第八章 堰闸出流(zhu,2013)

1、前进 主要内容主要内容 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 结束 闸孔出流水力计算实例 既能挡水，又能过水的水工建筑物，称为既能挡水，又能过水的水工建筑物，称为堰堰。 堰堰 流流 闸孔出流闸孔出流 堰流不受闸门控制堰流不受闸门控制 水面为一条光滑的水面为一条光滑的 曲线，而闸孔出流曲线，而闸孔出流 受闸门的控制水面受闸门的控制水面 在闸门处不连续。在闸门处不连续。 v都是上游壅水，水都是上游壅水，水 流在重力作用下运动，流在重力

2、作用下运动， 将势能转化为动能的将势能转化为动能的 过程；过程； v都是急变流，能量都是急变流，能量 损失主要是局部水头损失主要是局部水头 损失。损失。 闸孔出流闸孔出流 e H 0 0 b H 0 0 v0 堰流堰流 8.1 概述概述 堰、闸水流的判别堰、闸水流的判别 H e H e 堰堰 流流 闸孔出流闸孔出流0.75 e H 0.75 e H 0.65 e H 0.65 e H 返回 闸底坎形式 堰流的分类堰流的分类 堰的堰的外形及厚度外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同不同，其能量损失及过水能力也会不同 堰高P1 堰高P2 堰顶厚度 堰顶厚度 堰顶厚度 堰宽b 堰顶水头H H

3、H 按按/H分类分类 /H0.67 薄壁堰流薄壁堰流 0.67/H2.5 实用堰流实用堰流 2.5/H Hd时，为真空剖面堰时，为真空剖面堰 当当 H 1.33，则，则md = 0.502， 行近流速水头可以略去，即行近流速水头可以略去，即H0dHd 。 式中式中: :b =14 m，孔数孔数 n = 7；边墩形状系数边墩形状系数 Ka= 0.7； 半圆闸墩在半圆闸墩在hs/Hd1.33 , ,故为故为 高堰，高堰，md= 0.502; 行近流行近流 速水头可以略去。速水头可以略去。 1 0.735 O 190 x y C 解题步骤解题步骤 又因为下游水位低于堰顶，即又因为下游水位低于堰顶，即

4、 hs 0，所以该堰为自，所以该堰为自 由出流由出流s= 1。 解题步骤解题步骤 1721 m78 m3263m5273 0 . . . H H d 3. 当上游水位高程当上游水位高程273.5 m 及及270 m 时，计算时，计算 该设计的堰剖面通过的流量该设计的堰剖面通过的流量 （1）上游水位上游水位273.5 m 时，时， 查表查表8-38-3，用内插法得，用内插法得 0.510m 侧收缩系数侧收缩系数 1 10.006910.0069 10.20.9296H 解题步骤 1 10.00696.70.954 77. 0 m7 . 8 m3 .263m270 d 0 H H 3 23 0.5

5、1 0.9296 7 14 m 2(10.2 m)6700.7 m sQg （2）上游水位上游水位270.0 m 时，时， 0.482m 此时此时 3 23 0.482 0.954 7 14 m 2(6.7 m)3460m sQg 查表查表8-38-3，用内插法得，用内插法得 又因为下游水位低于堰顶，即又因为下游水位低于堰顶，即 hs 0.2 和和 P1/H 3 b/B 3，取，取P1/H 3 8.4.2 8.4.2 侧收缩系数侧收缩系数 单孔宽顶堰单孔宽顶堰: 多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平均值多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平均值 n n )( 1 式中，式中， = 中孔闸墩收缩系

6、数，中孔闸墩收缩系数， b = b ， B = b +2d = 边墩收缩系数，边墩收缩系数， b = b ， B = b +2 d b b b 边墩边墩 边墩边墩 闸墩闸墩 闸墩闸墩 B 0 4 1 3 bb 11 BBP 0 2 H ()() . 淹没条件为：淹没条件为： hs 0.8H0， ，淹没系数按表 淹没系数按表8-10确定。确定。 0 H 0 P1 P2 v0 2H 1 1 K K hS 波状水跃波状水跃 hc 8.4.3 8.4.3 宽顶堰的淹没条件及淹没系数宽顶堰的淹没条件及淹没系数 P2 H 0 0 P1 v0 2H 1 1 K K hS 波状水跃波状水跃 hc 例题1：如图

7、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。 P1=0.5m H=0.85m ht=1.12m 解：（1）判别堰型 5 5.88 0.85H 所以该堰为宽顶堰 （2）确定系数 1 0.5 0.593 0.85 P H 1 1 3 0.320.010.3466 0.460.75 P H m P H 1 1Bb 2 0 0.730.81 sst s hhhP HHH （3）计算流量 33 22 22 22 0 20.3466 1.2819.60.85 22 (1.35 1.28) QQ QmbgH gAg 前进 2 0 2 0 2 Q HH gA Q=

8、1.68m3/s 底坎形式：平底板底坎形式：平底板 曲线型实用堰曲线型实用堰 闸门形式闸门形式: 平板闸门平板闸门 弧形闸门弧形闸门 8.5 8.5 闸孔出流的水力计算闸孔出流的水力计算 水力计算任务水力计算任务 （1）已知闸前水头，计算不同闸）已知闸前水头，计算不同闸 孔开度的泄量孔开度的泄量 （2）已知流量，求所需闸孔宽度）已知流量，求所需闸孔宽度 不同闸门类型不同闸门类型 不同底坎型式不同底坎型式 计算主要是确定系数计算主要是确定系数 平底闸孔出流条件平底闸孔出流条件 0.75 e H 0.65 e H 曲线型实用堰闸曲线型实用堰闸 孔出流条件孔出流条件 8.5.1 8.5.1 概述概述

9、 8.5.2 闸孔出流的水力特征闸孔出流的水力特征 设收缩水深设收缩水深hc的跃后水深为的跃后水深为 。 若若 ，则水跃发生在收缩断面处或收缩断面下游。下游水，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。深的大小不影响闸孔出流，称做闸孔自由出流。 若若 ，则水跃发生在收缩断面上游，水跃旋滚覆盖了收缩，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断面，称为闸孔淹没出流。通过闸孔的流量随下游水深 的增的增 大而减小。大而减小。 c h c h c h t h t h t h 自由出流自由出流 淹没出流淹没

10、出流 1 e H 0 0 b 1 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流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。 e/H 0.100.615 0.150.619 0.200.620 0.250.622 0.300.625 0.340.629 0.400.630 0.450.639 0.500.645 0.550.650 0.600.660 0.650.675 0.700.690 0.750.705 底坎为宽顶堰或平底平板闸门垂直收缩系数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 2 c he 2 为平板闸门的垂直收缩

11、系数 2 35.000.799 40.000.766 45.000.742 50.000.720 55.000.699 60.000.679 65.000.662 70.000.646 75.000.635 90.000.627 95.000.622 90.000.620 底坎为宽顶堰或平底底坎为宽顶堰或平底弧形闸门的垂直收缩系数弧形闸门的垂直收缩系数 cos 3590 ;00.65 ce R e H 值可按下式计算 对堰前断面对堰前断面0-0和收缩断面和收缩断面c-c列能量方程列能量方程 8.5.3 8.5.3 闸孔闸孔出流水力计算出流水力计算 e H 0 0 vc hc ht c c (

12、0.51) e 22 00 0 2 00 0 0 0 2 2 20 0 2 2 0 0 22 let 2 2 1 let: 2 let 12 let1 2 vv () v : v() vv() : () :() c cc cc c cccccc c HHh gg HH g g Hh QAh bh bg Hh he e QebgH H e H QbegH 0 2gHbeQ 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影响流量系数的主要因素 He/, 2 反映局部水头损失的影响反映局部水头损失的影响 取决于闸底缘形式、闸门形式等取决于闸底缘形式、闸门形式等 无坎宽顶堰型闸孔无坎宽顶堰

13、型闸孔 有底坎的宽顶堰型闸孔有底坎的宽顶堰型闸孔 01950. 950850. 2 垂直收缩系数垂直收缩系数 水流经闸孔时的流线收缩程度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闸孔出流水力计算基本公式 0 2 s Qb eg H 过闸流量过闸流量 闸宽闸宽 闸孔全水

14、头闸孔全水头 2 0 0 2 V HH g 流量系数流量系数 淹没系数淹没系数 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。 闸门开启高度闸门开启高度 返回 8.5.4 底坎为平底板型的底坎为平底板型的闸孔出流闸孔出流 i1=0 K K ht c c 流量系数 0.600.176 e H 平板闸门 弧形闸门(0.970.81)(0.560.81) 180180 e H 淹没系数 0 2 s QbegH 查图8-27 e H 0 v0 hc c c v02 2g R C e H 0 v0 hc ht (0.51) e c c v02 2g 0 2gHbeQ s c ct hH hh

15、 淹没出流时，淹没出流时， ,潜流比： ct hh 淹没系数淹没系数 闸孔出流的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，即当下游水深大于收缩断面水深的共轭水深，即 时，闸孔时，闸孔 为淹没出流。为淹没出流。 南京水利科学研究所的研究南京水利科学研究所的研究: 淹没系数淹没系数s与潜流比与潜流比 ( H )有关。有关。 c h c h t h ct hh tc c hh Hh s 图8-27 61 8.5.5底坎为曲线型实用堰的闸孔出流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

16、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底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 H e 0 2QbegH 流量系数 0.650.186(0.250.375)cos ee HH 平板闸门 弧形闸门 9060 30 0 为平板闸门下缘角度 0.6850.19 e H 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 1 0.20.65 5 e H 故为闸孔出流 （2）确定流量系数0.600.

17、1760.56 e H （3）设下游为自由出流，计算过闸流量 3 0 20.56 1 319.6 5.0316.68/QebgHms ht H hc 22 0 0 0.8 55.03 219.6 V HHm g 前进 （4）判别出流是否淹没 0.2 e H 由查表8.7得 2 0.620 则收缩断面水深 2 0.62 10.62 c hem hc的共轭水深 2 3 2 3 8 ( 11) 2 0.628 5.56 ( 11)2.9 29.8 0.62 c c c hq h gh m 因ht=3.5m，故 ，闸孔为淹没出流 ct hh 由潜流比 ，查图8.30得 3.52.9 0.286 52.9 tc c hh Hh 0.72 s 所以通过闸孔的流量为 0 3 2 0.72 0.56 1 319.6 5.03 12.01/ s QebgH ms 返回 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。试求坝顶水头H 为5m，各孔均匀开启，开度为1m时，通过闸孔的流量 （不计行近流速水头，下游为自由出流）。 解：（1）判别堰型 5 1 5H 所以该堰为实用堰 （2）判别堰闸出流