堰流及闸孔出流.doc

第八章 堰流及闸孔出流堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，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。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。堰流和闸孔出流的共同点：A都是在重力作用下形成的水流运动，都是势能转化为动能的过程；B流线急剧弯曲，离心惯性力对压强分布及过水能力有一定影响，都是急变流，局部水头损失占主导地位。堰流和闸孔出流的转化：闸底坎为平顶堰时：时为闸孔出流；时为堰流。 闸底坎为曲线型堰时：时为闸孔出流；时为堰流。 式中，e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。 8-1 堰流的类型及计算公式一、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。堰前断面距上游壁面的距离：1薄壁堰流：，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。此时堰顶常为锐缘形。2实用堰流：，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。常用曲线形或折线形。3宽顶堰流：，堰坎厚度对水流的顶托非常明显，进口处水面形成跌落，堰顶有一段水面与堰顶几乎平行，在出口处形成第二次水面跌落。但仍以局部水头损失为主。 当时，沿程水头损失不能忽略，水流不属于堰流，而是明渠水流。二、堰流的基本公式用能量方程求解。列堰前断面与堰顶断面的能量方程： ，令为堰上全水头。则：， 即：堰顶宽度为b，水舌厚度为（k为堰顶水流垂向收缩系数），则：式中为流速系数；m为流量系数。流量系数：，还与堰的边界条件有关。自由出流/淹没出流； 有侧收缩堰/无侧收缩堰。则： 8-2 薄壁堰流的水力计算一般用作量水工具。一、矩形薄壁堰流矩形薄壁堰无侧收缩自由堰流时，水流稳定，测量精度最高。要满足：A堰宽与上游渠宽相同；B下游水位低于堰顶（保证自由出流）；C堰上水头不能太小，一般H2.5cm（以免除表面张力的影响）；D水舌下面与大气相通（避免形成真空）。流量公式为：，为包含行近流速影响在内的流量系数，单位全部用米，为上游堰高。适用条件为：，。二、直角三角形薄壁堰流用于流量较小时。流量公式：，流量以计，其余以米计。适用范围：。粗略计算时取：。8-3 实用堰流的水力计算分为折线型实用堰与曲线型实用堰。有闸墩时，b为闸孔净宽。流量公式：一、曲线型实用堰的剖面形状由四段组成：上游直线段AB：常是垂直的，有时也是倾斜的。其坡度由坝体的稳定和强度要求选定。下游直线段CD：其坡度也是由坝体的稳定和强度要求选定。反弧段DE：使直线段CD与下游河底平滑连接，避免水流直冲河床；并有利于下游的消能。 反弧半径：H较大;H较小堰顶曲线段BC：对水流特性的影响最大，是设计曲线型实用堰剖面的关键。 曲线BC与薄壁堰自由出流的水舌下缘吻合，水舌不受堰面形状影响，堰面压强为大气压； 曲线BC突出于水舌下缘，堰面将顶托水流，水舌不能保持原有形状，堰面压强大于大气压，过水能力降低； 曲线BC低于水舌下缘，脱离处空气被水流带走，堰面形成负压区，过水能力增大。 矩形薄壁堰自由出流时的水舌下缘形状：（以水舌最高点为原点），得：， 其中：；。由于液体质点在堰面附近除有重力作用外，还有惯性力作用，因而水舌形状与理论值有差异。因此：实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线适当修改。过去我国采用较多的是克奥剖面，但该剖面嫌肥大，且剖面的数据点较少，不便施工。现在大多采用WES堰，曲线用方程表示，便于控制，剖面较瘦节省工程量，且压强分布合理。WES堰的堰顶下游：， 为设计水头。堰顶上游由三段复合圆弧组成。设计水头：，其原则是有较大的流量系数，又没有过大的负压。二、曲线型实用堰的流量系数， 当时，m=0.502。查图8-12，求流量系数。三、侧收缩系数， 为边墩形状系数；为闸墩形状系数四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水能力的影响淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，查图8-16。式中为从堰顶算起的下游水深；为下游堰高。 8-4 宽顶堰流的水力计算宽顶堰流（垂向收缩）/无坎宽顶堰流（侧向收缩）。流量公式：一、流量系数流量系数m取决于堰顶进口形式和堰的相对高度。直角进口：；适用于：。当3时，m=0.32。圆角进口：；适用于：。当3时，m=0.36。宽顶堰流量系数的最大值。二、侧收缩系数对单孔宽顶堰（有边墩，无闸墩）：；b为闸孔净宽；B为上游渠道宽度；为墩头形状系数（矩形时取0.19，圆形时取0.10）。适用于：；若取；若取。对于多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）：取边孔及中孔的加权平均值：， n为孔数，为中孔侧收缩系数（）；为边孔侧收缩系数（），d为闸墩厚度，为边墩计算厚度。三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数下游水位较低时，自由出流，水流进入堰顶后，产生水面跌落，在进口后约2H处形成收缩断面，并在出口后产生第二次跌落，在堰顶上的水流为急流状态。当下游水位与KK线齐平时，产生波状水跃，收缩断面保持急流状态。在下游水位上升至高于KK线时，宽顶堰形成淹没出流。且下游水面要高于堰顶水深。淹没条件：淹没系数： 查表8-2。四、无坎宽顶堰流将侧收缩系数包含在流量系数内一起考虑，流量公式：流量系数m据进口翼墙的形式及平面收缩程度，查表8-3、8-4及8-5。多孔时，取边孔及中孔的加权平均值。淹没系数与有坎宽顶堰一样。8-5 闸孔出流的水力计算闸底坎分为宽顶堰（包含无坎宽顶堰）及曲线型实用堰；闸门型式分为平板闸门及弧形闸门。一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流H为闸前水头，e为闸孔开度。出闸后流线继续收缩，在闸门下游(0.51)e处形成收缩断面。收缩断面的水深小于临界水深，水流呈急流状态。在下游发生水跃。自由出流：（下游超过堰顶的水深）（收缩断面水深的跃后水深），水跃发生在收缩断面处或收缩断面的下游，下游水深不影响闸孔出流。淹没出流：，水跃发生在收缩断面上游，过闸流量随下游水深的增大而减小。1底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算列闸前断面与收缩断面的能量方程：， 即：为闸前全水头。则：，其中为流速系数。则：， 令：， 其中， 均为闸孔自由出流的流量系数。流量系数的影响因素有：闸底坎的形式、闸门的类型和闸门的相对开度。与闸空入口的边界条件有关，对平底堰：，（对有坎堰：；与闸门形式及e/H的关系可由表8-7及表8-8得。由于闸孔出流时，边墩及闸墩对流量的影响很小，因此不单独考虑其影响。（1） 平板闸门：（2） 弧形闸门：，为闸门下缘切线与水平线的夹角，R为闸门的半径，c为闸门转轴距堰顶的距离。适用于：.注意:同样的e/H时, 弧形闸门的流量系数大于平板闸门, 因为弧形闸门更接近于流线形状.2. 底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算流量公式: