第八章堰闸出流(zhu-2013)概要.ppt

水力学 第八章堰流及闸孔出流 主讲 朱德兰 主要内容 堰流与闸孔出流的判别 堰流的分类 堰流的基本公式 薄壁堰流的水力计算 实用堰流的水力计算 宽顶堰流的水力计算 堰流水力计算实例 闸孔出流的基本公式 底坎为宽顶堰型的闸孔出流 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 闸孔出流水力计算实例 既能挡水 又能过水的水工建筑物 称为堰 堰流 闸孔出流 堰流不受闸门控制水面为一条光滑的曲线 而闸孔出流受闸门的控制水面在闸门处不连续 都是上游壅水 水流在重力作用下运动 将势能转化为动能的过程 都是急变流 能量损失主要是局部水头损失 8 1概述 堰 闸水流的判别 堰流 闸孔出流 闸底坎形式 堰流的分类 堰的外形及厚度不同 其能量损失及过水能力也会不同 堰宽b 按 H分类 H 0 67薄壁堰流 0 67 H 2 5实用堰流 2 5 H 10宽顶堰流 曲线形 折线形 有坎 无坎 按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响 自由堰流 淹没堰流 按有无侧向收缩 无侧收缩堰流b B 有侧收缩堰流b B 堰流水力计算的基本公式 0 0断面可视为渐变流过水断面 而1 1断面除了宽顶堰流之外 均为急变流 其上的并不为常数 故采用平均值表示 由此可列能量方程式为 第一个过水断面应取在堰前水面无明显下降的0 0断面 该断面堰顶以上的水深H称为堰上水头 其断面平均流速v0称为行近流速 第二个过水断面取在基准面与水舌中线的交点所在的1 1过水断面 列能量方程 流速系数 流量系数 反映局部水头损失的影响 包括 堰顶水头 上游堰高P1 堰顶进口边缘形状等 反映堰顶水流垂直收缩的程度 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 自由出流 无侧收缩的各种堰流计算公式 影响堰流流量系数的主要因素 如果下游水位较高 影响到下游水流条件时 则在相同水头H时 其过流量Q将小于由上式计算值 这时称为淹没出流 应在自由出流公式右端乘以一个小于1的淹没系数 s 当堰顶存在边墩或闸墩时 即堰顶宽度小于上游河渠宽度时 过堰水流在平面上受到横向约束 流线将出现横向收缩 使水流的有效宽度小于实际的堰顶净宽 局部水头损失hj增大 过堰流量将有所减小 对此也是在自由出流公式右端乘以一个小于1的侧收缩系数 1 堰流的基本公式 应用能量方程式可推得 水力计算类型 计算过堰流量Q 计算堰上水头H 设计堰宽b 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的关系 常作为水力模型或野外测量中一种有效的量水工具 当矩形薄壁堰无侧收缩 自由出流时 水流最为稳定 测量精度也较高 堰上水头不宜过小 应大于2 5m 水舌下面的空间通气良好 三角形薄壁堰适用于小流量的量测 雷白克 T Rehbock 式中 P1为上游堰高 H为堰上水头 均以米计算 8 2 1矩形薄壁堰流的水力计算 当所需测流量较小 例如Q 0 1m3 s 时 若用矩形薄壁堰 则水头过小 误差大 一般可改用三角形薄壁堰 堰口夹角可取30 60 90 120 不同值 但常用直角 8 2 2直角三角形薄壁堰流 堰上游引渠宽度 三角形薄壁堰流的流量公式 8 3实用堰流的水力计算 剖面形状设计 克里格 奥菲采洛夫剖面 WES剖面 渥奇剖面 8 3 1曲线型实用堰的剖面形状 上游直线AB段 可设计成垂直或倾斜 下游直线CD段坡度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 避免水流冲刷河床 反弧段 一般情况下 非基岩上 高度不大的坝 式中 Hd溢流坝剖面设计水头 zmax为最大上下游水位差 堰顶O点上游曲线 WES剖面设计方法 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 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 m m P1 Hd H0 Hd 堰上游面坡度 表8 3列出了WES剖面实用堰的流量系数 表8 4为上游堰面坡度影响系数c值 考虑上游坡面影响的流量公式为 1 流量系数 2 侧收缩系数确定 式中 n溢流孔b 每孔闸孔的净宽度Ka边墩形状影响系数 由图8 12确定 KP闸墩形状影响系数 查表8 5确定 3 淹没系数 淹没系数由图8 14查取 淹没出流区 自由出流区 P2 H0 2或hs H0 0 15 3 淹没系数 某混凝土重力坝的溢洪道 底坎为曲线型实用堰 堰上设置7孔闸门 每孔净宽b为14m 已知 设计流量Q为5253m3 s 上游水位高程为272 0m 相应的下游水位高程为210 0m 筑坝处河床高程为190 0m 堰上游面垂直 下游直线段坡度为m cot 0 753 即 53 边墩头部及闸墩头部为圆弧形 闸墩顶部与堰上游面齐平 试确定 1 堰顶高程及堰的剖面形状 2 当上游水位高程273 5m及270m时 设计的该堰剖面通过的流量各为多少 例题 1 确定堰顶高程 解题步骤 解 因为上游水位高程减去堰顶水头即为堰顶高程 所以实际上就是要求计算设计水头Hd 在设计条件下 根据实用堰流公式有 采用WES剖面 并假定P1 Hd 1 33 则md 0 502 行近流速水头可以略去 即H0d Hd 式中 b 14m 孔数n 7 边墩形状系数Ka 0 7 半圆闸墩在hs Hd 0 75时 KP 0 45 代入上式得 解题步骤 则 设堰为自由出流 s 1 0 侧收缩系数按经验公式计算 应用试算法由上式求得Hd 8 7m 堰顶高程为272m 8 7m 263 3m 上游堰高为263 3m 190m 73 3m 因为P1 Hd 73 3m 8 7m 8 43 1 33 故为高堰 md 0 502 行近流速水头可以略去 解题步骤 又因为下游水位低于堰顶 即hs 0 所以该堰为自由出流 s 1 解题步骤 3 当上游水位高程273 5m及270m时 计算该设计的堰剖面通过的流量 1 上游水位273 5m时 查表8 3 用内插法得 侧收缩系数 解题步骤 2 上游水位270 0m时 此时 查表8 3 用内插法得 又因为下游水位低于堰顶 即hs 0 所以该堰为自由出流 s 1 2 堰剖面设计 确定堰顶上游圆弧段及下游OC段曲线段的形状 长度 C点的坐标 反弧半径r以及O D E点的坐标 解题步骤 解题步骤 堰顶O点上游三圆弧的半径及其水平坐标值为 O点下游的曲线方程为 即 按上式算得的坐标值如下表 根据表中数据可绘出堰顶下游曲线OC 见后图 解题步骤 解题步骤 解题步骤 下游直线段CD坡度m 0 753与曲线OC相切于C点 C点坐标可由以下方法求得 对堰面曲线求一阶导数 直线CD的坡度为 解题步骤 故有 解得xc 13 313myc 9 557m 根据经验公式确定坝下游反弧半径r值 上下游水位差 取r 25m 反弧曲线的上端与直线CD相切于D点 下游与河床点相切于E点 D点 E点及反弧曲线圆心O 点的坐标 可由几何分析方法确定 1 反弧曲线圆心O 解题步骤 解题步骤 本题下游堰高P2 73 3m 代入已知条件解得 xo 73 776myo 48 3m 2 E点坐标 解题步骤 3 D点坐标 3 当上游水位高程273 5m及270m时 计算该设计的堰剖面通过的流量 1 上游水位273 5m时 查表8 3 用内插法得 侧收缩系数 解题步骤 2 上游水位270 0m时 此时 查表8 3 用内插法得 8 4宽顶堰流的水力计算 2 5 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 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 8 4 1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 堰顶入口为直角的宽顶堰 堰顶入口为圆弧的宽顶堰 P1 0 m 0 385 无坎宽顶堰 式中 b溢流堰孔净宽B溢流堰上游引渠的宽度 0 考虑墩头及堰顶入口形状的系数矩形闸墩或边墩 0 0 19 堰顶入口边缘直角 圆弧闸墩或边墩 0 0 10 堰顶入口边缘为直角或圆弧 多孔宽顶堰侧收缩系数可取中孔和边孔的加权平均值由公式8 18计算 适用条件 b B 0 2和P1 H3 取P1 H 3 8 4 2侧收缩系数 单孔宽顶堰 多孔宽顶堰 应采取边孔和中孔的加权平均值 式中 中孔闸墩收缩系数 b b B b 2d 边墩收缩系数 b b B b 2 淹没条件为 hs 0 8H0 淹没系数按表8 10确定 8 4 3宽顶堰的淹没条件及淹没系数 例题1 如图所示直角进口堰 堰顶厚度 5m 堰宽与上游矩形渠道宽度相同 b 1 28m 求过堰流量 解 1 判别堰型 所以该堰为宽顶堰 2 确定系数 3 计算流量 Q 1 68m3 s 底坎形式 平底板曲线型实用堰闸门形式 平板闸门弧形闸门 8 5闸孔出流的水力计算 水力计算任务 1 已知闸前水头 计算不同闸孔开度的泄量 2 已知流量 求所需闸孔宽度不同闸门类型不同底坎型式计算主要是确定系数 平底闸孔出流条件 曲线型实用堰闸孔出流条件 8 5 1概述 8 5 2闸孔出流的水力特征 设收缩水深hc的跃后水深为 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 自由出流 淹没出流 1 e H 0 0 1 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 闸后水流紧贴堰面下泄 无明显收缩断面 多为自由出流 底坎为宽顶堰或平底平板闸门垂直收缩系数 收缩断面水深hc小于闸孔开度e 可令 为平板闸门的垂直收缩系数 底坎为宽顶堰或平底弧形闸门的垂直收缩系数 值可按下式计算 对堰前断面0 0和收缩断面c c列能量方程 8 5 3闸孔出流水力计算 闸孔自由出流计算公式 称为流量系数 影响流量系数的主要因素 反映局部水头损失的影响取决于闸底缘形式 闸门形式等 无坎宽顶堰型闸孔 有底坎的宽顶堰型闸孔 垂直收缩系数水流经闸孔时的流线收缩程度取决于闸门形式 闸孔入口的边界条件 相对开度 注意 与堰流不同 闸孔出流中闸墩 边墩侧收缩影响相对闸门产生的垂直收缩可忽略 水头较高时 可忽略行进流速水头 8 5 3闸孔出流水力计算基本公式 取决于闸底坎的形式 闸门的类型和闸孔的相对开度e H值 8 5 4底坎为平底板型的闸孔出流 流量系数 平板闸门 弧形闸门 淹没系数 查图8 27 淹没出流时 潜流比 淹没系数 闸孔出流的淹没系数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 南京水利科学研究所的研究 淹没系数 s与潜流比 H 有关 图8 27 61 8 5 5底坎为曲线型实用堰的闸孔出流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下泄 不存在明显的收缩断面 为自由出流 a b 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 流量系数 平板闸门 弧形闸门 为平板闸门下缘角度 例题 矩形渠道中修建一水闸 采用平板闸门 闸底板与渠底齐平 闸孔宽等于3m 已知行近流速v0 0 8m s 闸前水深H 5m 闸门开启高度e 1 0m 下游水深ht 3 5m 求过闸流量 解 1 判别是堰闸出流 故为闸孔出流 2 确定流量系数 3 设下游为自由出流 计算过闸流量 4 判别出流是否淹没 则收缩断面水深 hc的共轭水深 因ht 3 5m 故 闸孔为淹没出流 由潜流比 查图8 30得 所以通过闸孔的流量为 例1 某水库溢流坝 采用曲线型堰 堰顶厚度为5m 共5孔 每孔净宽为7m 坝顶设弧形闸门 试