第八章 堰流与闸孔出流

1、堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流本章纲要：n第一节第一节 堰流的特点及分类堰流的特点及分类n第二节第二节 堰流的基本公式堰流的基本公式n第三节第三节 薄壁堰薄壁堰n第四节第四节 实用堰实用堰n第五节第五节 宽顶堰宽顶堰n第六节第六节 小桥孔径的水力计算小桥孔径的水力计算n第七节第七节 闸孔出流闸孔出流堰流和闸孔出流是水利工程中常见的的水流现象。本章根据水力学基本原理来分析堰流及闸孔出流的水力特性，导出水力计算的基本方程，并介绍有关的水力计算方法。本章经验系数比较多，要了解堰的流量系数、侧收缩系数、淹没系数、闸孔出流的流量系数、垂直收缩系数和淹没系数等的物理意义，其经验公式不必强记，但应了解它们与哪

2、些因素有关，主要系数变化的大致范围。本章重点本章重点堰流、闸孔出流的水流特点及其分类；堰流的基本公式；闸孔出流的水力计算。 本章学习指导本章学习指导水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔、无压涵洞进口。堰和闸是水利工程中常见的用来引水、泄洪、调节流量或水位的水工建筑物。第一节第一节 堰流的特点及其分类堰流的特点及其分类这种水流现象称为堰流，这种建筑物称为堰。 水流受到从河底（渠底）捡起的建筑物（堰体）的阻挡，或者受两侧墙体的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经堰体下泄，下泄水流的自由表面为连续的曲面。一、堰流的定义一

3、、堰流的定义二、堰流的分类二、堰流的分类1.从堰的几何形状工程上，按工程上，按/ /H H 的大小的大小将堰流分为：将堰流分为：研究表明，流过堰顶研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比厚度与堰顶水头之比 /H 而变而变薄壁堰实用堰宽顶堰HP1v011v1P200越过堰顶的水舌形越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的状不受堰坎厚度的影响。水舌下缘与影响。水舌下缘与堰顶只有线的接堰顶只有线的接触，水面呈单一的触，水面呈单一的降落曲线。水舌上降落曲线。水舌上下边界为大气压强。下边界为大气压强。薄壁堰薄壁堰 /H 0.67由于堰顶常作成锐缘形，由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称

4、锐缘堰。故薄壁堰也称锐缘堰。00.67 /H 2.5 堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力，堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力，但影响还不大，水流主要还是重力作用下的自由跌落。但影响还不大，水流主要还是重力作用下的自由跌落。00v0H11实用堰实用堰H00P1P211v1v0曲线型实用堰曲线型实用堰 00v0H11折线型实用堰折线型实用堰 2.5/ H 10宽顶堰宽顶堰H00P1P2v011v1u堰坎继续加厚，这时堰坎继续加厚，这时堰坎厚度对水流的作堰坎厚度对水流的作用已经非常明显，进用已经非常明

5、显，进入堰顶的水流受到堰入堰顶的水流受到堰顶垂直方向的约束，顶垂直方向的约束，过水断面减小，流过水断面减小，流速加大，由于动能增速加大，由于动能增加，势能必然减小，加，势能必然减小，再加上水流进入堰再加上水流进入堰顶时产生局部能量顶时产生局部能量损失，所以进口处损失，所以进口处形成水面跌落。形成水面跌落。 此后，由于堰顶对水流的顶托此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎作用，有一段水面与堰顶几乎平行。当下游水位较低时，出平行。当下游水位较低时，出堰水流又形成第二次水面跌落。堰水流又形成第二次水面跌落。H00P1P2v011v1u实验表明，宽顶堰流的实验表明，宽顶堰流的水头损失主要

6、仍是局部水头损失主要仍是局部水头损失，沿程水头损水头损失，沿程水头损失可忽略不计。失可忽略不计。u当当/ H 10时，沿程水时，沿程水头损失起主要作用，水流头损失起主要作用，水流也逐渐具有明渠的性质也逐渐具有明渠的性质。2.从下游水深对堰的影响3.从堰宽b和河宽B的大小有侧收缩堰： Bb无侧收缩堰：B=b4.从水流方向正堰：堰与水流方向正交。侧堰：堰与水流方向平行。斜堰：堰与水流方向不正交。自由出流：下游水深小，不影响堰的过流能力。淹没出流：下游水深影响堰的过流能力。第二节第二节 堰流的基本公式堰流的基本公式对堰前断面对堰前断面0-00-0和堰顶断面和堰顶断面1-11-1列能量方程列能量方程通

7、过堰顶的水平面作为基准面，通过堰顶的水平面作为基准面，1-11-1断面的中心断面的中心点恰好位于基准面上。点恰好位于基准面上。基本公式是指薄壁基本公式是指薄壁堰、实用堰和宽顶堰、实用堰和宽顶堰都适用的普遍公堰都适用的普遍公式。以自由出流、式。以自由出流、无侧收缩、矩形、无侧收缩、矩形、薄壁堰为例推导。薄壁堰为例推导。v011v1P200HP100v011v1P200HP100gvgvpgvH222212111200Let:02002HgvH因水舌被大气包围， 1-1断面的0/1pgvH2)(211001121gHvLet:1101kbHw Let:0kHe 2302 HgbkQkm Let:2

8、302 HgmbQ 1流速系数流速系数堰上水头堰上水头012gHv水舌厚度水舌厚度234流量系数流量系数2323200232002)21 ()2(2HgbgHvmgvHgmbQ2302 HgbmQ 或 侧收缩系数以上推导是无侧收缩、无淹没的情况。考虑侧向收缩和淹没影响2302 HgmbQs 淹没系数SLet:232000)21 (gHvmm m 流量系数 b 堰宽 H0 堰上水头 淹没系数, 如下游水位较高形成淹没，受下游水位的顶托影响，过流能力降低，用淹没系数反映其影响。S1SSH00P1P2v011v1S 侧收缩系数，有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，相当于堰

9、顶过流的有效宽度降低，局部阻力增加，降低过流能力，用侧收缩系数反映其影响。dbbb边墩边墩边墩边墩闸墩闸墩闸墩闸墩B m 流量系数，不同高度、不同类型的堰，m不同。影响流量系数的主要因素影响流量系数的主要因素v011v1P200HP1 反映局部水头损失的影响反映局部水头损失的影响 包括：堰顶水头、上游堰高包括：堰顶水头、上游堰高P P1 1、堰顶口边缘形状等、堰顶口边缘形状等 反映堰顶水流垂直收缩的程度（反映堰顶水流垂直收缩的程度（1-1断面水舌厚度断面水舌厚度 kH） k 代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比 ,),(kkmm 第三节第三节 薄

10、壁堰薄壁堰 薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测及小型渠道中的一为水力学模型实验、野外量测及小型渠道中的一种有效量水工具。由于堰壁较薄，难以承受过大种有效量水工具。由于堰壁较薄，难以承受过大的水压力，故上游水头过大时不易使用。的水压力，故上游水头过大时不易使用。也HP1B无侧收缩矩形堰Bb有侧收缩矩形堰三角形堰梯形堰薄壁堰按照堰口形状的不同，可分为矩形堰、三角形堰和梯形堰等。三角形堰多用于量测小流量，矩形堰和梯形堰用于量测较大流量。一、矩形堰一、矩形堰1.完全堰1、渠宽与堰宽相同。2、下游水位低于堰顶。3、堰上水头不宜过小（H2.5

11、cm），否则受表 面张力作用。4、水舌下面的空间应与大气相通。条件2302 HgbmQ 一般通过试验确定巴赞公式巴赞公式8-3-1雷布克公式雷布克公式8-3-2B2.侧收缩堰2320HgbmQmc 有侧收缩时的流量系数cmm 0Let:232 HgbmQc)()(55. 01 )03. 00027. 0405. 0(22pHHBbHbBHmc8-3-3当b 50l/s)，而又不能使用无侧收缩的矩形堰时，可以采用梯形堰。而又不能使用无侧收缩的矩形堰时，可以采用梯形堰。中间矩形堰流量两侧合成的三角形堰流量梯形堰流量当 时，流量系数 不随H及b变化，且约为0.42。14tm第五节第五节 宽顶堰宽顶堰

12、有坎宽顶堰流：有坎宽顶堰流：由于存在底坎引起水流在垂直方向产生收缩而形成进口水面跌落的水流现象。无坎宽顶堰流：无坎宽顶堰流：由于侧向收缩的影响，形成进口水面跌落，产生宽顶堰的水流状态，比如水流经桥墩之间、隧洞或涵洞进口。根据下游水位高低自由式出流：进口前为缓流，在进口处由于断面收缩形成水面跌落，堰顶水深略小于临界水深，堰顶水流为急流，当下游水位较低时，过堰后的水流会出现第二次水面跌落。淹没式出流：进口前水流也为缓流，进口处也存在水面跌落，但堰顶水流受下游水位影响，为缓流，水深略大于临界水深。一、宽顶堰的特点一、宽顶堰的特点 垂直收缩的影响，流线收缩，水面下降，在断面达最小值（2处）， ，以后水

13、受阻力影响，水面微微上升，下游水位较低时产生第二次跌落。断面以后属急流渐变流，不受下游水位影响，自由出流。图aKshh Kchh 下游水位上升达到线堰上水流仍属于急流，hc与下游水位无关，堰出口没有水面跌落，仍为自由出流。图b当hshk，从hc hs发生水跃（超过幅度不大）。当水跃还没有淹没收缩断面时， 仍不变，ch此时Q仍不受下游水位影响，仍为自由出流。图c下游水位再升高至 ，收缩断面被淹没，水跃消失，堰上水流为缓流，Q减小，变为淹没出流。图dcshh 宽顶堰流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。宽顶堰流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。宽顶堰流水力计算的基本公式为宽顶堰流水力计算

14、的基本公式为2302 HgmbQs 二、流量系数二、流量系数2302 HgmbQ32. 0m36. 0mHpHpm75. 046. 0301. 032. 0HpHpm5 . 12 . 1301. 036. 0取决于堰顶的进口取决于堰顶的进口形式和上游堰高与形式和上游堰高与堰前水头的比值堰前水头的比值直角进口边缘圆角进口边缘直角进口边缘圆角进口边缘（8-5-1）（8-5-2）三、侧收缩系数三、侧收缩系数2302 HgmbQ当宽顶堰溢流宽度较大时，同样需设置闸墩和边墩，产生侧收缩使减小。)1 (2 . 014BbBbHpa为墩形系数1 . 0圆形边缘19. 0矩形边缘四、淹没条件及淹没系数四、淹没

15、条件及淹没系数l当下游水位低于堰顶临界水深线k-k时，无论下游水位是否高于堰顶，都是自由出流。（a）l当下游水位继续上升至高于k-k线时，堰顶将产生水跃，水跃位置随下游水深增加而向上游移动。 （b）因为在此情况下，堰顶收缩断面下游继续保持急流状态，堰下游水位变化不会影响堰顶收缩断面hc的大小。l当下游水位高于堰顶的高度 ，水跃移动到收缩断面1-1断面的上游，收缩断面水深增大为h，整个堰顶水流变成缓流，为淹没出流。085. 075. 0H08 . 0 H查表8-5-1第六节第六节 小桥孔径的水力计算小桥孔径的水力计算桥下水流由于受到桥台和桥墩的侧向约束，在桥上游壅水，进入桥孔时，过水断面减小，流速增大，水面下降，因此小桥桥孔过水属于宽顶堰流，通常坎高为零，属于无坎宽顶堰流无坎宽顶堰流。H 桥前壅水水深h1 桥下(孔)水深h 桥下游水深hk 桥下临界水深自由出流，堰上水流为急流，h1b对自由式计算标准孔径下的 ，校核是否发生淹没。/kh322)( BgQhk/3 . 1khh /3 . 1khh B即为所求。vhQb取Bb。计算标准孔径下的桥下流速v和桥前水深HkhBQvkhgvHH2202BhQvhgvHH2202 自由式：淹没式：beH00孔流孔流bH00v0堰流堰流补充：堰流与孔流的异同 图图 堰流堰流