线BCBC段与下游反弧段段与下游反弧段DEDE的公切的公切线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取1:0.651:0.651:0.751:0.75。 反弧段反弧段DEDE是连接直线段是连接直线段CDCD与河床的圆弧，主要为使其连接与河床的圆弧，主要为使其连接光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半径应结合消能形式统一考虑。弧半径应结合消能形式统一考虑。 16二、实用堰剖面的种类二、实用堰剖面的种类克里格奥菲采洛夫剖面克里格奥菲采洛夫剖面 我国多采用，剖面肥大，施工

7、难度大。我国多采用，剖面肥大，施工难度大。渥奇剖面渥奇剖面 美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝高对剖面影响高对剖面影响WESWES剖面剖面 流行采用流行采用17堰流堰流18u直角进口直角进口u圆弧进口圆弧进口HaHbmHpmHp75. 046. 0301. 032. 0, 332. 0, 3HaHamHpmHp5 . 12 . 1301. 036. 0, 336. 0, 3l m m与宽顶堰的进口形式，水头与宽顶堰的进口形式，水头H H，堰高，堰高P P有关，可以有关，可以由经验公式或表查取；理论最大值由经验公式或表查取；理论最大值m=0.385m=0.3

8、85。1943)1 (2 . 01BbBbHha式中：式中：a a为墩形系数，矩形边缘为墩形系数，矩形边缘a=0.19a=0.19；圆形边缘；圆形边缘a=0.10a=0.10。溢 流 宽 度cbbu 堰宽小于渠道宽度的宽堰宽小于渠道宽度的宽顶堰流将发生倾向收缩，顶堰流将发生倾向收缩，使主流的实际宽度使主流的实际宽度bcbc小于小于堰宽堰宽b b，水流阻力也因此增，水流阻力也因此增大，泄流能力变小。大，泄流能力变小。u 用用来反映侧收缩影响。来反映侧收缩影响。u 与堰宽与渠宽的比值与堰宽与渠宽的比值b/Bb/B、边墩的进口形状及进、边墩的进口形状及进口断面变化口断面变化h/Hh/H有关，经验公式

9、为：有关，经验公式为：20h第八章第八章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流8.0oHhsu 淹没系数淹没系数的大小取决于淹没程度，的大小取决于淹没程度，与与h hs s/H/H0 0成成反比，反比，可查表可查表8.28.2得到。得到。21第八章第八章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流l 无坎宽顶堰流形式在工程上有很多，如经过小桥孔无坎宽顶堰流形式在工程上有很多，如经过小桥孔径、平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。均径、平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。均可利用无坎宽顶堰原理对过流能力进行计算。可利用无坎宽顶堰原理对过流能力进行计算。l 无坎宽顶是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流无坎宽顶是由

10、于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面上的束窄产生侧向收缩，引起水面跌落而形成受平面上的束窄产生侧向收缩，引起水面跌落而形成的。的。l 无坎宽顶堰的计算公式与普通宽顶堰相同，但无坎宽顶堰的计算公式与普通宽顶堰相同，但计算计算中不单独考虑侧向收缩的影响中不单独考虑侧向收缩的影响，而包含在流量系数中，而包含在流量系数中一并考虑一并考虑, ,即令即令m= mm= m* *1 1, ,。mm可查表可查表8.38.3得到。得到。22 堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化

11、为堰流。孔出流转化为堰流。2324e e/ /H H 0.75 0.75 为堰流。为堰流。平顶宽顶堰平顶宽顶堰e e/ /H H 0.65 0.65 闸孔出流闸孔出流e e/ /H H 0.650.65堰流堰流曲线型宽顶堰曲线型宽顶堰e e/ /H H 0.75 0.75 闸孔出流，闸孔出流，（1 1）堰流和闸孔出流都是建筑物壅高水位，在重）堰流和闸孔出流都是建筑物壅高水位，在重力作用形成的水流运动，从能量观点，堰闸出流力作用形成的水流运动，从能量观点，堰闸出流的出流过程都是一种势能转化为动能的过程。的出流过程都是一种势能转化为动能的过程。u 共同点：共同点：25（2 2）堰和闸都是属于控制建

12、筑物，都属于急变）堰和闸都是属于控制建筑物，都属于急变流，其能量损失以局部水头损失为主。流，其能量损失以局部水头损失为主。 堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；续光滑的； 闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截断，闸孔上、下游水面是不连续的。断，闸孔上、下游水面是不连续的。u 区别：区别：l 堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。征、过水能力和规律都不相同。26u 常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型

13、实用堰u 常见闸门型式：常见闸门型式： 平板闸门，弧形闸门平板闸门，弧形闸门27u 在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的泄流量。泄流量。u 根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。淹没出流自由出流按照出流形式可分按照出流形式可分实际工程中，为几种型式的组合实际工程中，为几种型式的组合28淹没问题淹没问题: :29hcht当当 运驱式运驱式 在在c-c c-c 下游下游 自由出流自由出流 临界式临界式 在在c-c c-c 断面断面 自由出流自由出流 淹没式淹没式 在在c-c c-c 上游上游 淹没出流淹没出流hcht hcht 30

14、A A、底坎为、底坎为宽顶堰型宽顶堰型闸孔闸孔的水力计算的水力计算HgbQe020221He宽顶堰型闸孔自由出流的宽顶堰型闸孔自由出流的 流量系数流量系数2垂直收缩系数垂直收缩系数c1流速系数流速系数31a a）对于平板闸门的闸孔）对于平板闸门的闸孔儒可夫斯基应用理论分析法，求得无侧收缩儒可夫斯基应用理论分析法，求得无侧收缩系数条件下，垂直收缩系数随相对开度增大系数条件下，垂直收缩系数随相对开度增大而加大，表而加大，表8.78.7。2流量系数按照南京水利科学研究院经验公式。流量系数按照南京水利科学研究院经验公式。0.600.1760He32b b）对于弧形闸门的闸孔）对于弧形闸门的闸孔主要与闸

15、门下缘切线与水平方向夹角的大小主要与闸门下缘切线与水平方向夹角的大小有关，表有关，表8.88.8。2流量系数经验公式。流量系数经验公式。Heoooo)18081. 056. 0()18081. 097. 0(65. 00 ,9025Heoo33B B、底坎为、底坎为宽顶堰型宽顶堰型闸孔闸孔淹没出流淹没出流的水力计算的水力计算HgbQes02淹没系数与潜流比淹没系数与潜流比 有关，有关，查图查图8.348.34)/(ccthHhh 34HgbQe02cos)357. 025. 0(186. 065. 0HeHe3536欢欢 迎迎 提提 问问 ！37例题例题：如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当闸门开度e=1m时，其泄流量Q = 24.3m3/s，闸孔宽b = 4m，试求：堰上水头H。gHbeQ2He186.