工程流体力学第章堰流和闸孔出流

第7章堰流和闸孔出流学习重点§7-1概述§7-2薄壁堰§7-3实用堰§7-4宽顶堰※§7-5小桥桥孔过流的水力计算※§7-6无压涵洞的水力计算※§7-7闸孔出流※§7-8泄水建筑物下游的消能与衔接第7章堰流和闸孔出流学习重点：1.堰流及闸孔出流的概念，堰的分类。2.堰流过流能力的基本公式。3.宽顶堰流的水力计算。§7-1概述

堰流 明渠水流受障碍物或建筑物的影响，上游水位雍高，然后水面降落，这种水流从障碍物上溢流至下游的水流现象称为堰流。 上述建筑物或障碍物称为堰。堰流：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，水流从建筑物顶部自由下泄。闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。一、堰流及闸孔出流的概念1、堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。2、堰流和闸孔出流的相同点：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一种水流运动，都是从势能转化为动能的过程。都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。3、堰流和闸孔出流的转化：闸底坎为平顶堰时：

闸孔出流

堰流闸底坎为曲线型堰时

闸孔出流堰流二、堰流及闸孔出流的特征三、堰流的基本特征量堰的几何要素：b：堰宽B：渠宽

：堰顶厚度P1：上游堰高P2：下游堰高水流的几何要素：H：堰上水头v0：行近流速

：堰上总水头h：下游水深

（一）按δ与H的相对大小分类

薄壁堰：

实用堰：宽顶堰：四、堰流的分类（二）按堰下游水位h对堰的影响分类

自由堰：下游水位较低，不影响堰的出流条件。

淹没堰：下游水位较高或下游堰高较小，堰顶出流受到顶托作用，影响了堰的过流能力，使流量减小。（三）按B和b的变化分类 有侧收缩堰：B>b。

无侧收缩堰：B=b。四、堰流的分类（四）其他分类 按堰孔形状可将堰分为矩形堰、三角形堰、梯形堰、曲线形堰等。列堰前断面与堰顶断面的能量方程：hc0=kH0。堰流流量公式：五、堰流过流能力的基本公式令m为流量系数，与堰顶水头和堰的边界条件有关。Q＝εσ

mb（2g）1/2H03/2

一、矩形薄壁堰流1、定义：堰口形状为矩形的薄壁堰。2、薄壁堰用于量测设备时的要求：矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流上游渠宽与堰宽相同下游水位低于堰顶堰上水头H不宜过小，一般H>2.5cm水舌下面的空间应与大气相通，所以要求下游水位不能太高。§7-2薄壁堰

3、计算公式m0包含行近流速影响在内的流量系数一、矩形薄壁堰流1、定义：堰口形状为三角形的薄壁堰。2、应用

当测量的流量较小一般用三角形薄壁堰。3、计算公式二、三角形薄壁堰流H≤25cmH>25cm当Q较大而又不能用无侧收缩矩形堰时，常采用梯形堰。三、梯形薄壁堰流令，得实验研究表明，当时，流量系数mt不随H及b变化，且约为0.42。§7-3实用堰一、剖面形状

折线形

曲线形二、曲线形实用堰（一）曲线型实用堰的剖面形状合理的剖面形状应当具有下列优点：过水能力大堰面不出现过大的负压经济、稳定

（一）曲线型实用堰的剖面形状组成：1.上游堰面AB，可垂直或倾斜：2.堰顶溢流段BC：3.下游堰面直线段CD:4.堰面与下游河床相切的反弧段DE:

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。（一）曲线型实用堰的剖面形状实验研究表明，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P1/Hd、堰顶全水头与设计水头之比0/Hd以及上游面的坡度。（二）曲线型实用堰的流量系数

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；为边墩形状系数；为闸墩形态系数。（三）侧收缩系数实用堰的淹没条件也是下游水面高出堰顶和堰下形成淹没式水跃。淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，当实用堰形成淹没出流时，其淹没系数σs与堰的相对淹没深度hs/H有关（其中hs为堰的下游水位高出堰顶的高度）。（四）曲线型实用堰的淹没系数§7-4嗽宽顶转堰一.蹦无侧古收缩歼自由削式宽券顶堰工程独中，翻堰口逮形状申一般立为矩择形直角吗进口朱：当0胆≤P/H≤3当P/渡H＞3,m=0.知32圆角垫进口(r/H≥0衰.2羡)当0易≤P/洒H≤3当P/辆H＞3，m=已0.傍36二、脖无侧期收缩剑淹没锋式宽掏顶堰水流特场点淹没尺标准hs≥0.补8H0计算公遵式三、侧收超缩宽顶非堰自由式堪侧收缩鞋宽顶堰采的流量鱼公式为淹没式谜侧收缩蜓宽顶堰※§7-5小红桥桥孔逼过流的岂水力计继算（一瘦）自由决出流若h≦1.沃3hc，下省游水位购不影响榨桥孔过连流，称准为桥孔扎自由出倡流。一、小歪桥桥孔铁过流的葬水力特隆征（二鬼）淹没竹出流若h>1丘.3hc，下减游水猎位影年响桥滥孔过殖流，捉此时除为桥掠孔淹蹈没出俊流。二、小桥桥烘孔过流富的水力旅计算1.跃计算非临界唉水深2.计喊算小桥杯孔径自由娘出流欺，桥崭下河渡槽水绸深淹没出友流，桥饮下河槽其水深hc0=h，3.按例采用的叼标准孔钟径验算校桥孔箩过流凯情况按采用昂的标准僚孔径B，重新炮计算hc，屈判别瓦桥孔佩出流逐形式舌并计厦算桥均下河激槽的温流速v。v应小拦于vmax自由出匹流淹没出慎流二、池小桥途桥孔替过流负的水盒力计群算4.计醒算桥梁限雍水桥梁壅划水水深轧要控制购在规范屋允许的太范围内估。自由出君流淹没羡出流桥前壅验水水深※§7-6无肿压涵敢洞的筝水力冈计算一、无源压涵洞舅的分类按涵洞召进水口姐建筑形呢式不同蛋与涵前惭水头的良高低，腰水流通搂过涵洞庭时可分乞为无压隔力流、还半压力永流和压衰力流三款种状态瘦，相应李地将涵尺洞分为无压涵疲洞、半遇压力涵篇洞与全话压力涵赔洞。二、任无压伶涵洞遗的水这力条眯件设涵前隐水深为突H，下良游水深便为h,韵涵洞走洞身净遮高为h砖T，糟实验得态知，要鄙保证为朱无压涵左洞，需岛满足以锄下水力捧条件：①下舟游水杰深小温于涵蓄洞净角高，到即h<hT；②涵猾洞的驳进水壳口建殖筑为级普通粗型（遵端墙滔式、基八字送式、检不抬秒高式睁），垄涵前锤水深偿（幼为洞悼身净悉高）劣；进歼水口浮建筑问为流猛线形屋（喇别叭形冈、抬切高式雅），检涵前夕水深三、无惠压涵洞械的过流祖能力计既算（一挖）水力产现象爆的分锡析无压胳涵洞痛底坡附一般死为正串坡（i>0）请。平坡涵你洞使用计中易在肚涵洞内不积水，毛影响路影基稳定凤性，工圣程中一双般尽量章避免采办用。对于寇正坡汗无压穗涵洞犁，根归据底省坡大掘小和于长度饺不同挤，分更以下欧三种旷情况笋对水兼力现皆象进颗行分脑析。（1）猜缓坡无校压涵洞诞（i<ic）（2）输临界坡属涵洞（i=ic）（3继）陡肌坡无色压涵为洞（i>ic）当涵钓洞坡浆度过呼小时搜，易苗使收占缩断脏面淹扯没，狂为了格避免妨这种霜情况赌，工仆程上季通常香将涵蹄洞底嘉坡增锅大到偷等于军或略券大于调临界疫坡来劫解决板，坡烛度过详小的奖缓坡投涵洞畅尽量兼少采择用。（二厕）水力养计算短涵的呀过流能仇力可按斧宽顶堰元计算长涵录的过垦流能什力按妇明渠茶水流宁计算州。※§7-7权闸孔袄出流一、底傻坎为宽育顶堰型钩的闸孔专出流1.底培坎为宽傍顶堰型蔑闸孔自千由出流露的水力妻计算2.底案坎为宽胜顶堰型恐闸孔淹妖没出流扶的水力梅计算二、泥底坎邪为曲缺线型菜实用没堰的暴闸孔凝出流一、乒消能穷类型（一）面流皮式消膀能当下游史水深较灯大而且徐比较稳桃定时，反可采取挖一定的龟工程措既施，将午下泄的伐高速水容流导向会下游水闭流的上耕层，主假流与河蛋床之间邮由巨大健的底部花旋滚隔尤开，可基避免高拿速主流话对河床弦的冲刷阻。余能份主要通泻过水舌惹扩散，烫流速分背布调整炉及底部凡旋滚与夕主流的勺相互作皇用而消苏除。※§7-8亦泄水曲建筑赌物下注游的不消能贝与衔专接（二）挑流式去消能利用下爸泄水流着所挟带萝的巨大抬动能，堪因势利比导将水数流挑射握至远离动建筑物姻的下游版，使下乏