闸孔出流计算

优选文档优选文档PAGE13优选文档第八章堰流及闸孔出流

第一节归纳

水利工程中为了宣泄洪水以及引水浇灌、发电、给水等目的，常需要修

建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。

一.堰流及闸孔出流的见解

既能壅高上游水位，又能从自己溢水的建筑物称为堰。

水流由于碰到堰坎或两侧边墙的束窄阻截，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何拘束，而成为圆滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。

水流碰到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板

之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。

二.堰流与闸孔出流的水流状态比较

堰流与闸孔出流是两种不一样样的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙

控制，水面曲线是一条圆滑连续的降落曲线。而闸孔出流时，水流要碰到闸门的

控制，闸孔上下游水面是不连续的。

对明渠中拥有闸门控制的同一过流建筑物而言，在必然界线条件下，堰流与

闸孔出流是能够相互转变的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸

e

孔出流。堰流与闸孔出流两种流态相互转变的条件除与闸门相对开度H相关外，

还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式相关，其他，还与上游来水是涨水仍是落水相关。经过大量的试验研究，一般可采用以下关系式来鉴别堰流及闸孔出流。

闸底坎为平顶ee0.650.65为闸孔出流，H堰H为堰流。

闸底坎为曲线ee0.750.75为闸孔出流，H堰H为堰流。

式中，H为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e为闸门开度。

堰流与闸孔出流又有很多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅

高了上游水位，形成了必然的作用水头，即水流拥有了必然的势能。泄水过程中，都是在重力作用下将势能转变为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物，

其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧波折，离心惯性力对建筑物表面的动水压强散布及过流能力均有必然的影响；④流动过程中的水头损失也主若是局部水头损失。

第二节堰流的种类及水力计算公式

一、堰流的种类

常有的有薄壁堰、曲线型合用堰、折线型合用堰、宽顶堰等。堰的形式

不一样样，其水流特点也不一样样。在水力计算时，其实不按堰的用途分类，而是按堰坎

厚度与堰上水头H的比值大小来区分堰流种类，即按堰的相对厚度对堰流进

行分类。

（1）薄壁堰流：H0.67。此时高出堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水舌下缘与堰顶只呈线的接触，水面为单调的降落曲线。由于薄壁堰常将堰顶做成锐缘，故薄壁堰也称为锐缘堰。

0.672.5（2）合用堰流：H。水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌碰到堰顶的

拘束和顶托，但这种影响还不是很大，高出堰顶的水流主要仍是在重力作用下的自由跌落。

2.510（3）宽顶堰流：H。此时堰顶厚度对水流的顶托作用已经特别明显，

进入堰顶的水流碰到堰顶垂直方向的拘束，过水断面减小，流速增大，加之水流进入堰顶时存在局部水头损失，因此，在进口处形成了水面跌落。今后水面几乎与堰顶保持平行，当下游水位较低时，流出堰顶的水流又会产生第二次水面跌落。

10当H时，沿程水头损失已不能够忽略，此时的水流特点不再属于堰流，

而应当按明渠水流办理。对同一个堰而言，堰坎厚度是必然的，但堰上水头H倒是随水流情况变化的。

堰流的种类诚然有以上几种，但其水流的运动却有着共同的规律。比方，水流在趋近堰顶时，由于流线缩短，流速增大，溢流自由水面均有明显的降落；

从作使劲方面来讲，重力作用是主要的；从水流的流线变化情况来看，堰流都属于明渠急变流，离心惯性力的影响比较明显，有时还存在表面张力的影响；从能量方面讲，都是势能变换为动能，而且水流运动过程中以局部水头损失为主。既然这样，堰流问题就能够用同一个公式来描绘。

二、堰流的基本公式

堰流水力计算的基本公式Qs1mb2gH032

式中，流量系数mf(,k,)，所有这些影响堰流过流能力的因素除与

堰上水头H相关外，还与堰高、堰顶边缘的进口形状等界线条件相关。因此，

不一样样种类、不一样样高度的堰其流量系数m是不尽相同的。

下游水位过高，致使影响了堰的过流能力，这时的堰流就称为吞没出流；

反之，称为自由出流。其影响以吞没系数s

闸墩及边墩的存在会惹起水流的侧向缩短，降低过流能力，这种堰称为

有侧缩短堰；反之，称为无侧缩短堰，其影响以侧缩短系数1来反应。

若堰顶有n孔闸门，上式中的堰顶宽度可表示为bnb，其中b为单孔

净宽。

上述堰流水力计算的基本公式关于过水断面为矩形断面的薄壁堰流、合用堰流、宽顶堰流都是合用的，可是堰流种类不一样样，其流量系数、侧缩短系数、吞没系数确实定方法与计算公式不一样样，这是值得特别关注的问题。

第三节薄壁堰流的水力计算

薄壁堰流拥有牢固的水头和流量关系，因此薄壁堰常用作实验室模型试验或野外量测流量的量水工具。工程实质中宽泛采用的曲线型合用堰和隧洞进口曲线等也常依照薄壁堰流水舌下缘曲线来构制。常有的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和抛物线形。

一、矩形薄壁堰

实考证明：当矩形薄壁堰流无侧缩短、自由出流时，水流最为牢固。

1、无侧缩短、自由出流时的流量系数可按以下公式计算

1）巴赞公式（Bazin，1898年）

0.0027m0.405Hm0(0.4050.0027)[10.55(H)2]或HHP1

式中，H、P1以m计。合用范围是0.025H1.24，b2m，P11.13m。（2）雷伯克公式（，1929年）m02(0.6050.0010.08H)3HP1

H式中，H、P1以m计。合用范围是HB，P120.025，b0.3m，P1。

二、三角形薄壁堰

当量测流量较小（小于0.1m3/s）时，宜采用三角形薄壁堰。

°三角形薄壁堰的流量公式

为Q1.4H2.5

第四节合用堰流的水力计算

合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精益求精。如用条石或其他当地资料修筑的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为折线型合用堰。如用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰顶常做成适合水流特点的曲线形，称为曲线型合用堰。

一、曲线型合用堰的剖面组成及其设计

曲线型合用堰的剖面一般如图所

示.

曲线型合用堰由上游直线段AB、堰顶曲线段BC、下游斜坡段CD以及反弧

段DE这几部分组成。

上游直线段AB能够做成垂直的，也能够做成倾斜的，其高度主要取决

于工程规模和设计要求，而垂直仍是倾斜则经常取决于坝体的牢固要求。

堰顶曲线段BC是设计曲线型合用堰的重点，国内外对堰的剖面形状有

多种设计方法，其主要差异还在于曲线段怎样确定。

下游斜坡段CD是连结堰顶曲线段BC与下游反弧段DE的公切线，其坡

度主要依照坝体强度和牢固要求确定，一般取1:～1:。

反弧段DE是连结直线段CD与河床的圆弧，主要为使其连结圆滑，防备水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半径应结合消能形式一致考虑。

二、WES堰的水力计算

1、WES堰的堰面曲线

y0.5(x)1.85WES标准剖面：堰顶o点下游的曲线按HdHd计算；堰顶o点上游Bo段采用三段复合圆弧相接，这样可使堰顶曲线与堰上游面圆滑连结，改良了堰面压强散布，减小了负压。

2、流量系数

P1H0实验研究表示，曲线型合用堰的流量系数主要取决于Hd、Hd以及上游面坡度等，合用中WES堰的流量系数可查图确定。

P11.33当Hd时，称为高堰，计算中行近流速水头可忽略不计，而且，当H01.00.502，说明高实质工作水优等于设计水头，即Hd时，设计流量系数mdH01.0若Hd堰的设计流量系数为常数。当实质工作水头不等于设计水头时，，则H01.0mmd；若Hd，则mmd

P11.33P1若Hdm将随Hd，此时行近流速加大，流量系数的减小而减小，H0P1mH0P1)此时流量系数m不单与Hd相关，还与Hd相关，即mdf(,HdHd。、侧缩短系数

侧缩短系数的经验公式为

H0110.2[k(n1)0]nb

式中，k为边墩形状系数，0为闸墩形状系数，其数值可按不一样样形状分

查图或表确定。

4、吞没系数

对一般高堰，当下游水位高出堰顶，并堰下发生吞没水跃时，称为吞没

出流。此时过堰水流受下游水位顶托，将使堰的过流能力降低。实质计算时，一

般用吞没系数反应下游水位和堰后护坦高程对过流能力的影响。吞没系数决定于

hsP2hs0.15P22.0H0及H0。对WES剖面堰，当H0及H0时，出流不受下游水位的影响，称为自由出流。

第五节宽顶堰流的水力计算

工程实质中，宽顶堰流的水流现象是十分常有的。如进水闸，无论有坎

仍是无坎（平底），其水流均属于宽顶堰流；流经无压隧洞进口、涵管进口、桥

孔、施工围堰的水流等也都属于宽顶堰流。

2.510当堰顶水平且相对厚度H时，过堰水流会在进口处形成水面跌

落，在堰顶范围内产生一段流线近似平行堰顶的渐变流动，这种堰流就称为宽顶

堰流。

一、有坎宽顶堰流的水力计算

1、流量系数

P1

宽顶堰流的流量系数m取决于堰的进口形式和堰的相对高度H，详细可按以下经验公式计算。

（1）矩形有直角前沿进口的宽顶堰

P13m0.320.01H0.460.75P1H

P1P1P13033上式合用范围：H；当H时，取H，此时，流量系数为常数，m0.32。

（2）矩形带圆角前沿进口的宽顶堰

P13m0.360.01HP11.21.5H

0P13P13P13H；当H时，取H上式合用范围：，此时，流量系数为常数，m0.36。

P13由上两式可知，当H0.32，时，流量系数m为常数，直角进口，m圆角进口，m0.36，是最小值；当P10时，流量系数m为最大值，m0.385；0P13当H，其流量系数在必然范围变化，直角进口m0.32~0.385，圆角进口m0.36~0.385。

依照理论推导，宽顶堰流的流量系数最大值不高出。

2、侧缩短系数

影响侧缩短的主要因素是闸墩和边墩的头部形状、数目和闸墩在堰顶的相对地址及堰上水优等。侧缩短系数仍可按经验公式计算。

3、吞没系数

宽顶堰流吞没出流，整个堰顶水流都将变为缓流。因此，宽顶堰流的淹

没条件是下游水位高出堰顶的水深hs大于堰顶自由出流时的缩短断面水深hc相

共轭的跃后水深hc，即hshc。对此吞没条件，当前用理论分析还有困难，多采用试验资料来鉴别。依照试验，宽顶堰流的吞没条件为hs(0.75~0.85)H0，hs取平均值为hs0.8H0。其吞没系数s随相对吞没度H0的增大而减小，其详细数值可查表确定。

二、无坎宽顶堰流的水力计算

经过平底进水闸、桥墩、无压涵洞及廊道进口处的水流，虽无底坎的阻截作用，但因碰到平面上的束窄，水面也发生跌落，其流动现象称为无坎宽顶堰流。

无坎宽顶堰流自己是由侧向缩短产生的，故不再独自考虑侧缩短系数，而是将侧缩短的影响一并考虑在流量系数之内。无坎宽顶堰流的流量系数采用查表法确定。需要注意的是多孔无坎宽顶堰流的流量系数要取边孔和中孔的加权平均值，即

mm(n1)msmn

式中，n为堰孔数目；mm为中孔的流量系数，ms为边孔的流量系数。

无坎宽顶堰流的吞没判断条件及其吞没系数确实定可近似地参照有坎宽

顶堰流确定。

第六节闸孔出流的水力计算

水利工程中的水闸，其闸底坎一般为宽顶堰或曲线型合用堰。依照

闸前水深H、闸门开度e和下游水深ht的不一样样，闸孔出流就拥有不一样样的水流形态。

若是闸前水头H不随时间改变，当闸门开度e一准时，出流流速和流量不随时间改变，闸孔出流为恒定出流，否则为非恒定出流。

一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流

计算公式Qsbe2gH0

式中，流量系数s为吞没系数。

（一）、流量系数与垂直缩短系数

、宽顶堰上平板闸门

（1）垂直缩短系数2

儒可夫斯基（Н．Е．Жуковский）采用数理分析方法，求

e

得了垂直缩短系数2随H0变化的数值，查表确定。

（2）流量系数

南京水利科学研究所经验公式

0.600.176

e

H

e0.10.65此式合用范围：H。

2、宽顶堰上弧形闸门

（1）垂直缩短系数2

2主要与闸门下缘切线与水平方向的夹角值相关，查表确定。

（