水力学学习方法指导

1、水力修教曇辅导第七章堰流及闸孔出流【教学基本要求】1、了解堰流、闸孔出流的流动特点和区别，掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件。2、掌握堰流的分类和计算公式，掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法，会进行流量系 数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法，重点掌握宽顶堰流的水力计算。3、了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。4、掌握闸孔出流的计算公式和水力计算方法，能正确确定闸孔出流的流量系数和淹没 系数。【学习指导】这一章的主耍任务是学习堰、闸和桥涵的过流特性和水力计算以及水跃消能的水力设 ih学习本章我们要了解堰流和闸孔出流的特点和互相转化的分界条件，以便止确选择对应 的公式进行设计计算。木章有

2、众多的经验公式和经验系数，我们要了解公式中各种系数的物 理意义和影响因素，众多的经验公式不必强记，但要会利用公式或图表来确定计算中所需的 流量系数、淹没系数、侧收缩系数的数值。7. 1堰流、闸孔出流的特点和区别(1) 堰流和闸孔出流的特点：堰流和闸孔出流都属于急变流，都是壅高水位以后，靠 重力作用形成的水流运动，其能量损失以局部水头损失为主。堰和闸都是属于控制建筑物, 用于控制水位和流量。(2) 堰流和闸孔出流的区别：垠流的上部不受闸门控制，水流自山表血是连续光滑的; 而闸孔出流正好相反，由于受到闸门的控制，自由表而被闸门截断。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

3、同。(3) 垠流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度纟大于一定值，闸门底缘对水流没有 约束吋，闸孔出流转化为堰流。其判别标准是：闸底坎为平顶宽顶堰时：e/h w0.65为闸孔岀流，>0.65为垠流；闸底坎为曲线型宽顶堰：e/h w0.75为闸孔lli流，e/h >0.75为堰流。以上关系只是一个大致的判定界限，因为堰流与闸孔出流的判定界限与闸坝形式、闸 门位置及闸门的起始状态等因素有关。若闸、坝已经建成，在运行过程中，可根据闸门是否 离开水面来直接判断水流是堰流还是闸孔出流。从研究过流能力及其影响因索等方而来看，堰流与闸孔出流乂有许多共同点。具体表现为：堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅

4、高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具 有了一定的势能。泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。因此，作用水 头愈大，转化的动能也愈大，相应的堰、闸的过流能力就比较大。堰和闸都是局部控制性 建筑物，其控制水位和流量的作用。堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流 线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响，流 动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。7. 2堰流的分类根据堰顶的宽度5与堰顶水头h的比值可以将垠分为三类：当心hv0.67为薄壁堰，薄壁堰具有稳定的水位流量关系，常丿ij于流量的暈测；当0.67< 6 /h<2.5

5、为实用堰，用于水利枢纽的扌半水和泄水建筑物；当2.5< 6/h<10为宽顶堰，在渠系中广有泛应用。>1ohj,沿程水头损失已不能忽略，此时的水流特性不再属丁堰流，而应该按明渠h水流处理。堰流还可以进一步分为自由出流和淹没出流、有侧收缩和无侧收缩堰流。对同一个堰而言，堰坎厚度/是一定的，但堰上水头丹却是随水流状况变化的，这就 是说，关于堰流类型的划分是从水力学角度考虑的，在h比较大时，可能是实用堰流，h 比较小时就可能是宽顶堰流。垠流的类型虽然有以上几种，但其水流的运动却有着共同的规律。比如，水流在趋近堰 顶时，由于流线收缩，流速增人，溢流自由水面均有明显的降落；从作川力方面来

6、讲，重力 作川是主要的；从水流的流线变化情况来看，堰流都属于明渠急变流，离心惯性力的影响比 较显著，有时还存在表而张力的彩响；从能量方而讲，都是势能转换为动能，而且水流运动 过程小以局部水头损失为主。既然如此，堰流问题就可以川同一个公式来描述。7. 3堰流水力计算的基本公式堰流计算基木公式为q = " 莎(71)式中：加一堰流流量系数，与堰型、进口形式、垠高及堰顶水头h有关；£ i 侧收缩系数，与堰型、边壁的形式、淹没程度、作川水头、孔宽及孔数有关;j 淹没系数，与堰顶水头及下游水深有关；/。一堰顶总水头。当堰较高时，行近流速水头可以忽略不记，h产h。7. 4薄壁堰流的水力

7、计算薄壁堰根据堰口形式对以分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、梯形堰和比例堰等，其中以矩形薄壁堰和二角形薄壁堰最为常见。矩形薄壁堰口由出流的流量计算公式为(72)q = mi)by/2h2式小：加°一一包括行近流速水头的流量系数，可按下式计算巴赞公式(bazin , 1898年)m = 0.405 +0,0027hnh吩(0.405 +川+ 0.55(吋)勺式中，h、片以m计。适用范围是0025 </7 <1.24, b<2mt p】5113m。进行矩形薄壁堰水力设计时，需要注意：(1) 堰顶水头h要人于2.5cm,否则会形成贴壁溢流，影响过流能力。(2) 无侧收缩矩形薄

8、壁堰需要向堰后水舌卞方通气，不然要影响过流的稳定性。(3) 另外薄壁堰水舌的下缘的流线形状将为实川堰堰面体型设计提供依据。宜如三角形薄壁堰的流量计算公式为0= 1.4/75/2 (n?/s)(7-3)此式适用于上游堰高p&2h, b鼻(34) h。其它形状薄壁堰的计算公式可以查阅教材或有关手册。7.5实用堰流的水力计算实用垠分为曲线型和折线型两种。曲线型实用垠常见的有wes剖面利克一奥剖面，折 线型实用堰常见的有矩形剖血和梯形剖血。实用堰水力计算的公式也为(7-1)式。曲线型实用堰wes剖面wes剖面由四部分组成：上游圆弧段、曲线段、下游直线段和反弧段。上游圆弧段川三段圆弧为上游面连接

9、。曲线段市下面方程式控制(74)y( x 1出页=°心)式中：y、x为纵横方向坐标；兄是设计水头，一般収乩1= (0.750.95) hmaxo下游直线段的斜率加2山堰体的稳定和强度确定，-般取牝=0.650.75。(1) 流量系数皿 影响流量系数加的主要因素是pjhd、和上游面坡度。当上游 面为铅直,pi/hq133 (即称为高堰，行近流速水头忽略不计),hj hd=l时,wes剖而堰的流量系数叫= 0.502,叫称为设计流量系数。当h°<hd时，堰上床强增大，过流能力下 降,m< md;当h(>hd时，堰面上将产生负压,过流能力增大，加> %。不

10、同情况下的流量 系数加值可以査有关图表。（2）侧收缩系数e ：侧收缩系数£ 1与边墩、中墩的形状和孔数、堰顶总水头ho和单 孔宽度b有关，用经验公式计算。（3）淹没系数淹没系数j与入/乩）及pi! ho有关，瓜=爪一卩2是下游水深儿超过 下游堰高5。当hjh（w0.5及pjh&2时为自由出流,5=1。其余情况j值可以查阅有 关图表。其它曲线型实用堰和折线型实用垠的计算方法与上述计算相类似，各种系数查有关图 表。7. 6宽顶堰流的水力计算宽顶堰的计算公式仍然是用式（71）。宽顶堰可以分为有坎宽顶堰和无坎宽顶堰，有 坎宽顶堰根据堰顶入口形式可以分为方角和圆角。宽顶堰水力计算主要是

11、根据不同形式的宽 顶堰能正确选用相应的流量系数加、侧收缩系数5和淹没系数os，确定各种系数的经验公 式不必记忆，但要注意这些公式的适用范围。h宽顶堰流的淹没系数6取决于下游水面超过堰顶的相对高度hs/h.,当亠0.8时, h。为淹没出流。其值可以查表。无坎宽顶堰的流量系数包含了侧收缩的影响，因此无坎宽顶堰水力计算不必计入侧收缩 系数。7. 7堰流计算的类型根据堰流公式（7-1）可知，堰流计算基本问题有三类：即求流量q、堰宽=肋和 顶堰水头对于曲线型实用堰，述需耍进行剖面形状的设计。在其它条件己知的情况下，流量q和堰宽b=nb可以用公式（7-1）直接求解。顶堰水 头h不能直接用公式（7-1）计算

12、，因为式中流量系数m和侧收缩系数均与水头h（）有 关。因此必须采用下列逐次渐近法计算:对于实用堰,首先令pjh>l33,即为高堰,并且 令pjh>3，确定流量系数也，并令淹没系数。$=1,即按自山出流计算。求出第一次近似值 n v*ho和h= h（ o然后用第一次求得的水头h（）去确定新的流量系数加，并求侧收缩 2g系数j和判別其是否淹没出流，再求第二次水头近似值逐次逼近，直到取得满意的结 果。这类问题也可以直接采用试算法来求解。7.8桥涵水力计算（补充内容）（i）小桥过流的水力计算对丁相对宽度不大（6/hvlo）的小桥过流，其水流特征类似于有侧收缩的无坎宽顶堰, 因此可以按无坎宽

13、顶堰进行计算。小桥过流水力计算的内容：在流量q已知的情况下，计算：小所需的小桥孔径b,以 保证桥底下不发牛冲刷，即桥孔流速v不大于桥下铺砌材料或天然基土的不冲允许流速 v' b）核算桥前的壅水水深使其不大于规范允许值h。h取决于路肩标高及桥梁梁 底标高。小桥过流的水力计算步骤：a）计算桥孔中的临界水深加,判别出流形式；b）计算所需的小桥孔径4c）校核桥前塑水水深。具体方算例可参见教材内容。（2）无压涵洞a）无压涵洞的过流特征：当下游水位较底，进口存在收缩断面，其水深为瓜。可根据 涵洞长度l的不同，将无压涵洞分为长涵和短涵。耍注意底坡i和洞长l对水流运动的影响。缓坡和平坡汹洞：当厶不人时

14、为短涵，九v加，为自由出流，过流特性同宽顶堰流；当厶较大时为长涵，仏>加，为淹没出流，过流特性同明渠水流。陡坡和临界坡涵洞：厶不影响过流,hcvg,为自由出流，过流特性同宽顶堰流。b）无压涵洞的分类全长分为三段：进口段人、中间段乙、出口段厶。4=（166.23-423.38 e jh当i不太人时：当/2</k时，为短涵；当/2>4时，为长涵当i>ik时：无论?2多人，均视为短涵。c）无压涵洞的淹没判别对于短涵:当hc<hk时，为自由出流;当ht>hk时，九<加,为自由出流;qhk，为淹没出流。对于长涵：均为淹没出流：当心<加时，淹没程度只取决于洞

15、长；当ht>hk时，淹没程度収决于洞长和下游水深。d）无压涵洞的水力计算公式过流能力的计算：对于矩形断面的涵洞：q = 0.38565b莎（75）对于非矩形断血的涵洞：取b=bk , bk=ak /hk o7. 9闸孔出流水力计算闸门主要分为平板闸门和弧形闸门，闸底板形式也可分为宽顶堰和曲线型实用堰。（1 ）闸孔出流的特征宽顶堰上的闸孔出流存在收缩断面，收缩断面水深为hc(7_6)式屮：e是闸门开度，£2是闸孔出流量收缩系数，取决于闸门形式、相对开度、闸底坎型 式，对于平板闸门和弧型闸门分别查教材中的表7 14和表7 15。曲线型实用堰上的闸孔出流，只有在垠下游坡角处才存在收缩

16、断面，/“的计算见本教材 第7.5.2节。(2)闸孔出流计算公式q = "4 収兀(7-7)式小：是闸孔流量系数，取决于闸门形式、相对开度乂和闸底坎型式。b是闸孔宽度；eh是闸门开度；os是闸孔出流的淹没系数，与根据闸门型式及边界条件确定，(几与潜流比 g必有关，查图确定。h_h：注意：对比堰流和闸孔出流的计算公式，我们可以看到堰流的流量 qx hl?、而 闸孔出流的流量qxh厂。这是垠流与闸孔出流的重大区别，由闸门下缘是否对水流施 加约束造成的。利用堰流过流能力随水头迅速增加的特点，可以迅速将洪水泄排向下游；但 堰顶的高程较高，不能排沙或放空水库进行检修，而闸孔出流可以完成这个任务

17、。在大中型 水利工程屮，通常都设有堰和屮孔或底孔，分别川来完成控制水位、流暈和排沙的不同任务。 由于深孔闸门的设计要求和造价较高，对于小型水库有吋不设深孔排水和排沙，这样容易使 水库造成淤积而兴利效益减小。【思考题】71堰流和闸孔出流有哪些特点？如何判别？它们的流量系数与哪些因素有关？7-2垠分为哪三种类型？如何区分？在工程中各有什么应用？7-3设计和使川无侧收缩矩形薄壁堰需要注意哪些问题？为什么？7-4什么是wes实川堰的设计水头rd和设计流量系数mi?当其它条件相同时，实际作用 水头小丁或大于设计水头时，对实用堰过流能力产牛什么影响？7-5实用堰和宽顶堰的水流运动有什么区别？对过流能力有何

18、影响？76相同形式的宽顶堰，当水头一定时，上游堰高p】的大小对流量系数m有什么影响？ 原因是什么？7-7堰流与闸孔出流的过流能力水头的关系有什么不同？它们在工程中各有什么应用？7-8为什么无坎宽顶堰水力计算，不计算侧收缩系数？【解题指导】思7-4解答：在进行wes实用堰剖而形状设计吋，只能对应于某个确定的水头，这 个水头称为wes堰的设计水头乩。当实际水头h等于乩时，对应的流最系数称为设计流暈系数/?7(1 o当其它条件相同，实际作丿ij水头水流通过垠面受到顶托作用，垠面压强增大。根据机械能量守恒与转换规律，在位能不变的情况下，压能增加，动能必然减少，即流速降 低，过流能力减小。反z,当h>h&水流欲脱离堰血，堰上产生真空，压能减小，动能增 加，wes堰过流能力增加。思7-7 提示：堰流q * h广，而闸孔出流q oc h厂,即流屋q随h()变化 的程度不同。例题7-1如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜血朝向下游，当 闸门开度e=lm时，其泄流量q = 24.3m3/s，闸孔宽b = 4m,试求：堰上水头解：由于下游水位低于堰顶，故为自由泄流，其流量公式为q =砂e(2gh乂由于水头/未知，故也暂时求不出来，所以此题只由于0=90°, co