闸孔出流及堰流的设计计算

专题十二闸孔出流及堰流的设计计算知识点一闸孔出流与堰流的概念知识点二闸孔出流知识点三堰流孔口出流：在容器壁上开孔，液体经孔口泄流的水力现象；管嘴出流：液体经过容器壁较厚的孔口或者孔口处有短管泄流的水力现象。知识点一闸孔出流和堰流的概念水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流。当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。堰流的类型水利工程中常根据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损失及过水能力也会不同。工程上通常按照堰顶厚度δ与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作：1．薄壁堰流：即2．实用堰：即3．宽顶堰流：即4．明渠水流：即堰高P1堰高P2堰顶厚度δδ堰顶厚度δ堰顶厚度堰宽b堰顶水头HHH堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。堰流与闸孔出流也存在着许多共同点:首先，堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。其次，这两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一定影响。其出流过程的能量损失主要是局部损失。闸底坎平顶堰时为闸孔出流；为堰流；闸底坎为曲线型堰流时为闸孔出流；为堰流；式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。闸孔出流和堰流可以相互转化：知识点二闸孔出流泄水建筑物下游水跃发生位置的判别i1=0KKhtcc设跃前水深为收缩断面水深hc，即有h1=hc，计算相应的跃后水深h2，若计算的h2=ht，则跃前断面恰好在收缩断面处，称为临界式水跃若计算的h2>ht，则跃前断面必在收缩断面的下游，称为远离式水跃若计算的h2<ht，则跃前断面必在收缩断面的上游，称为淹没式水跃一、平顶坎上闸孔自由出流1、平板闸门下自由出流取1-1和收缩断面c-c列能量方程i1=0KKhtccε′为垂直侧收缩系数，φ为闸孔的流速系数u0为闸孔出流的流量系数2、弧形闸门下出流弧形闸门闸孔出流的水流特性与平面闸门相似，不同点在于，弧形闸门的挡水面板梗接近于流线的形状，对水流的过流阻力更小。弧形闸门的垂直侧收缩系数跟闸门下缘切线与水平方向夹角有关，然后查表12-3求得：‹#›二、平顶坎上闸孔淹没出流淹没出流时下游水深大于收缩水深的共轭水深，且泄流能力比同样情况下的自由出流的泄流能力小。用小于1.0的淹没系数反映淹没对闸孔出流的影响：淹没系数查图12-6可得。‹#›三、曲线坎上闸孔自由出流曲线坎上闸孔出流的流量系数不同于平顶坎闸孔，但流量公式相同：He四、曲线坎上闸孔淹没出流当下游水位超过坎顶时即认为是淹没出流：知识点三堰流应用能量方程式可推得过堰流量堰宽堰顶全水头流量系数侧收缩系数淹没系数一堰流的基本公式2.水舌下面的空间与大气相通。否则由于溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空。这种出流也是不稳定的。1.堰上水头不宜过小（一般应使H>2.5厘米），否则溢流水舌受表面张力作用，使出流很不稳定。1、矩形薄壁堰流根据堰口形状的不同，薄壁堰可以分为矩形薄壁堰和三角形薄壁堰，由于薄壁堰流具有稳定的水头与流量关系，一般多用于实验室及小河渠的流量测量。此外为了保证矩形薄壁堰测流是具有较高的精度，一般要求：二薄壁堰流的水力计算无测收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量下式计算为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写上式，把行近流速的影响包括在流量系数中去：即式中P1为上游堰高，H及P1均以米计。上式用于H≥0.025米，≤2及P1≥0.3米条件下。令则得式中，包括行近流速影响的流量系数m0可按下列经验公式计算2、直角三角形薄壁堰流当所需测量的流量较小（例如Q＜0.1米3/秒）时，若应用矩形薄壁堰流则水头过小，误差增大。一般可改用直角三角形薄壁堰，其计算公式为式中，C0为直角三角形薄壁堰的流量系数，可按下式计算其中，Q为流量，以米3/秒（m3/s）计；H为堰顶水头；P1为上游堰高；B为堰上游引渠宽均以米（m）计。在下述范围内，上式的误差＜（±1.4%）0.5m≤B≤1.2m0.1m≤P1≤0.75m0.07m≤H≤0.26m

H≤B/3过去，有采用C0=1.4作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。三实用堰流的水力计算低溢流堰常用石料砌筑成折线形，较高的溢流坝为大过流能力，一般作成曲线形，即所谓的折线型实用堰和曲线型实用堰。1、实用堰的剖面形状曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有下列几个优点：(1)过水能力大(2)堰面不出现过大的负压(3)经济、稳定(a)(b)(c)堰顶曲线BC对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲线段BC如何确定。实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。如图所示矩形薄壁堰自由出流，设堰顶B点处水流质点流速u与水平方向相交成θ角，则x、y方向大流速分量等于式中：系数；指数n=2。薄壁堰自由出流时，水舌下缘曲线的特性则在水舌下缘最高点时有经时刻t后，液体质点的坐标值为：消去t后，两端用整理后得我国采用的剖面有：1．克里格－奥菲采洛夫（过去常用）2．渥奇3．美国水道试验站WES型（现在常用）WES剖面如图实验研究表明，曲线型适用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之比，堰顶全水头与设计水头之比以及上游面的坡度。2、实用堰的流量系数3、侧收缩系数侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面经验公式计算：式中：n为堰孔数；H0为堰顶全水头；Ka为边墩形状系数；KP为闸墩形态系数。实际计算中用淹没系数来综合反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响。决定于和P2/H0。4、淹没系数试验研究表明:(1)当下游水位高过堰顶至某一范围时堰下游形成淹没水跃，过堰水流受到下游水位的顶托，降低了过水能力即为淹没出流；(2)当下游护坦高程较高，过堰水流受下游护坦的影响，也会产生类似淹没的效果而使流量系数降低。淹没系数可查下图：当≤0.15和P2/H0≥2时出流不受下游水位及护坦高程的影响称为自由出流当堰顶水平且厚度，在进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行堰顶的渐变流动即为宽顶堰流。流量计算公式为：(a)(b)(c)四

宽顶堰流的水力计算1、流量系数对堰顶入口为直角的宽顶堰对堰顶进口为圆角的宽顶堰2、侧收缩系数（8-15）式中：a0为考虑墩尖及堰顶入口形状的系数。当闸墩（或边墩）头部为矩形，堰顶为直角入口边缘时a0＝0.19；当闸墩（或边墩）头部为圆弧形，堰顶入口边缘为直角或圆弧形时a0=0.10；b为溢流孔净宽；B为上游引渠宽。当时，应采用。当时，应采用；上式的应用条件为：1．对单孔宽顶堰（无闸墩）b采用两边墩间的宽度；B可采用堰上游的水面宽度。2．对多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）式中为中孔侧收缩系数，按（8-15）式计算时，可取；为单孔净宽；，d为闸墩厚；为边孔侧收缩系数，用(8-15)式计算时，可取：；为边孔净宽；，Δ为边墩计算厚度，是边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：（8-16）式中：n为孔数；宽顶堰的淹没系数hs/H00.800.810.820.830.840.850.860.870.8