水力学第9章堰流及闸孔出流-2015

1、 1 1、堰流及闸孔出流、堰流及闸孔出流堰：顶部溢流的泄水建筑物称为堰堰：顶部溢流的泄水建筑物称为堰堰流：（堰流：（outflow weirs of spillingoutflow weirs of spilling） 经过堰的水流，没有受到闸门控制时是堰流。经过堰的水流，没有受到闸门控制时是堰流。闸孔出流：（闸孔出流：（outflow from sluice gateoutflow from sluice gate）经过堰的水流受到闸门控制时就是闸孔出流，简称为孔流。经过堰的水流受到闸门控制时就是闸孔出流，简称为孔流。9.1 9.1 概述概述第第9 9章章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流闸孔出

2、流闸孔出流堰流堰流堰流及闸孔出流的水流特点：堰流及闸孔出流的水流特点：闸孔出流闸孔出流 水面被断开而不连续水面被断开而不连续堰流堰流 水面连续变化的光滑曲面水面连续变化的光滑曲面共同点：共同点：堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑壅高壅高了上游水位，在了上游水位，在重力重力作用下形成的水流运动。出流过程作用下形成的水流运动。出流过程的能量损失主要是的能量损失主要是局部损失局部损失。3 3 淹没出流和自由出流（以堰流为例）：淹没出流和自由出流（以堰流为例）：堰淹没出流条件为：下游水位超过堰顶堰淹没出流条件为：下游水位超过堰顶 发生淹没水跃发生淹没水跃侧收缩

3、流：侧收缩流： 当溢流宽度小（等）于上游渠道的宽度当溢流宽度小（等）于上游渠道的宽度tchh 0远离水跃远离水跃tchh 0临界水跃临界水跃tchh 0淹没水跃淹没水跃0chth 0ch0chth 0ch0chth 0ch水跃的三种形式水跃的三种形式 本章内容：本章内容： 1 1、堰的分类、堰的分类 2 2、堰流的基本公式、堰流的基本公式 3 3、不同堰型的水力计算、不同堰型的水力计算 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流薄壁堰薄壁堰实用堰：曲线型和折线型实用堰：曲线型和折线型宽顶堰宽顶堰H67. 0HH105 . 2HH5 . 267. 09.2 9.2 堰的分类堰的分类0 .6 7 HSharp-

4、crested weir)薄壁堰（由于堰壁没有触及到水舌的下缘，其堰壁厚度对水流没有构成影响，这是薄壁堰堰顶水流的特点。0.672.5HHSpillway)实用堰（堰顶水流沿着溢流面流动，堰顶厚度和形状影响到水流，堰顶对水流产生阻力。2.510HHBroad-crested weir)宽顶堰（宽顶堰的堰顶一般为水平面，堰顶水流在进口处有明显收缩，并在堰顶出现一段近似水平的流段。 2/3000022HgmBgHBkHvAQBkHA00221gHgHvgVgVgVH22222209.3 9.3 堰流的基本公式堰流的基本公式为流量系数为流量系数式中式中 kmHgmBgHBkHvAQBkHA2/300

5、0022K为垂向收缩系数为垂向收缩系数以矩形薄壁堰自由出流为例以矩形薄壁堰自由出流为例 2/302 HgmBQ考虑侧收缩和淹没出流的堰流的基本公式考虑侧收缩和淹没出流的堰流的基本公式薄壁堰可分为：薄壁堰可分为：9.4 9.4 薄壁堰的水力计算薄壁堰的水力计算 2/302 HgBmQ矩形薄壁堰的流量计算：矩形薄壁堰的流量计算：将行进流速放在流量系数将行进流速放在流量系数内考虑内考虑（1 1）计算流量系数）计算流量系数薄壁堰有侧收缩时，将其影响并薄壁堰有侧收缩时，将其影响并入入流量系数中流量系数中0BB202000)()(55. 0103. 00027. 0405. 0BBaHHBBBHm巴辛公式

6、巴辛公式5 . 4161010534. 04034. 00HaHmm3 . 0,2m,025. 0aaHH适用条件：公式雷保克（T.Rehbock) )(11cazaz（2 2）计算淹没系数）计算淹没系数caz)(1判别判别淹没水跃淹没水跃的条件：的条件：Z Z 为上下游水位差，为上下游水位差，a a1 1为下游堰高，为下游堰高，H H 为上游水头为上游水头1 za在 曲 线 下 方 时 为 淹 没 水 跃311)(2 . 01 (05. 1Hzahs淹没系数：淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值为下游水位高于堰顶的数值三角形薄壁堰三角形薄壁堰（三角堰）：（三角堰）：水头水面宽很小时，流

7、量的微小变化引起较大的水头水面宽很小时，流量的微小变化引起较大的水头变化，量测精度高水头变化，量测精度高, ,适合适合Q Q 0.1 m 0.1 mQ 0.1 m3 3/s/s254 . 1 HQ 23856. 1bHQ 9.5 9.5 实用堰的水力计算实用堰的水力计算1 1、曲线型实用堰的剖面形状、曲线型实用堰的剖面形状奥剖面。克奥菲采洛夫剖面，简称克里格尔-剖面Station) Experiment aysWES(Waterw型剖面长研 max)95. 075. 0(HHdddmmHHddmmHH502. 0ddmmHH2.实用堰的水力计算实用堰的水力计算（1 1）流量系数确定）流量系数确

8、定2/302 HgmBQ的的关关系系曲曲线线。与与时时，流流量量系系数数当当剖剖面面，游游为为三三圆圆弧弧段段的的上上游游堰堰面面铅铅直直，堰堰顶顶上上dHHmHa03WES（2）侧收缩系数侧收缩系数为溢流孔数n0010.2 (1)kHnnb为每孔宽度b）为闸墩系数（查表 .190）为边墩系数（查表 .29k计算按如果 1 1 00bHbH 计算按如果 1 1 00bHbH为溢流孔数n为每孔宽度b）为闸墩系数（查表 .190）为边墩系数（查表 .29k为闸墩系数表0 .19(3)淹没系数淹没系数实用堰发生淹没出流的条件实用堰发生淹没出流的条件（1 1）下游水位高于堰顶；）下游水位高于堰顶；（2

9、 2）堰下游发生淹没水跃）堰下游发生淹没水跃淹没出流的条件淹没出流的条件 0 . 2 15. 0010HaHhs及（二）折线型实用堰aHHHH0.330.340.351000.340.350.37500.350.370.39300.350.360.38010120.360.380.40050.370.390.41040.380.400.42030.360.380.40200.380.400.4210230.390.410.4302.00.400.420.4401.00.36-0.350.40-0.380.43-0.420.50.535=10.5=21=2cot2cot1流 量 系 数 m边 坡

10、 系 数43. 033. 0m算。近似按曲线型实用堰计和淹没系数测收缩系数1 1 宽顶堰的流量公式宽顶堰的流量公式 取取1-11-1和和2-22-2断面断面9.6 9.6 宽顶堰的水力计算宽顶堰的水力计算2/302 HgmBQ)(20hHgBhQ )(2)(2)(202200ccccccchHgvhHgvBhQhHgBhQ)(2022cchHgv临界流临界流 222cchgv02202212 )(2HhhHhccc则则 据巴赫米切夫最小能量假设，万据巴赫米切夫最小能量假设，万物在重力场的作用下，总要跌至物在重力场的作用下，总要跌至能量最小的地方。堰顶为水平时能量最小的地方。堰顶为水平时E=Es

11、, EsE=Es, Esmin min 对应临界水深，因对应临界水深，因此此堰顶水深堰顶水深h h为为hchc. .032,1Hhhc若不计阻力，032, 1H堰顶水深略小于若考虑水流阻力，3.3.宽顶堰的淹没条件宽顶堰的淹没条件8 . 067. 067. 032,00000HhHhHhHHhhhscsccs实验测定实验测定因此因此而而淹没出流时淹没出流时 2/302 HgmBQ值宽顶堰淹没系数表.690Hhs0Hhs8 . 01.00.90.840.810.9950.910.810.820.990.920.780.830.980.930.740.840.970.940.700.850.960

12、.950.650.860.950.960.590.870.930.970.500.880.90.980.40.890.8730.320.010.460.75aHmaH直角进口30.360.011.21.5aHmaH圆弧形进口别列辛斯基的经验公式. 13 流量系数的经验数据系数上游堰面倾斜时，流量m. 2.49查表及上游堰面倾角值可根据堰上游面倾斜时，其Ham9.5m无坎宽顶堰的流量系数 可按不同的进口形式查表得到，并且已包含侧收缩的影响。2/302 HgmBQ4 侧收缩系数0010.2 (1)kHnnb无坎宽顶堰无需再考虑侧收缩系数。2 2、堰流和闸孔出流的界限、堰流和闸孔出流的界限65. 0

13、He65. 0He75.0He75.0He式中：式中：e e为闸孔开度；为从堰顶算起的闸前水深为闸孔开度；为从堰顶算起的闸前水深堰流及闸孔出流计算的主要任务是研究其过水能力堰流及闸孔出流计算的主要任务是研究其过水能力 闸孔出流闸孔出流实用堰实用堰堰流堰流宽顶堰宽顶堰闸孔出流闸孔出流堰流堰流 9.7 9.7 闸孔出流的水力计算闸孔出流的水力计算1 1、闸孔出流的分类、闸孔出流的分类（1 1） 闸门的分类闸门的分类 弧型闸门弧型闸门平板闸门平板闸门 )22. 9(201gHeBQ自由出流：01/1He3 3、宽顶堰闸孔出流、宽顶堰闸孔出流为垂向收缩系数为垂向收缩系数 有实验确定)32 . 9()(

14、20thHgeBQ淹没出流： )24. 9(201gHeBQ自由出流：4 4、实用堰闸孔出流、实用堰闸孔出流cos)375. 025. 0(186. 065. 01HeHe900,75. 005. 0He )26. 9()(201shHgeBQ淹没出流：cos)375. 025. 0(186. 065. 01HeHem.m,aa.5m,.112 . 05 . 009HB堰堰上上水水头头上上下下游游堰堰高高堰堰，堰堰宽宽有有一一矩矩形形无无侧侧收收缩缩薄薄壁壁例例薄薄壁壁堰堰的的流流量量。时时通通过过及及求求下下游游水水深深分分别别为为mm,6 . 04 . 0tthh解：解：为为自自由由出出流

15、流。的的流流量量。）求求（mamm15 . 04 . 04 . 01tthh428. 05 . 42 . 0161015 . 02 . 00534. 0403. 05 . 4161010534. 0403. 00HaHm)/(0848. 02 . 081. 925 . 0428. 025 . 15 . 10sHgBmQ3m公式雷保克（T.Rehbock)时的流量。时的流量。求求m6 . 0)2(th下游水位高于堰顶。下游水位高于堰顶。m,m5 . 06 . 01aht2 . 05 . 06 . 02 . 05 . 0111ahHaazt为淹没出流。为淹没出流。得得查图查图由由, 2 . 076

16、. 0)(9, 4 . 05 . 02 . 0111azazaHc.5867. 02 . 01 . 0)5 . 05 . 06 . 02 . 01 (05. 1)0151331Hzahs.2.0（)/m(0735. 00848. 0867. 0235 . 10sHgBmQcaz)(1式水跃，求过堰流量。设泄流时下游发生远离堰宽与渠宽相同设计流量系数，堰的设计水头某曲线型实用堰，堰高例m.0 . 5,49. 0m9 . 0m,5 . 6.29bmHadd解：解：.0.011，由由题题给给条条件件HH 0设设)/m(266. 99 . 081. 920 . 549. 00 . 10 . 1235

17、. 15 . 11sHgmBQm/s)(2504. 00 . 5)9 . 05 . 6(266. 9010AQvm)(9032. 081. 922504. 09 . 0222001gvHH)/m(315. 99032. 081. 920 . 549. 00 . 10 . 1235 . 15 . 1012sHgmBQm/s)(2518. 00 . 5)9 . 05 . 6(315. 9020AQvm)(9032. 081. 922518. 09 . 0222002gvHH圆形，边墩为圆弧形圆形，边墩为圆弧形型剖面，闸墩头部为半型剖面，闸墩头部为半某溢流坝采用某溢流坝采用例例WES.39河河床床高

18、高程程见见图图所所示示。，上上下下游游设设计计水水位位，及及坝坝的的设设计计流流量量sQ/55003m。求：。求：流量流量根据地质条件选用单宽根据地质条件选用单宽上游河道宽为上游河道宽为sq/801602m.0m.）坝顶高程。）坝顶高程。；（；（）坝的溢流宽度和孔数）坝的溢流宽度和孔数（21解解：）坝坝的的溢溢流流宽宽度度和和孔孔数数（ 1m)(8 .68805500qQB则则溢溢流流孔孔数数选选用用每每孔孔净净宽宽m,10b88. 6108 .68bBnm)(70, 7nbBn则则坝坝的的溢溢流流宽宽度度实实际际选选用用溢溢流流孔孔数数70. 0,45. 0)75. 0, 7000ksHhn

19、H可可查查得得流流（按按半半圆圆形形墩墩头头和和自自由由出出值值及及已已知知的的溢溢流流孔孔数数将将此此903. 0717 . 045. 0) 17(2 . 01) 1(2 . 0100nbHnk)m(53.11)81. 9270502. 0903. 05500(320H值。值。不再变化，可作为正确不再变化，可作为正确及及认为认为0H)m(580)0 . 40 .37(16020Am/s)(04.Qvm)(06. 081. 9204. 10 . 12220gvm)(47.1106. 053.112200gvHHd堰堰上上设设计计水水头头m)(53.2547.110 .37dH上游水位上游水位坝顶高程坝顶高程是是正正确确的的。故故以以上上按按自自由由出出流流计计算算，满满足足自自由由出出流流条条件件，低低于于堰堰顶顶高高程程下下游游设设计计水水位位m.5.2m32521）坝顶高程）坝顶高程（2m)(6 .11)81. 9270502. 09 . 00 . 15500()2(32320gmBQH斜角边墩。采用尖圆形闸墩，上游引水渠宽为某干渠为宽顶堰式水闸例45.0m30.49孔