（水利水电工程专业论文）宽顶堰上闸孔淹没出流的特性研究.pdf

郑州大学硕士学位论文摘要 摘要 宽顶堰上的闸孔出流和闸后有跌坎的闸孔出流是实际工程中普遍存在的水力 现象。正确分析其淹没出流特征、淹没出流条件，正确确定其淹没系数，不仅具有 重要的实际意义，同时也具有理论学术价值。 本论文首先对宽项堰上闸孔淹没出流现象进行了理论分析，认为其淹没出流的 判别和淹没系数的确定，不能用水平底上闸孔淹没出流的对应方法进行。并提出了 引入淹没条件修正系数口后，当h t 口m 时，宽顶堰上闸孔出流为淹没出流的判 别标准。 接着，对郑埠口节制闸闸孔淹没出流问题的模型试验资料进行了分析，给出了 随开启闸门孔数n 变化的淹没条件修正系数口，可供水力计算和运行管理使用。 本论文认为，引入淹没条件修正系数口后，可用修正的潜流比鲁三詈等代替 潜流比!h蔓二-篓h，再根据南京水利科学研究院提出的淹没系数与潜流比的关系曲线c 确定宽顶堰上闸孔淹没出流的淹没系数盯。对于水平底上的闸孔出流情况，相当于 有坎宽顶堰上闸孔出流情况的特例，此时取淹没条件修正系数口= 1 。 最后，本论文进行了一系列试验研究，得到了各种底坎情况下的淹没条件修正 系数口。结果表明：淹没条件修正系数口的大小，随闸后底坎长度z 的增大而增大5 随闸后底坎末端坡面的坡角口的增大而减小；随闸后底坎的厚度的增大而减小。 关键词：闸孔水流淹没系数淹没出流淹没条件 郑州大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h e p r o j e c t s ，o u t f l o w s u n d e ras l u i c eo nb r o a dc r e s tw e i ra n dw i t ha b a c k w a r d f a c i n gs t e pa r et w ok i n d so fu s u a lh y d r a u l i cp h e n o m e n o ni t , w h i c hc o r r e c t l y a n a l y s e st h ef e a t u r e sa n dt h ec o n d i t i o n so fs u b m e r g i n go u t f l o wh a sn o to n l yv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eb u th i g h e ra c a d e m i cv a l u e f i r s t ，i ta n a l y s e st h ep h e n o m e n o no fo u t f l o ws u b m e r g e du n d e ras l u i c eo nb r o a d c r e s tw e i ra n df i n d st h a tt h em e t h o d so fd i s t i n g u i s h i n go fs u b m e r g e do u t f l o wa n d c a l c u l a t i o no fs u b m e r g e dc o e f f i c i e n tf o ro u t f l o w ss u b m e r g e du n d e ras l u i c eo nf l a t b o t t o mw e i rc a nn o t 矗tf o rb r o a dc r e s tw e i r i tg i v e sad i s t i n g u i s h i n gs t a n d a r dw h e t h e r t h eo u t f l o wu n d e ras l u i c eo nb r o a dc r e s tw e i ri ss u b m e r g e dw h e nam o d i f i e dc o e f f i c i e n t o f s u b m e r g e dc o n d i t i o n 口i sa d o p t e da n dh t 口h ： t h e n , i ta n a l y s e st h em o d e le x p e r i m e n t a ld a t ao f s u b m e r g e do u t f l o wu n d e ras l u i c e o f z h e n g p u k o uc o n t r o ls l u i c ea n dg i v et h em o d i f i e dc o e f f i c i e n to fs u b m e r g e dc o n d i t i o n 口w h i c hv a r i e sw i t ht h en u m b e ro f u n l o c k i n gs l u i c e sn i t i sb e l i e v e dt h a tw h e nm o d i f i e dc o e f f i c i e n to fs u b m e r g e dc o n d i t i o n 口i s i n 们a u c e d ，龇m o d ；丘e d s u 陆e 删c u r r e n t 劬鲁三詈筹啪姊- e m e s u b m e r g e ac mr a t i 。等等，舭玛a c c o r a 吨t om es u 警dc 础m e ma n a s u b m e r g e dc u r r e n tr a t i oc u r v e ，c a l c u l a t e st h es u b m e r g e dc o e f f i c i e n tu n d e rs l u i c eo n b r o a dc r e s t w e i rc r 5 w h e n t h e w e i r i s o n t h e f l a t b o t t o m ，口= 1 a tl a s t , as e r i e so fe x p e r i m e n ta r ed o n ea n dm o d i f i e dc o e f f i c i e n to fs u b m e r g e d c o n d i t i o nf o ra l lk i n d so f b a s er i d g e sa r eg i v e n a n d i ti sp o i n t e dt h a tt h ev a l u eo f 口 i n c r e a s e sw i t ht h el e n g t ho fb a c k w a r d f a c i n gs t e pi n c r e a s i n g ，d e c r e a s e sw i t ht h es l o p e a n g l eo fe n do fb a c k w a r d f a c i n gs t e pd e c r e a s i n ga n dd e c r e a s e sw i t ht h eh e i g h to f b a c k - w a r d f a c i n gs t e p k e y w o r d s ：o u t f l o wu n d e rg a t e s ，s u b m e r g e do u t f l o w , c o e f f i c i e n to fs u b m e r g e n c e ， s u b m e r g e d c o n d i t i o n 郑州大学硕士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 论题提出的背景及研究意义 在水利工程中，为了泄水或引水，常修建溢流堰和水闸等泄流建筑物。阻挡水 流、壅高水位、并使水流经其顶部下泄的泄水建筑物称为溢流堰。溢流堰主要用于 控制水库或河渠水位、宣泄洪水或引水。水闸也具有阻挡水流、壅高水位的作用， 但它使水流从闸门底缘和闸底板( 或闸底坎) 之间的孔口流出，更具有灵活调节流 量的特点，因此，在许多溢洪道进口、引水渠渠首、输水洞或泄洪洞进口或末端常 设置闸门以控制流量。在通常情况下，溢流堰项也设置闸门，以便控制高水位和灵 活调节流量。图1 1 所示为几种常见的堰、闸过流情况。 a c b d 图1 - 1 但当堰顶设有闸门时，过堰水流可能出现两种不同情况：当闸门开度g 较大时， 闸门下缘离开水面，对水流不起控制作用，水流从堰顶自然下泄，属于为堰流，如 图1 1 b 所示；当堰顶闸门开度e 较小时，水流受到闸门的控制，闸前水位壅高，水 流由闸门底缘和堰顶之间的闸孔流出，属于闸孔出流，如图1 1 a 、c 、d 所示。其中， 图1 1 a 所示为堰高较高的实用堰上的闸孔出流：图1 1 c 所示为宽顶堰上的闸孔出 流；图1 1 d 所示为平底上的闸孔出流。前者多为自由出流，后二者可能为自由出流， 也可能为淹没出流。 郑州大学硕士学位论文第1 章绪论 对于闸孔淹没出流情况，水力计算涉及两个方面问题：一是闸孔淹没出流判别 标准问题，二足淹没系数盯。的确定问题。对于平底上的闸孔发生淹没出流情况，目 前已经具有很成熟的、与实际情况相吻合的淹没出流判别标准及淹没系数仃。的确定 方法。对于宽顶堰上的闸孔发生淹没出流情况，目前还没有比较成熟完善的、与实 际情况相吻合的淹没出流判别标准以及淹没系数盯。的确定方法。对于具体工程，初 步设计时，一般是近似按平底上的闸孔淹没出流情况对待，对于重要工程，要通过 模型试验来实测具体水闸的过流规律，据此再确定出淹没系数盯。或包含淹没系数 盯。在内的综合流量系数。这方面的资料尽管很多，有国外的，也有国内的，有 的还非常有价值，但是，由于没有统一认识，有些概念还有些模糊不清，例如关于 宽顶堰上的闸孔或闸后带跌坎的淹没出流的判别问题，一直是含糊不清的。因此， 各自的结果只能用于个例，不具有通用性。这对于设计者来说，显然很不方便。而 宽顶堰上的闸孔淹没出流情况在实际工程中又非常普遍。因此，立题研究宽顶堰上 的闸孔淹没出流的判别标准以及淹没系数c r s 的确定方法问题是十分必要的，其结果 将具有实际应用价值，同时也具有推动闸孔出流水力计算理论发展的学术意义。 1 2 闸孔出流问题的研究现状 作者在论文选题期间，就闸孔出流问题查阅了大量资料和文献，现综述如下： 1 2 1 关于闸孔出流的计算公式研究 文献 1 以相同水头情况下的堰流流量0 鼍为基础，附加一个闸孔相对开度e 日 后，得到直接计算闸孔出流流量的计算公式： 0 孔= q 堰o 6 5 ( e h ) 或 q 孔= 0 堰o 7 5 ( e h ) 但文献 1 没有讨论闸孔淹没出流情况。 文献 2 经过数学分析后，将孔流与堰流，淹没出流与自由出流作了统一的 解析模型，可以统一计算，但是计算过程更加复杂了。而且对闸孔淹没出流的判别 没有特别说明。 文献 3 应用边界层理论，得到了用边界层位移厚度五表示的平底或宽顶堰 上闸孔出流的计算公式。但淹没判别和淹没系数的确定仍按常规方法确定。 文献 4 2 忽略了水头损失，经推导得到了流量系数的计算公式，然后进行 了编程计算，并没有基本理论方面的新意。 1 2 2 关于闸孔出流流量的影响因素和流量系数的研究 文献 5 2 考虑了闸前进流方向对过闸流量的影响，通过试验得到了实际过流 一2 一 郑州大学硕士学位论文第1 章绪论 量与正向进流流量q 0 的拟合公式： q 自= 毛q o + 及 瓯= c - 坑- h q o - 一c o 当鲁( 鲁“) “双鲁- 1 ) 时，为自由出流； 当i h , 弋i h t + 1 ) 4 矿2 ( 芸一1 ) 时，为淹没出流。 文献 6 通过试验研究，得到了高坝顶闸孔出流流量系数的变化规律，流量 系数不仅与e h 有关，还与h h ，有关，并提出了设计流量系数，的概念。 文献 7 试验研究了闸门设置在高堰项不同位置对流量系数的影响。 文献 8 针对东深供水原水生物处理工程生物池出水闸过流量进行了模型试 验，归纳出了自由出流和淹没出流的流量系数计算公式： 自由出流时，= 0 3 2 9 2 e 2 0 5 3 6 4 e + 0 7 0 3 2 淹没出流时，m = 吼= 1 0921(h06 3 1 4 归r 捌7 茎墓嘉黧h 0 8 e 仨5 ；君。 。 i 完全淹没( 。 1 ) 但流量系数和综合流量系数m 均与日无关，似乎不合常理。 文献 9 讨论了闸前水流条件分别为无压进水、有压长洞进水、有压短洞进 水对闸孔过流流量系数的影响。 文献 1 0 讨论了闸后暗涵对过闸水流的影响和计算。 文献 1 1 结合模型试验，给出了综合流量系数( m = t o 。) 的确定方法，但 是没有提及淹没出流判别标准以及淹没系数o s 的确定方法。 文献 1 2 通过试验，分别研究了平板闸门、弧形闸f - j ：f f 别与实用堰、宽顶堰 组合成四种情况下的闸孔出流流量系数。得到了通用于四种情况下的闸孔出流流量 系数计算公式： = 6 3 - 0 0 0 7 0 8 ) 一( 0 4 3 2 - 0 0 0 4 8 口) 针 p s 圳s 例”一 0 1 7 8 - 0 - 0 8 6 5 ( 鲁a ) “h 但这个结果仅适应于自由出流情况。 一3 一 郑州大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 关于闸孔淹没出流条件和淹没系数吒的研究 大部分教科书中介绍e 2 0 对于水平底上的闸孔出流，其淹没判别标准为： 当 燃时， 为自由出流； 当h 。 m 时， 为淹没出流。 h ：按下式计算： 蜘等( 根据南京水利科学研究院的试验研究结果e 2 0 淹没系数吒与潜流比j 篑有 关，可由下图查得。当h t m 时，q 取1 ，否则，o s 大于1 。 淹没系数与潜流比关系曲线 对于有坎宽顶堰上的闸孔出流，只要收缩断面位于堰坎之上，而没有落在堰坎 之下游，上述关于水平底上的闸孔出流的淹没判别标准及淹没系数仉的确定方法仍 然适用，只是下游水深九应取为下游超过堰顶以上的水深c 2 0 3 。 文献 1 3 针对水平底上的闸孔出流，通过数学推导，将h t 为淹没出流 的判别条件转化成了：j , a 百z - - ) 。时，闸孔出流为淹没出流。其中日为闸孔上 游作用水头，z 为闸孔上下游水位差，临界值( 警) 。仅与吾有关。仅适合于水 平底上的闸孔出流。 文献 1 4 与文献 1 3 类似，也是针对水平底上的闸孔出流，通过数学推导， 郑州大学硕士学位论文 第1 章绪论 将 磁为淹没出流的判别条件转化成了：当寿( 亡+ 1 ) + h c 日0 时，闸孔出 流为淹没出流。 文献 1 5 通过优化拟合的方法，将目前确定淹没系数的曲线图转换成了函数 表达式，便于计算应用。但是仅适合于水平底上的闸孔出流。 关于宽顶堰上的闸孔出流，或者闸后带有跌坎的闸孔出流的出流特性、淹没判 别标准以及淹没系数以的确定方法等方面的资料没有见到更多。 1 2 4 关于闸孔出流其他方面的问题研究 文献 1 6 、 1 7 和 1 8 分析讨论了大孔口( e h o 6 5 ) 闸孔出流，在上 下游水位差较小时，其出流表现为淹没出流情况。文献 1 6 、 1 7 还给出了大孔 口( e h o 6 5 ) 闸孔出流的淹没界限，以及淹没系数的确定方法。但是这些也仅 适用于水平底上的闸孔出流。 综上所述，关于闸孔出流方面的研究虽然很多，但是，其中只体现出水平底上 的闸孔自由出流、淹没出流和宽顶堰上的闸孔自由出流的理论与水力计算比较成 熟，能够满足工程实际的设计需要。而关于宽顶堰上的闸孔淹没出流的理论与水力 计算研究较少。文献 1 9 和 2 0 以及许多教材均指出可以近似按水平底上的闸 孔出流处理。实际上，闸底坎位于闸下游的形式和尺寸将直接影响闸孔淹没出流条 件，文献 2 1 已经指出了这一点。因此，分析了解目前的研究现状后，作者认为， 目前关于宽顶堰上的闸孔淹没出流的研究还远远不够完善，有必要继续开展研究。 1 3 本论文的主要研究内容 对宽顶堰上闸孔淹没出流的形成条件和淹没系数进行研究是本文的中心工作。 通过研究，充分认识宽项堰上闸孔淹没出流的过流特征，力求获得宽顶堰上闸孔淹 没出流的判别标准，以及确定淹没系数的具体方法。具体内容可以通过以下方法和 步骤实现： 1 学习和掌握当前有关闸孔出流的理论知识，充分认识闸孔出流的特性，特 别是宽顶堰上的闸孔淹没出流的特性； 2 分析了解目前工程中关于宽项堰上的闸孔淹没出流的处理方法； 3 通过理论研究，分析宽顶堰上的闸孔淹没出流的形成条件，提出相应的淹 没判别标准； 4 通过试验研究分析，一方面验证理论分析提出的淹没判别标准的正确性， 一5 一 郑州大学硕士学位论文 第1 章绪论 另一方面系统测量出闸后各种跌坎情况的闸孔淹没出流的淹没系数； 5 最后通过分析整理试验资料，归纳出闸孔淹没系数的变化规律及确定方法。 1 4 本论文的主要研究方法 理论分析与科学试验是研究水力学问题的两种最基本的方法，这两种方法互相 补充，相辅相成。本论文的研究方法正是采用理论分析与试验研究相结合的方法， 先进性理论分析，后进行试验研究。 本论文在分析整理试验资料时，主要是用e x c e l 处理试验数据的： 1 ) 完成相关计算，实现数据的自动处理。 工程水力学研究离不开试验，对试验结果的分析要涉及试验数据的记录与处 理。数据处理的速度与准确性对试验结论的给出无疑会产生直接的影响。目前，能 够完成数据处理的软件很多，e x c e l 9 7 、m a t l a b 5 3 、m a t h e m a t i c a 3 0 以上版本都是具 备较强数值计算功能的应用软件。实践表明，e x c e l 以其功能完备、使用简单的优 势在各种试验数据的处理过程中获得广泛应用。 e x c e l 提供的函数有3 0 0 余种，覆盖了大多数基本函数。e x c e l 还提供了公式功 能，这一功能几乎允许我们将电子表格中出现的数据作任意的四则运算，以及有函 数参与的复杂的混合运算。函数与公式功能令e x c e l 在进行数据运算时显得得心应 手。e x c e l 的“自动重算功能”则可以根据数据源的变化，随时“刷新”设定的公式所给 出的值。在获得数据及录入数据之前，将数据处理的方式先行设定，e x c e l 会让我们 观察到后续数据顺次对结果产生的影响。 2 ) 生成图表，改变数据的抽象外观。 把试验产生的数据输入e x c e l 工作表，就完成了试验数据的记录。然而，表格 化的原始数据让人难以看清数据间的内在联系。在试验结果分析中，要体现大量试 验数据的相关信息，从中总结出普遍规律，通常要用图形显示法。利用图形为试验 数据从视觉上做出摘要，显示抽象数据内蕴的趋势信。g 。e x c e l 内嵌的图表功能让 这种摘要的完成变得非常简单。图例中可以采用e x c e l 提供的缺省设置，也可以将 组成e x c e l 图表的任何元素，从颜色、粗细、大小等各种显示性质在该元素单一选 定后重新设定。因此，e x c e l 能最大限度地满足试验者对试验数据处理结果在视觉 上的要求。 与此同时，试验数据里的临界变化可以从图表中看出，临界状态值也可以用 - 6 - 郑州大学硕+ 学位论文第1 章绪论 l n a x 、r a i n 、f o r e c a s t 等函数加以确定。因此，根据生成的图表，很容易发现数据内 在的变化规律。 生成图表具备另一种意义：选择两组数据，插入的图表就能显示出这两组数据 的曲线关系。因此，运用图表功能，借助e x c e l 可以绘出各种函数表达式的图像， 甚至由多个基本函数组成的更为复杂的数学表达式的图像。 3 ) 拟合曲线，显示淹没系数的变化规律及影响因素。 图表为我们提供了数据的大致关系。但图表的表示往往不如用函数表示那样明 确和定量化，数据间的函数关系可以用e x c e l 进行拟合。在实际操作过程中，用的 是在图表中添加趋势线拟合曲线，这在数据问的关系较为简单时显得非常有效。将 e x c e l 生成的图表整体选中，单击“图表”菜单中的“添加趋势线”命令项，在出现的 对话框中单击“选项”标签，并在该标签中的“显示公式”复选框、“显示r 平方值”复 选框中打钩。这样在“确定”之后，我们就会在图表上得到e x c e l 拟合的同数据生成 的曲线最接近的趋势线，同时在旁边标出趋势线的函数表达式及形成图表的两组数 据间的相关系数。从拟合曲线与数据生成曲线的对比可以判断并剔除误差较大的数 据。因为这个数据对r 平方影响很大，删除了它，r 平方的值和图表会随之产生较 大变化。e x c e l 会根据删除后的数据瞬间自动“刷新”图表与r 平方的值。 e x c e l 应用程序能对输入的大量数据进行快速计算和自动处理，利用e x c e l 程序 制作出的电子表格还可重复应用，这大大减轻了繁琐的手算处理试验数据带来的负 担。 4 ) 最后给出宽顶堰上的闸孔淹没出流的淹没系数盯。确定方法。 在试验中，我们主要针对宽顶堰上的闸孔淹没出流进行试验研究，闸门用的是 平板闸门。 7 - 郑州大学硕士学位论文第2 章宽顶堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 第2 章宽顶堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 2 1 当前关于闸孔淹没出流问题的理论研究简介啪3 实际工程中的闸门型式主要有平板闸门和弧形闸门两种。闸底坎一般为宽顶堰 ( 包括无坎宽顶堰及平底闸底板) 或曲线型实用堰。闸孔出流是一种特殊的孔口出 流现象，其出流规律与前面所讲的孔口出流类似。但是，水流通过闸孔的收缩属于 部分收缩现象，其出流形态和影响因素具有它自身的特征。 2 1 1 闸孔出流的水力特征 1 ) 水平底板上的闸孔出流的水力特征 图1 - 1 所示为水平底上由平板闸门( 图2 - l a ) 和弧形闸门( 图2 - l b ) 控制的闸 孔出流。上游水头为日，闸门开度为e ，下游水深为 。当h 、e 和h 。不随时间 变化时，闸孔出流为恒定出流。 - 8 - 郑州大学硕士学位论文第2 章 宽顶堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 e | h0 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 5 0 4 0 毛 0 6 1 50 6 1 80 6 2 00 6 2 20 6 2 50 6 2 80 6 3 0 e | h 0 4 50 5 00 5 50 6 00 6 50 7 00 7 5 占2 0 6 3 80 6 4 50 6 5 00 6 6 00 6 7 50 6 9 0 0 7 0 5 口 35。40。45。5 0 。5 5 。6 0 。 屯 0 7 8 90 7 6 60 7 4 20 7 2 00 6 9 80 6 7 8 口 6 5 。 7 0 。 7 5 8 0 。 8 5 49 0 。 乞 0 6 6 20 6 4 60 6 3 50 6 2 70 6 2 20 6 2 0 表2 - 2 中的口值可按下式计算 c o s 口：c _ - - e ( 2 - 2 ) r 其中：r 为弧形闸门的半径；c 为弧形闸门转轴至底板的高度，简称门轴高度。r 和c 如图2 1 b 所示。 收缩断面水深h c 一般都小于临界水深h 。故收缩断面处的水流呈急流状态。 而闸孔下游的河渠多为缓坡，下游水深九。大于临界水深h 。，水流呈缓流状态。因 此，根据明渠水力学理论，闸孔后水流从急流向缓流过渡，一定会发生水跃。水跃 的位置随下游水深h 。的变化而上下移动。 当下游水深轧较小时，水跃则发生在收缩断面下游( 如图2 2 a 所示，称为远驱 水跃) ，或正好发生在收缩断面处( 如图2 2 b 所示，称为临界水跃) ，收缩断面保持 急流状态。这时的下游水深h + 的大小不影响闸孔的过流能力，称为闸孔自由出流。 ( a ) h 。聪 ( b ) h 。= 艇 图2 - 2 当下游水深h 。较大时，水跃则发生在收缩断面上游( 如图2 2 c 所示，称为淹 没水跃) ，收缩断面被水跃旋滚所淹没，闸孔过流能力降低，而且随着下游水深k 的 增大继续降低。这说明在此种情况下，下游水深札的大小影响了闸孔出流，称为闸 郑州大学硕+ 学位论文第2 章宽项堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 孔淹没出流。也即，闸孔出流是否为淹没出流，取决于闸后是否出现淹没水跃。 对于有坎宽顶堰上的闸孔出流，只要闸门孔口断面位于宽顶堰进口后一定距离 处，且收缩断面仍位于堰顶之上，如图2 3 所示，则上述分析结果以及关于闸孔出 流的垂直收缩系数岛的确定方法完全适用。 图2 - 3 2 ) 曲线型实用堰上的闸孔出流特征 曲线型实用堰上的闸门一般安装在堰顶之上，如图2 - 4 所示。当闸孔泄流时， 由于闸前水流是在整个堰前水深范围内向闸孔汇集，因此，出孔水流的收缩比平底 上的闸孔出流更充分、更完善。但是，出闸后的水舌在重力作用下，紧贴堰面下泄， 厚度逐渐变薄，不像平底上的闸孔出流那样出现明显的收缩断面。一 ta )( b ) 图2 - 4 曲线型实用堰上的闸孔出流也分为自由出流( 见图2 - - 4 a ) 和淹没出流( 见图2 - 4 b ) 两种。但在实际工程中淹没出流情况十分少见，只有一些低堰上的闸孔出流才可能 为淹没出流。淹没出流时，下游水位必须超过堰顶一定高度，否则，仍为自由出流。 2 1 2 闸孔出流的基本计算公式 以平底板上的闸孔出流为例，应用能量方程和连续性方程推导闸孔出流的基本 计算公式。 如图2 一l 所示，取闸门上游的渐变流过水断面为1 1 断面，以闸底板平面为基 一1 0 一 郑州大学硕士学位论文第2 章宽顶堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 准回，列l l 断圆捌i 甲j 后收貊断咖c - - c1 日j 阴苜邑量万程 肌警2 92 k + 筹+ k 。 2 d 因为两断面之间距离较短，且为急变流，可以只考虑局部水头损失，故 九。= f 鼍，f 为局部水头损失系数。 令日+ 妥笪：h 。，称为闸前全水头。则上式可整理成 z a ”南厕 其中：( h o h 。) 称为闸孔的作用水头。令妒= 了与，称为流速系数。 口。+ 则p 。= 矿压界两 所以闸孔出流的流量为 q = a o v 。= b h 。，。= b s 2 e p 。 即 q = 鲈2 b e 2 9 ( h o - 6 2 e ) ( 2 3 ) 在流速系数伊和垂直收缩系数龟可以确定的情况下，给定上游水头h 和闸孔开 度e ，利用上式即可求得闸孔的出流量0 。 为了更便于应用，式( 2 3 ) 还可以化为更简单的形式 。_ 卜龟苦b e 2 x 瓯o 。 令= ，称为闸孔出流的流量系数。则得 q = 9 b e 2 9 h o ( 2 - 4 ) 式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 即为闸孔自由出流的基本计算公式。式( 2 - 4 ) 形式简单， 更方便应用。 如果闸孔出流为淹没出流，则闸孔的作用水头由( h 。一k ) 减小为( 日。一h ) ，h 为收缩断面被淹没后的实际水深，如图2 - 2 c 所示，h 九。淹没出流的流量小于自 由出流的流量。但由于h 位于漩滚区不易确定，实际计算中，是对自由出流的计算 公式( 2 4 ) 右端乘以一个小于l 的修正系数c r t ，得出淹没出流的流量计算公式如 下 0 = o i 6 e 2 9 凹o ( 2 - 5 ) 郑州大学硕士学位论文第2 章宽顶堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 其中：仉称为闸孔出流的淹没系数，它反映了下游水深对过闸水流的淹没影响程度； u 仍为闸孔自由出流的流量系数。 对于有边墩或还有闸墩的闸孔出流，因为侧向收缩相对于垂直收缩程度来说， 影响很小，一般情况下不必考虑。 由式( 2 - 4 ) 或式( 2 - 5 ) 可知，闸孔出流的流量与上游水头的二分之一次方成 比例，即0a c h 0 1 2 。 对于如图2 3 所示的有坎宽顶堰上的闸孔出流情况，公式( 2 4 ) 和公式( 2 5 ) 也可适用。 当闸前水头h 较大或上游闸底坎高度只较大，而开度e 较小时，行近流速水头 妥堕可以忽略不计，即可取日o * 日代入公式进行计算。 上9 2 1 3 闸孔出流的流量系数 由上述推导过程可知，平底上的闸孔出流流量系数的表达式为 p = p 2 ( 2 6 ) 对于曲线型实用堰上的闸孔出流，如果取闸孔断面代替c c 断面，类似上述推 导可得其流量系数的表达式游、一一 胪矿j 卜嗜 协， 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 中的流速系数妒反映了过闸水流的局部水头损失和收缩 断面或闸孔断面的流速分布不均匀性的影响。舻值取决于闸孔入口的边界条件，如 闸底坎的型式和闸门的型式等。垂直收缩系数岛反映了水流经过闸孔时流线的垂向 收缩程度，它取决于闸孔入口的边界条件和闸孔的相对开度昙。为闸孔断面的 平均测压管水头与闸孔开度的比值，它也取决于闸孔入孔边界条件和闸孔相对开 度。 综上所述，闸孔自由出流的流量系数值取决于闸底坎型式、闸门型式以及闸 孔相对开度吾的大小等。 1 ) 宽顶堰上闸孔出流的流量系数 对于水平板闸门的闸孔出流，流量系数可按下面经验公式计算 - 1 2 - 郑州大学硕士学位论文第2 章宽项堰上闸孔淹没出流问题的理论研究 p ：0 6 0 0 1 7 6e ( 2 8 ) 日 对于弧形闸门的闸孔出流，流量系数可按下面的经验公式计算 = ( 0 9 7 - 0 8 1 1 - 嘉- 0 ) 一( 0 5 6 - 0 8 1 1 - - 斋0 ) h ( 2 9 ) 上式的适用范围是：2 5 。 口9 0 。，o 吾 o 6 5 。口值按式( 2 - 2 ) 确定。 2 ) 曲线型实用堰上闸孔出流的流量系数 对于弧形闸门的闸孔出流，流量系数t 按下面的经验公式计算 = o 6 8 5 一o 1 9 e 日( 2 - 1 0 ) 上式的适用范围为o 1 m 时，水跃变为淹没水跃，闸孔出流变为淹 没出流，其淹没出流判别标准及淹没系数以的确定方法与平底上的闸孔出流相同。 但当收缩断面位于堰坎之上，而m 所在断面位于堰坎下游时，如图2 7 b 所示， 由于水流在垂直方向急速扩散，水跃变为空间水跃，临界水跃跃后断面在堰项水平 面以上的水深h 。与下游堰高b 之和将大于联，但九。将小于 ：1 。在这种情况下， 当下游水深h 。 h 。，而不是h 。 h ：时，闸孔出流为淹没出流。若令h ”= 口h ! ，则 此种闸孔出流的淹没出流判别标准应为 当h 。s 岱h ：时，为自由出流，0 8 = 1 ； 当h t 口h ! 时，为淹没出流，0 s m 时，为淹没出流，吒 口w 时，为淹没出流，以 口k 时，为淹没出流，吼 1 。 其中：口为小于1 的淹没条件修正系数，其大小取决于下游堰坎高度只、下游 堰面坡度c - , 姆e 以及收缩断面距堰坎出1 2 1 的距离等因素。 4 引入淹没条件修正系数口后，可用修正的潜流比；三暑等代替潜流比 ； 兹，再根据南京水利科学研究院提出的淹没系数与潜流比的关系曲线确定其 淹没系数d 。 5 针对具体工程实际郑埠1 2 1 节制闸闸孔淹没出流问题，本论文通过对其 模型试验资料分析后，给出了随开启闸门孔数n 变化的淹没条件修正系数口，可供 水力计算和运行管理使用。 6 通过对选取的两种底坎厚度，各有1 1 种闸后坎长，及不同的下游坡面的组 合情况，分别进行了试验研究和分析，归纳出了对应底坎情况的淹没条件修正系数 郑州大学硕士学位论文第5 章结语 7 淹没条件修正系数口的大小，随闸后底坎长度z 的增大而增大；随闸后底坎 末端坡面的坡角日的增大而减小；随闸后底坎的厚度增大而减小。 8 水平底上的闸孑l 出流情况相当于有坎宽顶堰上闸孔出流情况的特例，此时 取淹没条件修正系数g t = 1 。 9 本论文主要存在以下不足： ( 1 ) 在试验研究中，只考虑了闸后跌坎对淹没情况的影响。实际上，对于多 孔闸孔出流问题，淹没条件修正系数口的值还与侧向扩散有关，及与开启孔数及闸 墩相对厚度有关。 ( 2 ) 在试验研究中，尽管已经做了5 0 多组次的底坎情况试验，但这还远远不 能覆盖实际工程中遇到的情况。 ( 3 ) 由于试验过程中的外界干扰影响因素较多、较复杂，本论文只是进行了 初步探讨，试验结果还不尽人意。 以上不足，还有待于今后进行进一步深入和系统的研究。 - 5 9 - 郑州大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 1 尚昆，赵子春，高庆荣等岸堤水库溢洪闸堰流一孔流流量的试验分析 j 大坝与安全， 2 0 0 3 ，( 3 ) ：3 8 - 4 4 2 程培胜宽顶堰平板闸的水力学解析模型与参数率定 j 水文，2 0 0 0 ，2 0 ( 4 ) ：2 8 - 3 2 3 张志昌，李国栋，李建中用边界层理论计算平底闸孔出流的流量 j 西安理工大学学报， 1 9 9 8 ，1 4 ( 3 ) ：2 9 9 - 3 0 4 4 周安增，李丽，黄红闸孔出流设计中微机程序应用研究 j 水利科技与经济，1 9 9 5 ，l ( 3 ) ：1 3 5 1 3 6 5 吴门武，陈立，周家俞大和水闸过闸流量分析 j 武汉大学学报，2 0 0 3 。3 6 ( 5 ) ：5 1 5 4 6 李日渺，李荩花高坝平板闸门闸孔恒定自由出流流量系数研究 j 武汉水利电力大学学 报，1 9 9 6 ，2 9 ( 6 ) ：1 6 2 0 7 李荩花，李日渺，詹才华高坝闸门不同位置闸孔恒定自由出流流量系数 j 武汉水利电力 大学学报，1 9 9 6 ，2 9 ( 6 ) ：4 9 - 5 2 8 邱静，黄本胜，赖冠文宽顶堰平板门闸孔出流流量系数的研究与应用 j 中国农村水利水 电，2 0 0 2 ，2 2 ( 9 ) ：4 1 4 2 9 吴宇峰，余波，施浩然等宽项堰上平板闸门水力计算的探讨 j 中国农村水利水电，2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 2 ) ：6 5 6 6 1 0 杨志，陈广宏，张志昌等宁夏汉延渠斗口闸孔出流的水力计算 j 陕践水力发电，2 0 0 1 。 1 7 ( 1 ) ：4 7 - 5 1 1 1 胡肖峰，谷汉斌，周华兴平板门闸孔淹没出流流量系数推求 j 水科学与工程技术，2 0 0 6 ， ( 4 ) ：2 0 2 2 1 2 吕志刚，贾翠兰闸孔出流流量系数的计算 j 水道港口，1 9 9 4 ( 3 ) ：4 0 - 4