闸孔出流和桥

第八章 堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算,8-1 堰流的分类及水力计算基本公式 8-2 薄壁堰流的水力计算 8-3 实用堰流的水力计算 8-4 宽顶堰流的水力计算 8-5 闸孔出流的水力计算,第八章 堰流及闸孔出流,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。,8-1 堰流的分类及水力计算基本公式,一、堰流的分类,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。,二、堰流水力计算的基本公式,工程上通常按照堰坎厚度与堰上水头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,8-2 薄壁堰流的水力计算,薄壁堰流具有稳定的水头和流量关系，因此常作为水力模型试验或野外测量中一种有效的量水工具。,常用的薄壁堰顶部过水断面常作成矩形或三角形，分别称为：,一、矩形薄壁堰流,薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此，常作为水力模型试验或外测量中一种有效的量水工具。,有些临时性的挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄壁堰流计算。,另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌缘曲线设计。,所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。,常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或三角形，分别称为薄壁堰或三角形薄壁堰。,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H2.5厘米），否则溢流水舌受表面张力作用，使出流很不稳定。,一、矩形薄壁堰流,实验证明：当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上游梁宽与堰宽相同；下游水位低于堰顶。,此外为了保证堰为自由出流，还应满足：,图8-5是实验室中测得的无测收缩，非淹没矩形薄壁堰自由出流的水舌形状。,无测收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量按（8-1）式计算,为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写（8-1）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 H0.025米， 2及P10.3米条件下。,令,则得,（8-3）,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,（8-4）,二 直角三角形薄壁堰流,当所需测量的流量较小（例如Q0.1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（图8-6），其计算公式为,（8-7）,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%）,0.5mB1.2m 0.1mP10.75m 0.07mH0.26m HB/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。,8-3 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。,一、曲线型实用堰的剖面形状,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。,二、WES剖面型实用堰的流量系数m,三、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。,四、曲线型实用堰的淹没系数,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/H02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),8-4 宽顶堰流的水力计算,一、流量系数m,对堰顶入口为直角的宽顶堰,对堰顶进口为圆角的宽顶堰,二、侧收缩系数,（8-17）,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a00.19；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（8-17）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(8-17)式计算时，可取： ；,为边孔净宽； ，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：,（8-18）,式中： n为孔数；,宽顶堰的淹没系数,三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数,宽顶堰的淹没条件（取平均值）为,已知，进闸流量Q为41m3/s，引水角为450，闸下游渠道中水深h1为2.5m，闸前水头H为2m，闸孔数n为3，边墩进口处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为1m，边墩的计算厚度为0.8m，闸底坎进口为圆弧形，坎长为6m，上游坎高P1为7m，下游坎高P2为0.7m，拦河坝前河中流速v0为1.6m/s。求所需的堰孔净宽b。,例8-5 今拟在某拦河坝上游设置一灌溉进水闸如图8-27所示。,解：因为 ，,故闸孔全开时为宽顶堰流，其计算公式为,现分别计算式中各项：,1闸前全水头H0,由于行近流速v0的方向与进水轴线交角为450，故全水头H0可以下列公式计算,根据 ，从表8-10查得,因为 ，故为淹没出流。,当P17m， 时，,2流量系数m,对堰顶入口为圆弧形的宽顶堰，流量系数m=0.36。,3淹没系数,由,4侧收缩系数,对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的宽顶堰，（8-17）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数,边孔侧收缩系数,设 9m，则,因 未知，故计算只能按试算法进行。,由此可求得,每孔净宽 =3m。,则,将各已知值代入堰流计算基本公式的右端，当所得值等于已知流量时，所假定的 即为所求：,故所需的堰孔净宽b=9m，分三孔（n=3）,例8-6 某泄洪排沙闸共四孔，每孔净宽 为14m；闸墩头部为半圆形，墩厚d为5m，闸室上游翼墙为八字形，收缩角为300，翼墙计算厚度为4m；上游河道断面近似矩形，河宽B为79m；闸室下游边一陡坡渠道坡度i为2，闸底高程为100m。试计算闸门全开，上游水位高程为111.0m时的流量。,可分别计算中孔流量系数 及边孔流量系数 ，然后用加权平均法求 ，具体计算如下：,中孔流量系数,解：因闸室下游为陡坡渠道，下游为急流。故闸门全开时通过闸室的水流应为多孔无坎宽顶堰自由出流。,计算公式为,式中，b= =414=56m；,应为包括侧收缩影响的各孔流量系数的加权平均值。,由于堰前过水断面不大，必须计入行近流速的影响。但流量未知，v0无法求出。可采用“逐步近似法”计算。,边孔流量系数,平均流量系数,第一次近似计算：,假定v010，即H01H11m，则,第二次近似计算：,根据已求得的流量，可计算行近流速的的近似值,则,第三次近似计算：,第四次近似计算：,按第三次求得的流量计算得,因为Q4与Q3相当接近。故可认为所求的 Q3690m3/s，v0=4.23m/s。,8-5 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或曲线型实用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。,水力计算的任务：在一定闸前水头下计算不同闸孔开度时的泄流量；或根据已知的泄流量求所需的闸孔宽度b。,计算基本公式：,式中：,s淹没系数（自由出流s1）,闸孔出流流量系数,b 闸孔宽度,e 闸孔开度,H0闸孔全水头,若 ，则水跃发生在收缩断面处或收缩断面下 游。下游水深的大小不影响闸孔出流，称做闸孔自由出流。,若 ，则水跃发生在收缩断面上游，水跃旋滚覆盖了收缩断面，称为闸孔淹没出流。通过闸孔的流量随下游水深 的增大而减小。,(a),(b),(c),闸孔出流受水跃位置的影响可分为自由出流及淹没出流二种。如图,设收缩水深 的跃后水深为,一、底坎为宽顶堰的闸孔出流,1流量系数,（1）对于平板闸门的闸孔流量系数可按南京水利科学研究所的经验公式计算,（2）对于弧形闸门的闸孔流量系数可由下面的经验公式计算,上式的适用范围是：250 900；,当下游水深大于收缩断面水深的共轭水深，即 时，闸孔为淹没出流。,据南京水利科学研究所的研究淹没系数 与潜流比( H )有关，可由图8-27查得。,2淹没系数,解: 因为 故为闸孔出流。,例8-8 矩形渠道中修建一水闸，闸底板与渠底齐平，闸孔宽b等于渠道宽度，b为3m，闸门为平板门。今已知，闸前水深H为5m，闸孔开度e为1m。求下游水深hi为3.5米时通过闸孔的流量。,由表8-7，当e/H0.2时，垂直收缩系数20.619，则收缩水深为先判别闸孔出流的性质：,收缩水深 的共轭水深,由下式计算,收缩断面的流速 为,若不计行近流速的影响；上式中闸孔自由出流的流量系数用（8-22）式计算。,则,收缩断面的共轭水深为,因为,故闸孔为淹没出流，流量应根据（8-24）式计算。,潜流比,从图8-34查得淹没系数 0.72。所以闸孔出流量为,水流流线在闸前整个深度内向闸孔集中，故水流的收缩比平底闸孔充分和完善得多。出闸后水舌在重力作用下紧贴溢流面