水力学第八章

第八章堰流及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。例如，溢流坝、水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。堰是顶部过流的水工建筑物。HH图2堰流H00v0图1堰流b图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响be0be00图3堰流及闸孔出流H图4闸孔出流eH00堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位；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，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙)型式以及上游来流条件〔涨水或落水〕。平顶堰：e/H≤0.65孔流曲线型堰：e/H≤0.75孔流e/H＞0.75堰流e/H＞0.65堰流式中：e为闸孔开度；H为堰上水头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力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。第一节堰流的分类及水力计算根本公式一、堰流的分类水利工程中，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或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、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，自由外表逐渐下降当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由外表逐渐下降HP1v0111v1P20δ0图5薄壁堰堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0断面堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H表示行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v0表示堰前断面距离上游壁面的距离：L=〔3～5)H研究说明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ/H而变，工程上，按δ与H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。1.薄壁堰：δ/H＜0.67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。由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰。2.实用堰流：0.67＜δ/H＜2.5水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰。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。折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形。3.宽顶堰：2.5＜δ/H＜10宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。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，出堰水流二次水面降。4.明渠水流：堰坎厚度δ＞10H000v0Hδ11图6曲线型实用堰PP2v1v0H00P111δ图7折线型实用堰H0H00P1P2v0δ11v1图8宽顶堰P1δi>ikKKH图9明渠水流二、堰流水力计算的根本公式HHP1v0111v1P20δ0对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程基准面：通过堰顶的水平面分析：0-0断面为渐变流，1-1断面为急变流〔流线弯曲〕①式中：为1-1断面测压管水头的平均值；v0为0-0断面的平均流速；v1为1-1断面的平均流速；ζ为局部阻力系数令，那么①式可变为②由②式得令，其中k为系数，那么③再令：流速系数；流量系数那么③式可变为④由④式可知：影响流量系数的主要因素——反映局部水头损失的影响。包括：堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等——反映堰顶水流垂直收缩程度〔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ddb’b’b’边墩边墩闸墩闸墩B侧向收缩影响有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数反映其影响。下游水位的影响堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数反映。堰流公式：第二节薄壁堰流薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此，研究薄壁堰具有重要的实际意义。000v0Hδ11一、矩形薄壁堰流矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足：①H>2.5cm，否那么堰下形成贴壁流，出流不稳定②水舌下与大气通，否那么水舌下有真空，出流不稳定HHP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通气管贴壁流动无侧收缩的矩形薄壁堰出流水舌形状无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状由堰流计算公式令式中，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)式中，P1为上游堰高，H为堰上水头，均以米计算。二、直角三角形薄壁堰流当所需测流量较小(例如Q＜0.1m3/s)时，假设用矩形薄壁堰，那么水头过小，误差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，但常用直角。9.3.29.3.2直角堰HP2B第三节实用堰流的水力计算公式实用堰是水利工程中常见的堰型之一。作为档水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折线型，高的溢流坝一般作成曲线型。实用堰的水力计算公式边墩闸墩边墩闸墩b’ddb’b’边墩实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔实用堰的水力计算公式采用n为孔数；b’为一孔净宽侧收缩系数淹没系数一、曲线型实用堰的剖面形状上游直线段：上游直线段：AB堰顶曲线段：BC下游直线段：CD，坡度m=ctanα下游河底连接段：DEEEHdP1P2ABCDOαm上游直线AB段：垂直，或倾斜,取决于溢流坝体的强度和稳定要求反弧段：使直线CD与下游河底平滑连接，防止水流冲刷河床反弧段：一般情况下，非基岩上、高度不大的坝式中，溢流坝剖面设计水头；为最大上下游水位差堰顶曲线BC对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形状的关键。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。但实际中不可能完全吻合。原因：水位波动，水舌不稳定〔紊动影响〕。堰面不出现真空的堰称为非真空剖面堰。曲线型实用堰切入到薄壁堰水舌下缘内部，那么实用堰面不产生负压，但过流能力有所降低。曲线型实用堰和薄壁堰水舌下缘之间形成空间，那么堰的过流能力提高，但堰面产生负压。堰面出现真空的堰称为真空剖面堰。因此，实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水舌下缘曲线稍加修改而成。薄壁堰水舌下缘曲线特性HHdP1v0uxuyuxyθB假定经过B点，水流质点的流速为用上式还不能计算曲线型实用堰顶曲线，其原因在于：①θ,k，n为未知变量；②水流行进堰顶时，临近堰顶水舌内压强不等于大气压，使堰顶水流运动与质点自由抛射运动理论有出入。工程上，常通过试验研究，或适当修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下缘曲线，得出堰顶曲线的坐标值。1.克里格—奥菲采洛夫剖面〔克－奥剖面〕我国以前常用，该剖面略嫌肥大，曲线坐标用用表给出，坐标点少，施工不便控制。其剖面设计方法可参考有关书籍。2.Ogee剖面美国内务部垦务局在系统研究根底上推荐的剖面。该剖面参数均与行进流速水头、设计全水头有关，并考虑坝高对堰顶剖面曲线影响，适应不同坝高的堰剖面设计。Ogee剖面的设计方法可参考有关书籍。3.WES剖面美国陆军工程兵团水道试验站研究的。近年来多采用。该剖面用曲线方程表示，便于控制，堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较理想，负压不大，对平安有利。WES剖面设计方法yWES剖面设计方法yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd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=1.85；为不包括行近流速水头的设计水头。堰顶O点上游曲线采用三段复合圆弧相接，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。堰剖面曲线的坐标值取决于设计水头问题：堰顶水头在(Hmin～Hmax)范围变化，如何选定设计水头Hd＝？，使H=(Hmin～Hmax)时，堰面流量系数较大，又不产生过大负压。两种极端情况：〔1〕Hd=Hmax可保证堰面不出现负压，但H<Hd时，堰面压强为正；流量系数减小；堰剖面偏肥，不经济。〔2〕如果Hd=Hmin，可得到较经济剖面。但H>Hd，堰面产生较大负压，严重时危及坝平安。工程中经常采用：Hd=(0.75～0.95)Hmax，当H>Hd时，为真空剖面堰；当H<Hd时，堰剖面堰稍偏肥大，为非真空剖面堰。WES剖面主要适用高溢流堰原因：设计中并未考虑行近流速的影响，但有研究报告认为，WES剖面可直接移用作低堰剖面。二、WES剖面型实用堰的流量系数m对于不同堰型，流量系数不同。水力设计时，可参考有关文献。对于重要工程需要通过模型试验确定。m=m(P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度)堰上游面垂直WES堰上游面垂直WES剖面P1/Hd≥1.33〔高堰〕m=f(H0/Hd)不计行近流速水头设计流量系数md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m＜mdH0/Hd＞1，m＞mdPP1/HdPP1/Hd低堰范围高堰P1/Hd＜1.33称低堰，行近流速加大，设计流量系数如图三、侧收缩系数用于考虑边墩及闸墩对过水能力影响。溢流坝都有边墩，多孔溢流坝还有闸墩。边墩和闸墩将使水流发生平面收缩，增大了局部水头损失，降低过流能力。侧收缩系数ε与闸墩、边墩平面形状，溢流孔数，堰上水头，溢流宽度等因素有关。按以下经验公式计算ε=1－0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’式中：n——溢流孔B——每孔宽度Ka——边墩系数KP——闸墩系数边墩系数Ka与边墩平面形状、行进流速有关，其值越大，ε越小，过流能力降低。圆弧形边墩，当行进水流正向进入溢流堰时，Ka＝0.1〔与混凝土非溢流坝段邻接的高溢流堰〕，Ka＝0.2〔与土坝邻接的高溢流堰〕；当行进水流非正向进入溢流堰时，Ka适当加大。闸墩系数Kp与闸墩头部形状，H0/Hd，闸墩头部与堰上游面的相对位置等因素有关。闸墩头部与堰上游面平齐的高溢流堰参考右图0.133Hd0.133Hd0.267Hd2型闸墩0.292Hd0.267Hd0.033Hd0.292Hd1型闸墩0.267Hd0.267Hd3型闸墩0.292Hd0.267Hd0.292Hd4型闸墩四、淹没系数及下游护坦高程对过流能量影响试验研究说明,堰下游可为自由出流：过流能力不受下游水位影响淹没出流：过水能力降低原因：当下游水位高过堰顶至某一范围时,堰顶下游水位高于堰顶，堰下游为淹没水跃，过堰水流受下游水位顶托。00自由出流v自由出流v0H0P10v0H0hsP2ht淹没出流淹没出流对过流能力的影响用淹没系数σs表示，其与hs/H0、P2/H0有关。hs/H0〔hs从堰顶算起的下游水深〕hs越大，下游水位的顶托作用越大，过流能力影响越大P2/H0〔P2下游堰高〕当下游护坦较高，P2/H0较小时，即使下游水位低于堰顶，过堰水流也会受下游护坦影响，产生类似的淹没效果，降低过流能力。自由出流自由出流流出硫v0H0P1hs/H≤0.15及P2/H0≥200v0H0hsP2ht淹没出流P2/H0＜2或hs/H0＞0.150.9000.9000.9000.6000.4000.9950.9900.9901.000淹没出流区自由出流区五、曲线型低堰的水力设计水利工程中，河岸式溢洪道或开敞式进水闸，由于地形、地质多方面因素影响，常将底坎作成高度较小的宽顶堰或实用堰。高度较小的曲线型实用堰常能得到比宽顶堰大的流量系数。这种堰仍按流量根本公式进行水力计算，但其水力特性及流量系数均与高堰有一定区别。高堰：当P1/Hd≥1.33，可略去行进流速低堰：当P1/Hd＜1.33，行进流速水头已不能忽略PP1/Hd低堰范围上游堰高选择设计流量下，流量系数与上游堰高试验曲线如下图。当P1/Hd＜1.33，md均随P1/Hd减小而减小，P1/Hd＜0.3左右时，曲线坡度较大，md迅速减小。因此，P1/Hd＞0.3为宜，以免md减少过小。下游堰高选择自由出流区自由出流区淹没出流区hs/H≤0.15P2/H0≥2P2/H0＜2或hs/H0＞0.15当P2/H0≤0.7范围内，σs迅速减少。因此，当P2/H0＞0.7为宜。例：某土坝中段设置溢洪道，底坎采用曲线型实用堰，试确定堰顶高程和堰底剖面形状。：Q＝1400m3/s，上游水位高程165.0m，下游水位高程110.0m，筑坝处河床高程100.0m，并且堰上游面垂直，下游直线段坡度，m=0.7，α＝55°，边墩头部为圆弧形,闸墩头部采用3型，顶部与堰上游面齐平，闸孔数n=5,每孔净宽b’=12m。确定堰顶高程＝上游水位－堰顶水头Hd由堰流根本公式采用WES曲线假定P1/Hd>1.33，md=0.502行进流速可忽略，Hd=Hd0σs=1为自由出流ε=1-0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’KP=0(查表)Ka=0.2b’＝12n＝5ε=1-0.2［0.2＋(5-1)×0］Hd/5×12=1-0.0066Hd验证堰顶高程＝165.0－4.9=160.1m上游堰高＝160.1-100＝60.1mP1/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<160.1下游为自由出流σs=1剖面设计yR1yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.950.276Hd0.175HdO0.292HdO点下游的曲线方程y/Hd=0.5(x/Hd)1.95＝0.5(x/4.9)1.95C点坐标EEHdP1P2ABCDO，`αm反弧半径o点坐标确定E点坐标确定D点坐标确定第四节宽顶堰流的水力计算当2.5＜δ/H＜10时，进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动，称宽顶堰流。HH00P1P2v0δ11v1图有坎的宽顶堰流有坎宽顶堰流：底坎引起水流在垂直方向收缩无坎宽顶堰流：由于侧向收缩，进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水流进入涵洞或隧洞进口流，施工围堰束窄的河床，经过桥墩之间的水流。HvHv0图隧洞或者涵洞进口无坎宽顶堰流图桥墩之间的无坎宽顶堰流Hv0图桥墩之间的无坎宽顶堰流宽顶堰出流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。宽顶堰流水力计算的根本公式为一、流量系数m流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P1/H。1.堰顶入口为直角的宽顶堰当2.堰顶入口为圆弧的宽顶堰当二、侧收缩系数影响侧收缩的主要因素有闸墩和边墩头部形状，闸墩数目，闸墩在堰上相对位置以及堰上水头等。适用条件：b/B>0.2和P1/H<3b/B<0.2，取b/B＝0.2P1/H>3，取P1/H＝3式中，b——溢流堰孔净宽B——溢流堰上游引渠的宽度——考虑墩头及堰顶入口形状的系数，当矩形闸墩或边墩取0.