工程力学ppt第9章课件

1、 9 堰流及闸孔出流 9.4 实用堰 9.1 堰的分类 9.2 堰流的基本公式 9.3 薄壁堰 9.5 宽顶堰 9.6 闸孔出流 水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物，以渲泄洪水或调节流量。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔、无压涵洞进口在水力学中，把顶部溢流的水工建筑物称堰 闸孔出流：过堰水流，当受到闸门控制时，就是孔流beH00 图 堰流及闸孔出流 图 闸孔出流eH00 堰流: 过堰水流未受闸门控制影响 bH00v0 图 堰流H图 堰流堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象 异同点堰流： 水面线为光滑曲线；过水能力强H闸孔出流：闸孔上、下游水面曲线不

2、连续；过水能力弱 异同点堰流： 水面线为一条光滑曲线；过水能力强图 闸孔出流eH00 共同点壅高上游水位在重力作用下形成水流运动明渠急变流：在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力 出流过程的能量损失主要是局部损失 相对性： 堰流和孔流是相对的堰流和闸孔出流条件取决于闸孔相对开度闸底坎及闸门(或胸墙) 型式上游来流条件（涨水或落水）等式中：e为闸孔开度；H为堰上水头平顶堰： e /H0.65 为孔流 e/H 0.65 为堰流eH00曲线型堰：e/H 0.75 孔流 e/H0.75 堰流 式中：e为闸孔开度；H 为堰上水头0beH0 堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象其水力计算的主要任务是研究过水能

3、力 堰闸出流水力特性 堰闸水力计算 9.4 实用堰 9.1 堰的分类 9.2 堰流的基本公式 9.3 薄壁堰 9.5 宽顶堰 9.6 闸孔出流 9.1 堰流类型 水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线型或者折线实验室的量水堰一般用钢板或木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降HP1v011v1P200HP1v011v1P200堰前断面：把堰上游水面无明显下降的0-0 断面堰顶水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示HP1v011v1P200 行进流速：堰前断面的流速称为行

4、进流速，用v0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离为：L =（35) H 研究表明，流过堰顶的水流型态 随堰坎厚度与堰顶水头之比 /H而变工程上，按与H的大小将堰流分为 薄壁堰 实用堰 宽顶堰 越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线HP1v011v1P200 薄壁堰：/H 0.67由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称 锐缘堰 实用堰流：0.67 /H 2.500v0H11水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰 实用堰流：0.67 /H 2.5 堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。00v0H11H00P1P211v1

5、v0折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形 3 宽顶堰：2.5/ H 10堰顶厚度对水流的顶托作用非常明显。水流特征：水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流形成第二次水面降。H00P1P21v011v1堰坎厚度继续增加10H，则 沿程水头损失已经不能略去， 水流不属于堰流， 而是明渠水流。P1i ikKKH二、堰流的基本公式现应用能量方程推求堰流的基本公式。V011V1P200对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程基准面：通过堰顶的水平面。HP1二、堰流的基本公式V011V1P200分析：0-0断面为渐变流；1-1 断面为急变流（流线弯曲），过水

6、断面上测压管水头不为常数， 1-1 断面测压管水头的平均值。 HP1二、堰流的基本公式V011V1P200由此可得： HP1二、堰流的基本公式由此可得： V1 :1-1 断面的平均流速 V0: 0-0 断面的平均流速 1 ， 2 ：动能修正系数：局部阻力系数V011V1P200HP1令，为某一修正系数，则 因此，1-1断面水舌宽度： b（堰顶过水断面一般为矩形）1-1断面水舌厚度： kH0，k为反映堰顶水流垂直收缩的系数。11断面过水面积：kH0b V011V1P200HP1kH0令： 流速系数 流量系数 则堰流计算的基本公式：从上式可见： 影响流量系数的主要因素： 反映局部水头损失的影响 反

7、映堰顶水流垂直收缩的程度（1-1断面水舌厚度 kH） 代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比 堰顶水头、堰边界（上游堰高P1、堰顶口边缘形状等）。 结论： 不同类型和尺寸的堰，流量系数不同。上述公式没有考虑堰的淹没出流影响和侧收缩影响。侧向收缩： 有的堰顶过流宽度小于上游渠道宽度或是堰顶设有闸墩及边墩，引起水流的侧向收缩，降低了堰的过流能力。侧收缩系数： 反映侧向收缩影响的一个系数 。 若把淹没出流和侧收缩影响反映到公式中来，则堰流计算公式为9-2 薄壁堰流的水力计算薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型试验或野外量测中的一种有效工具。有的临时性的档水建筑物，如叠梁闸门可近似作为

8、薄壁堰。HP1曲线型实用堰的外形:一般也是按照薄壁堰水舌下缘曲线设计的。V011V1P200图 薄壁堰水舌下缘 00V0H11曲线型实用堰的外形:一般也是按照薄壁堰水舌下缘曲线设计的。因此，研究薄壁堰是具有重要的实际意义。、矩形薄壁堰薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高。为了保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足： H 2.5 cm ，否则溢流水舌受表面张力作用，出流不稳定。 水舌下空间与大气相通，否则水舌下形成真空，使出流不稳定。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通气管贴壁流动下图为实

9、验室中测得到的无侧收缩、矩形薄壁堰自由出流水舌形状。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H堰流计算公式为：为了便于根据直接量测出的水头计算流量，将上式改为：令：，则式中，m0为包括行进流速在内的流量系数，可按雷白克(T.Rehbock)公式计算：雷白克(T.Rehbock)：适用于： 式中，为上游堰高，均以米计算。二、直角三角堰当所需测流量较小(例如Q0.1m3/s)时，若应用矩形薄壁堰则水头过小，误差增大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，常用90等。HP21B式中，式中，为堰上游引渠的宽度；均以m计；单位为m3/

10、s 。为直角三角薄壁堰的流量系数，可按照下列公式计算：HP21B流量的误差： 1.4%过去也有人采用：适用条件： 9-3 实用堰流的水力计算实用堰是水利工程中常见的堰型之一 用途： 作为档水建筑物和泄水建筑物 低堰坝常用石料砌成折线型较高的溢流坝一般作成曲线型实用堰的水力计算公式采用： 实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔边墩边墩闸墩bddbb实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔dbbb边墩边墩闸墩实用堰的水力计算公式采用： 式中， n 为孔数；b 为一孔的净宽淹没系数：侧收缩系数： 曲线型实用堰的剖面形状 上游直线段：AB 堰顶曲线段：BC 下游直线段：CD，坡度 m

11、 = cth 下游河底连接段：DEEHdP1P2ABCDOm上游直线 AB段： 垂直的，或者倾斜：取决于溢流坝的强度和稳定要求EHdP1P2ABCDOm2 反弧段： 使直线CD与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床EHdP1P2ABCDOrm2 反弧段： r： 一般情况下：对于非基岩上、高度不大的坝EHdP1P2ABCDOr式中，Hd 溢流坝剖面设计水头； zmax 为最大上下游水位差。m2 反弧段： r： 一般情况下：对于非基岩上、高度较大的坝EHdP1P2ABCDOr式中，Hd 溢流坝剖面设计水头； zmax 为最大上下游水位差。m3 堰顶曲线BC： 对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形

12、状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状：与薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流能力最大。但是，实际中完全吻合不可能。原因：水位波动，水舌不是稳定的（紊动影响）曲线型实用堰切入到薄壁堰水舌下缘内部堰壁不产生负压，但是过流能力有所降低堰面不出现真空的堰称为非真空剖面堰曲线型实用堰和薄壁堰水舌下缘内部形成空间过流能力有所提高，但堰壁产生负压因此，实际采用的剖面形状 按照薄壁堰下游水舌下缘曲线稍加修改而成。堰面出现真空的堰称为真空剖面堰现在分析薄壁堰水舌下缘曲线的特性：假定经过B 点，水流质点的流速为HdP1V0uxuyuxyBHdP1V0uxuyuxyB两端消去t，再用Hd 除之，整理后得：式中，

13、 n = 2 该式表明，理论上，堰顶曲线是抛物线。用上式还不能计算曲线型实用堰顶曲线原因：是未知的变量 也是未知的变量。 水流行进堰顶时，临近堰顶水舌内压强不等于大气压。因此，堰顶水流运动与质点自由抛射运动有一定出入。工程上，常用试验修正研究求得不同条件下的 或 修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下缘的曲线经过适当修改得出堰顶曲线的坐标值。 以前，我国采用较多的是克里格奥菲采洛夫剖面， 简称克奥剖面。该剖面略嫌肥大，曲线坐标用用表给出，坐标点少，施工中不便控制。有关克奥剖面的设计方法可参考有关水力学书籍。美国内务部垦务局在系统研究的基础上，推荐Ogee 剖面作为标准剖面该断面参数均与行进流速水头、设计

14、全水头有关，即考虑了坝高对堰顶剖面曲线的影响。因此，适应不同上游坝高的堰剖面设计。有关Ogee 剖面的设计方法参考有关的水力学参考书。 近年来多采用WES剖面， 美国陆军工程兵团水道试验站的标准剖面。 WES剖面用曲线方程表示，便于控制； 堰剖面较瘦可节省工程量；堰面压强分布比较理想，负压不大，对安全有利。下面看重介绍 WES剖面的水力设计方法。R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292Hd 图 9-11 WES 剖面R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292Hd 图 9-11 WES

15、剖面堰顶O点下游曲线： 式中， k，n取决于堰上游面坡度。当上游面为垂直时k=0.5，n=1.95Hd: 为不包括行近流速水头的剖面 设计水头，简称设计水头。R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292Hd 图 9-11 WES 剖面堰顶O点上游曲线： 采用三段复合园弧相接 堰顶曲线上游与上游面平滑连接改善堰面压强分布，减小负压。目的： R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292Hd 图 9-11 WES 剖面堰顶O点上游曲线： 采用三段复合园弧相接 从上述可知:堰剖面曲线的坐标值取决于设

16、计水头 问题是：设计堰时，堰顶水头在(HminHmax)范围变化。因此，选定设计水头Hd？使当H = (HminHmax)， 堰面：较大流量系数，堰面又不产生过大负压。分析两种极端的情况： 如果Hd=Hmax可以保证堰面不出现负压，但 HHd，堰面产生较大负压 严重时危及坝安全 工程中经常采用Hd=(0.750.95)Hmax。当HHd时，真空剖面堰；当H 1.33，则 md = 0.502， 行进流速可忽略， Hd = Hd0s：s = 1 为自由出流:= 1-0.2Ka (n-1)KPH0/nbKP = 0 (查表)Ka = 0.2b 12n 5:= 1-0.20.2 (5-1)0Hd/5

17、12 = 1-0.0066 Hd:= 1-0.20.2 (5-1)0H0/512 = 1-0.0066 Hd 应用试算法得到： Hd = 4.9m验证：堰顶高程 165.0 4.9 = 160.1m上游堰高 160.1-100 60.1 m P1/Hd 60.1/ 4.9 12.23 1.33 md = 0.502，行进流速可忽略下游水位 = 110.0 0.2 ； P1/H 3 当b/B 3，取P1/H 3 1 单孔宽顶堰： 用上述公式即可2 多孔宽顶堰： 应采取边孔和中孔的加权平均值 式中， = 中孔闸墩收缩系数 b bB = b+2d = 边墩收缩系数b bB = b+2边墩计算厚度；d

18、bbb = 边墩收缩系数b bB = b+2边墩计算厚度；三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数下面分析：堰顶水头及进口形式一定时，下游水位逐渐升高，宽顶堰形成淹没的过程。宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流第一次水面跌落：进口产生局部水头损失hSH00P1P2v02H11KKhc收缩断面：在进口约为2H处 hc hk，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。因此，淹没条件为： hs 0.9H0H00P1P2v02H11KKhS波状水跃hc宽顶堰的淹没系数：见P9-19四、无坎宽顶堰流无坎宽顶堰是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面束窄侧向收缩，引起水面跌落计算公式仍然采用基本公式：但是，一般不单独考虑侧向收

19、缩的影响，而把它包含在流量系数中考虑， 即 令： 则：式中，m 是无坎宽顶堰的流量系数； 可根据进口翼墙的形式及平面收缩程度， 从表（9-3）、表（9-4）和表（9-5）中查得。多孔无坎宽顶堰的流量系数取边孔和中孔加权平均值。1 直角翼墙：bBbBB ： 上游渠道的宽度b ： 闸孔的净宽图9-25 八字形翼墙2 八字形翼墙：rrbBB ： 上游渠道的宽度b ： 闸孔的净宽3 圆弧形翼墙：多孔无坎宽顶堰的淹没系数近似按照表（9-2）查用。9-5 窄深堰流的水力计算当渠道末端设置跌水这一连接建筑物时其进口段常作成由一个或者数个中敦组成的梯形堰孔 以控制上游渠道中水位这种梯形断面堰孔，常作成窄深式的

20、形状， 故称为窄深堰H=h0vbbb过流能力的计算公式为：式中，当堰高为零时，H h0为渠道中的均匀流水深 为侧收缩系数，当梯形的侧面作成均匀的流线型， 取1m 为流量系数，宽顶堰流时m = 0.35-0.37 实用堰时时m = 0.44-0.50m 为流量系数，宽顶堰流时m = 0.35-0.37 实用堰时时m = 0.44-0.509-6 闸孔出流的水力计算实际工程中的水闸，闸底坎：一般为宽顶堰（包括无坎宽顶堰） 或曲线型实用堰，闸门形式主要为平板闸门、弧形闸门两种，当闸门部分开启，出闸水流受闸门控制，为闸孔出流。闸孔出流的水力计算任务：在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度的泄量；或已知流量

21、，求所需的闸孔宽度b；显然，不同的闸门类型， 不同的底坎型式 水流的收缩程度及能量损失的大小也不 同下面分别讨论。 底坎为宽顶堰底闸孔出流下图给出水平底坎上的闸孔出流。eH00vchchtcc(0.51)ea ht hc” 远驱式水跃其中，H为闸前水头， e为闸孔开度。当水流行近闸孔时，流线在闸门约束下急剧弯曲；出闸后，水深约在闸门下游(0.51)e处收缩到最小eH00vchchtcc(0.51)ea ht hc” 远驱式水跃收缩断面的水深hc临界水深hK 缓流。堰流从急流过渡到缓流时水跃，水跃跃首随下游水深ht而变。eH00vchchtcc(0.51)ea ht hc” 远驱式水跃闸孔出流受

22、水跃位置影响可分：自由出流 淹没出流1自由出流： ht hc ，闸下为远驱式和临界水跃 式中，hc为收缩水深hc对应的跃后水深注意：上述判断条件对坎高不为零的宽顶堰堰流适用。eH00vchchtcc(0.51)ea ht hc” 淹没水跃原因： 水跃跃首在收缩断面上游，水跃旋滚覆盖了收缩断面，动水压强增大，eH0vchcht(0.51)eccv022g称闸孔淹没出流。减小了闸孔流量。3 底坎为宽顶堰闸孔自由出流的水力计算eH00vchchtcc(0.51)ea ht hc” 远驱式水跃对堰前断面0-0和收缩断面c-c列能量方程3 底坎为宽顶堰闸孔自由出流的水力计算对堰前断面0-0和收缩断面c-

23、c列能量方程式中：为c-c断面的平均流速；为0-0断面的平均流速，即行近流速；是相应断面的动能修正系数；为两个断面的局部水头损失系数。令 则令： 流速系数 令：收缩系数 影响流量系数的主要因素： 反映局部水头损失的影响 取决于闸底缘形式、闸门形式等坎高为零的宽顶堰型闸孔， 有底坎的宽顶堰型闸孔， 垂直收缩系数反映水流经闸孔时的流线收缩程度取决于闸孔入口的边界条件 相对开度影响流量系数的主要因素：反映能量损失和收缩程度，取决于闸底坎的形式、 闸门的类型和闸孔相对开度注意：闸孔出流中，闸墩、边墩的侧收缩可以忽略；水头较高时，可忽略行进流速水头。平板闸门的流量系数：儒可夫斯基应用势流理论的方法， 求得平底坎平板闸门的垂直