堰流及闸孔出流课件.ppt

1,堰流及闸孔出流简介,韩智明,2,一、定义：,8.1堰流的定义及分类,堰-既能挡水又能过水的建筑物。,堰流-水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢流下泄，溢流水股的上表面不受外界任何约束，而为一连续自由降落水面。这种过流称之为堰顶溢流。,3,根据堰墙厚度与堰上水头的比值不同，可将堰流分成三类：,薄壁堰堰墙很薄实用剖面堰堰墙稍厚宽顶堰,二、分类：,4,越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线的接触，水面呈单一的降落曲线,1、薄壁堰：,5,由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，但这种影响还不大，越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落，这类堰的剖面可呈折线型或曲线型。,2、实用堰：,6,堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显，堰顶的水流在进口处形成水流跌落。此后，由于堰顶的顶托作用，有一段水流与堰顶几乎平行，当下游水位较低时，出堰水流又产生第二次水面跌落。,3、宽顶堰：,7,三、堰流的共同规律,作用力:重力起主要作用，溢流的自由水面有明显降落。能量损失:能量损失以局部水头损失为主。,流态:堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急剧弯曲，属于急变流动。流态的过渡从缓流向急流过渡。因此各种堰流在其堰顶都要出现临界水深。,8,四、堰流的基本公式,这就是堰流的普遍公式。三种堰的物理本质并无差异，其间的差别仅体现在流量系数，淹没系数和侧收缩系数的确定方法及数值上。,其中：,m为流量系数,考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响后：,淹没系数，1，不淹没时为1,侧收缩系数，1，无侧收缩时为1,9,薄壁堰堰壁厚度不影响水舌形状，水头相对不大，且上游行近渠道一般建造的比较规则，为简便计，在公式,8.2薄壁堰流的水力计算,1：矩形薄壁堰,中，用水头代替，而把,的影响并入流量系数考虑，于是有：,10,是包括行近流速影响在内的流量系数,也称为流量系数，可用下列经验公式计算：,适用条件：,11,矩形薄壁堰流测量流量应注意,矩形薄壁堰上游渠宽与堰宽相等，下游水位低于堰顶；堰上水头大于2.5cm，避免水舌受到表面张力影响；水舌下面空间必须通气，避免真空影响精度。,12,堰口横断面形状为三角形，一般采用三角形堰，也可采用式：,2：三角形薄壁堰,由实验可得,又,代入上式可得：,实际中常用：,13,8.3实用堰的水力计算,实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发展而不断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为折线型实用堰。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶常做成适合水流特点的曲线形，称为曲线型实用堰。,14,一、曲线型实用堰的剖面组成及其设计,15,上游AB直线段可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取决于坝体的稳定要求。堰顶BC曲线段是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。下游斜坡CD段是连接堰顶曲线BC段与下游反弧段DE的公切线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取1:0.651:0.75。反弧段DE是连接直线段CD与河床的圆弧，主要为使其连接光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半径应结合消能形式统一考虑。,16,二、实用堰剖面的种类,克里格奥菲采洛夫剖面我国多采用，剖面肥大，施工难度大。渥奇剖面美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝高对剖面影响WES剖面流行采用,17,水流进入宽顶堰后，出现两次跌落的水力现象，一般发生在堰坎处，但流经桥墩，渡槽，涵洞的建筑物时也具有这种水流现象，又为无坎宽顶堰，按宽顶堰计算；公式依旧采用基本公式。,8.4宽顶堰的水力计算,18,直角进口,圆弧进口,一、流量系数m,m与宽顶堰的进口形式，水头H，堰高P有关，可以由经验公式或表查取；理论最大值m=0.385。,19,二、侧收缩系数,式中：a为墩形系数，矩形边缘a=0.19；圆形边缘a=0.10。,堰宽小于渠道宽度的宽顶堰流将发生倾向收缩，使主流的实际宽度bc小于堰宽b，水流阻力也因此增大，泄流能力变小。,用来反映侧收缩影响。,与堰宽与渠宽的比值b/B、边墩的进口形状及进口断面变化h/H有关，经验公式为：,20,三、淹没条件及淹没系数,第八章堰流及闸孔出流,据实验，宽顶堰的淹没条件为：,淹没系数的大小取决于淹没程度，与hs/H0成反比，可查表8.2得到。,堰顶水头H0及进口形式一定时，下游水位升高，宽顶堰形成淹没出流后，下游水位略高于堰顶水位，过水能力降低。,21,第八章堰流及闸孔出流,四、无坎宽顶堰流的水力计算简介,无坎宽顶堰流形式在工程上有很多，如经过小桥孔径、平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。均可利用无坎宽顶堰原理对过流能力进行计算。,无坎宽顶是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面上的束窄产生侧向收缩，引起水面跌落而形成的。,无坎宽顶堰的计算公式与普通宽顶堰相同，但计算中不单独考虑侧向收缩的影响，而包含在流量系数中一并考虑,即令m=m*1,。m可查表8.3得到。,22,8.5闸孔出流的水力计算,闸孔-带有闸门来控制水流的泄水建筑物。,闸孔出流-建筑物顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部和闸门下缘之间下泄。,2、堰、闸的区分（堰闸出流的转换）,堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化为堰流。,1、基本概念,23,24,e/H0.75为堰流。,平顶宽顶堰,e/H0.65闸孔出流,e/H0.65,堰流,曲线型宽顶堰,e/H0.75闸孔出流，,3、堰、闸的共同点和区别,（1）堰流和闸孔出流都是建筑物壅高水位，在重力作用形成的水流运动，从能量观点，堰闸出流的出流过程都是一种势能转化为动能的过程。,共同点：,25,（2）堰和闸都是属于控制建筑物，都属于急变流，其能量损失以局部水头损失为主。,堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截断，闸孔上、下游水面是不连续的。,区别：,堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。,26,4、闸孔出流的型式,常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰,常见闸门型式：平板闸门，弧形闸门,27,5、闸孔出流水力计算的主要任务,在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的泄流量。,根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。,按照出流形式可分,实际工程中，为几种型式的组合,28,6、底坎为宽顶堰型的闸孔出流,淹没问题:,29,当,运驱式在c-c下游自由出流,临界式在c-c断面自由出流,淹没式在c-c上游淹没出流,30,A、底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算,宽顶堰型闸孔自由出流的流量系数,垂直收缩系数,流速系数,31,a）对于平板闸门的闸孔,儒可夫斯基应用理论分析法，求得无侧收缩系数条件下，垂直收缩系数随相对开度增大而加大，表8.7。,流量系数按照南京水利科学研究院经验公式。,32,b）对于弧形闸门的闸孔,主要与闸门下缘切线与水平方向夹角的大小有关，表8.8。,流量系数经验公式。,33,B、底坎为宽顶堰型闸孔淹没出流的水力计算,淹没系数与潜流比有关，查图8.34,34,7、底坎为曲线型实用堰型的闸孔出流,A、对于平板闸门,流量系数可用经验公式,35,B、对于弧形闸门,现系统研究不足，初步计算可查表8.9得到。,36,欢迎提问！,37,例题：如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当闸门开度e=1m时，其泄流量Q=24.3m3/s，闸孔宽b=4m，试求：