水力学系统讲义第八章(1)-堰流及闸孔出流

1、第八章 堰流及闸孔出流 8-1 概 述 8-2 堰流的基本公式 8-3 闸口出流的基本公式 8-1 概 述通过堰的水流称为堰流； 从顶部溢流而水面不受约束的壅水建筑物。堰 由闸门控制水流的泄水建筑物。闸通过闸孔的水流称为闸孔出流。 堰流、闸孔出流的特点 从水流现象来看1）堰、闸的存在使得河渠中的水位被壅高，上游水流是缓流； 2）堰流的水流表面不受闸门约束而保持连续的自由水面； 3）闸孔出流的水流表面受闸门下缘的约束而没有连续降落的自由水面； 从能量方程来看1） 过堰、闸时，能量的转换形式主要是从位能转换为动能。 2） 两过水断面间水流的能量耗损主要是局部水头损失，沿程水头损失是次要的。 有压管

2、流和明渠流的沿程水头损失往往是主要的。 堰流的主要特征量 堰宽b：水流漫过堰顶的宽度； 堰上水头H：堰上游水位与堰顶高程之差； 堰壁厚度及它的剖面形状；下游深度ht等。研究堰流和闸孔出流的主要目的建立过堰、闸的流量Q与其特征量之间的关系。 按照堰壁厚度对堰流的影响，将堰分为薄壁堰、实用堰和宽顶堰三种。 堰流的分类 薄壁堰堰壁厚度很薄，不影响水舌形状，堰壁对自由水舌没有顶托的作用。常用作实验室和灌溉渠道中量测流量的设备。 水流过堰的能量损失主要是过水断面缩小而引起的局部水头损失。 实用堰 堰壁厚度对水舌有一定的影响，从而对过水能力产生影响。这时水流过堰的能量损失仍为收缩型局部损失。 实用堰有折线

3、型和曲线型两种。 宽顶堰 堰壁厚度较大，水舌受到堰顶的顶托作用加大，水流表面出现下凹的形状，堰壁对过水能力的影响也相应加大。水流过堰的能量损失仍以局部水头损失为主，但沿程水头损失已占一定比重。 根据堰的形状分类根据堰与渠道水流的相对位置分类 矩形堰 三角堰 梯形堰 正交堰（堰与渠道水流方向正交） 斜堰（堰与渠道水流方向不正交） 侧堰（堰与渠道水流方向平行）堰流的判别标准 对于堰流来讲即使是同一个堰，当堰前水头H变化时，堰流类型也会相应变化。堰流类型取决于堰宽与堰前水头之比/H。闸孔出流的主要特征量 闸宽b、闸门开度e、闸前水头H、闸底板及闸墩结构、下游水深ht等。 常见的闸孔有实用堰上闸孔和宽

4、顶堰上闸孔两种。堰流和闸口出流的判别标准 宽顶堰式闸坝 实用堰式闸坝同一个建筑物上，在不同运行工况下有时会形成堰流，有时则会形成闸孔出流。 自由溢流和淹没溢流 水流通过堰、闸时，在堰下游和闸后形成急流和水跃。 下游水深ht足够大时形成淹没式水跃，也即形成淹没溢流。此时下游水深ht对堰、闸的过水能力产生影响。下游水深不影响堰、闸过水能力时的堰流和闸孔出流称为自由溢流。 在相同的上游水头作用和闸门开度情况下，淹没溢流的流量比自由溢流的流量小。 侧收缩影响 上游来流的水面宽度和堰的净宽是不相等的。边墩和闸墩将迫使过堰水流产生横向收缩。 有无侧收缩影响的判别标准： 8-2 堰流的基本公式无侧收缩影响和

5、淹没影响的宽顶堰为例推导堰流的基本公式 对无侧收缩影响的单孔宽顶堰流，堰宽为b，则流量为 对薄壁堰、实用堰均适用，对不同堰流，流量系数m的变化规律和表达式不同。 堰流自由溢流的基本公式直角三角形薄壁堰流量公式 H以m计，Q以m3/s计，该式适用范围为H=0.06-0.55m。 考虑侧收缩影响和淹没影响的堰流基本公式当堰宽小于上游来流宽度或堰顶设有边墩或闸墩时，应考虑侧收缩影响： 当下游水深较大以致形成淹没溢流时，还应考虑淹没影响： 流量系数、侧收缩系数和淹没系数的变化规律 薄壁堰流 对有侧收缩影响但无淹没影响的矩形薄壁堰 B0为引水渠宽，b为堰宽，P为堰顶高程与上游堰底高程之差。 矩形薄壁堰在

6、自由溢流时，流量系数m0大体上为0.42左右。 在形成淹没溢流时，下游水面波动较大，溢流很不稳定，一般情况下量水用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。 对于无测收缩的单孔矩形薄壁堰 实用堰流 曲线型实用堰和折线型实用堰 曲线型实用堰堰顶曲线的设计依据：根据矩形薄壁堰在设计水头Hd时自由溢流水舌的下缘形状来确定。实际水头大于设计水头，水舌将偏离堰面与堰面间形成一定程度的真空，流量系数会相应增加； 实际水头小于设计水头，水舌将贴压堰面使堰面压力增大，流量系数相应减小； 对上游面垂直的WES剖面堰： 对克-奥剖面堰： 克-奥剖面堰：m=0.49 WES剖面堰: m=0.502 折线型实用堰 梯形实用堰的流

7、量系数m与P/H（相对堰高）、/H（相对堰宽）以及上下游堰面倾斜角1、2有关。 根据表8.2.1可以查出梯形实用堰的流量系数m。实用堰的侧收缩系数有侧收缩影响时实用堰自由出流的流量公式 cr和0是根据边墩和中敦形状决定的系数。由图8.2.5及表8.2.2查得。 适用条件 hs为下游水位超过堰顶的高度 实用堰淹没溢流的判别及淹没系数实用堰发生淹没溢流的条件 下游水位超过堰顶 下游发生淹没式水跃 实用堰下游发生淹没式水跃的条件 z为上下游水位差，P2为堰顶与堰下游底板的高程差。 临界值(z/P2)cr与相对水头H/P2和流量系数m有关。可由图8.2.7查得。实用堰的淹没系数s可由表8.2.3查得。

8、hs为下游水面超过堰顶的高度 宽顶堰流 流量系数m与堰的进口形式以及堰的相对高度P1/H有关。 对矩形有直角前沿进口的宽顶堰，别列津斯基公式 对矩形带圆角前沿进口的宽顶堰，别列津斯基公式 当P1/H=3.0时，m值最小，m分别为0.32和0.36; 当P1=0时，m值最大，都为0.385； 适用范围均为 当P1/H3.0时，带直角前沿进口的宽顶堰，流量系数用m=0.32；带圆角前沿进口的宽顶堰，流量系数用m=0.36。有直角前沿进口带圆角前沿进口宽顶堰的侧收缩系数宽顶堰的淹没溢流的判别 当下游水位较低时(低于K-K线)，堰顶收缩水深hc小于临界水深hcr，堰顶水流为急流，下游水深不影响堰的过水

9、能力，为自由溢流。 与实用堰相同 当下游水位稍高于k-k线时，堰顶出现波状水跃，此时hc仍小于hcr，下游水深仍不影响堰的过水能力。 当下游水位再升高，以至收缩断面被淹没，收缩断面处水深hc已大于临界水深hcr，堰顶水流为缓流，这时，下游的干涉波能向上传播，下游水位已对过堰流量产生影响，形成宽顶堰淹没出流。 形成宽顶堰淹没溢流的条件 hs为下游水位超过堰顶的高度。 淹没系数与hs/H0有关，可由表8.2.4查得。 无坎宽顶堰流 对于多孔无坎宽顶堰流,流量系数m按下式计算: n为堰孔数目；mm中孔的流量系数；ms边孔的流量系数。流量系数mm和ms由表8.2.5中查出。表8.2.5中的流量系数已包

10、括侧收缩影响在内。无坎宽顶堰淹没溢流的判别标准与宽顶堰流相同；淹没系数的取值也由表8.2.4确定。例8.2.1 某河进水闸底板高程与上游河床高程相同，均为5.0m，闸孔共28个，孔宽10.0m,闸墩厚d=1.6m,墩头为半圆形，边墩为1/4圆弧，圆弧半径r=1.9m，闸上游河宽B0=327.0m，闸全开，上游水位9.0m，当下游水位为5.0m时，求过闸流量。(含侧收缩的流量系数m=0.3688。) 用H代替H0下游水位与堰顶齐平，故过闸水流为无坎宽顶堰自由溢流，无坎宽顶堰侧收缩系数已计入在流量系数内。例8.2.2 某河进水闸底板高程与上游河床高程相同，均为5.0m，闸孔共28个，孔宽10.0m

11、,闸墩厚d=1.6m,墩头为半圆形，边墩为1/4圆弧，圆弧半径r=1.9m，闸上游河宽B0=327.0m，闸全开，上游水位9.0m，求下游水位升至8.6m时流量为多少？宽顶堰淹没溢流由表8.2.3查得淹没系数8-3 闸孔出流的基本公式 当下游水位较低，使闸孔下游发生远驱式水跃，下游水位不影响闸孔流量为自由出流。宽顶堰上的闸孔出流 当下游水位较高，使闸孔下游发生淹没式水跃，以至影响闸孔出流时，为淹没出流。 自由出流对断面1-1和收缩断面c-c列能量方程宽顶堰式闸孔出流的流速系数值可查表8.3.1 收缩断面水深1为垂向收缩系数，过闸水流垂向收缩的程度。 令流量系数 闸孔自由出流流量公式 0也为流量

12、系数，由试验确定。 平板闸门的流量系数 流速系数和垂向收缩系数1由查表确定。 0按下列经验公式确定： 弧形闸门的流量系数 流速系数和垂向收缩系数1由查表确定。 0按下列经验公式确定： 淹没出流当下游水深ht大于收缩断面水深hc的共轭水深hc时，闸孔下游发生淹没水跃，下游水深影响闸孔流量，即为淹没出流。 宽顶堰闸孔淹没出流的条件明渠水跃共轭水深公式 s为宽顶堰闸孔出流的淹没系数 闸孔淹没出流流量公式 淹没系数s例8.3.1 有一渠道上的节制闸，装有平板闸门，闸前水深H3.0m，闸孔净宽b3.0m，闸门开启高度e0.60m，下游渠道水深ht2.50m，流速系数0.95，求过闸流量（不计行近流速）。

13、 闸孔出流查表8.3.2得垂向收缩系数 闸孔淹没出流实用堰上的闸孔出流 自由出流当下游水位低于堰顶，不影响闸孔出流。 实用堰上的闸孔自由出流无收缩断面。 实用堰闸孔自由出流流量公式 流量系数0 按经验公式计算平板闸门： 弧形闸门： 适用范围： 淹没出流当下游水位超过实用堰的堰顶时，下游水位将影响闸孔的泄流量，为淹没出流。 实用堰上闸孔淹没出流流量公式 例8.3.2 某水库溢流坝采用实用堰，堰顶设平板闸门，共7孔，每孔宽b=10m，闸门开启高度e=2.5m，堰顶高程为43.36m，水库水位50.00m，下游水位低于堰顶，求通过溢流坝的流量（不计行近流速水头）。 闸孔出流下游水位低于堰顶，为自由出

14、流 闸前水深实用堰上闸孔自由出流流量公式 8-4 堰流、闸孔出流的典型问题 已知水工建筑物的形状、尺寸,在一定的上游水位情况下,求堰、闸的过水能力。 已知堰、闸的形状及尺寸,当Q一定时,求相应的上游水头。 已知堰、闸的上游水位,在要求通过一定流量Q的情况下,对堰、闸形状和尺寸进行设计(孔数n及净宽b等)。 例8.4.1 某灌溉渠道进水闸如图所示。进水闸共2孔,每孔3.0m,闸后接一引水渠,渠底坡i=0.0008,梯形断面的底宽7.0m,边坡系数1.5,粗糙系数n=0.03,若考虑侧收缩影响后的流量系数为0.32,求上游水位为6.5m时引入渠中的流量Q。 1.按图所示,闸门开度e=1.35m,水

15、头H=(6.5-5.0)=1.5m,则e/H=0.90.65,故为堰流； 2.由于/H=10.5/1.5=7,故为宽顶堰流； 3.考虑侧收缩影响后的流量系数为0.32；4.按宽顶堰自由溢流公式计算流量(忽略行近流速水头的影响) 。 由明渠均匀流公式正常水深h0=1.6m 下游水位 需考虑淹没影响。 宽顶堰淹没出流公式与明渠均匀流公式联立求解下游水位，然后再计算流量。例8.4.2 某水库的泄洪闸如图所示。共4孔每孔宽6.0m,闸底板高程为20m,设计流量为845m3/s,相应的下游水位为25.78m,设上游水位已定为35.0m,问胸墙下缘的高程应为多少? 1.判别是堰流还是闸孔出流,首先假定e=

16、3.5m, 4.0m, 4.5m,注意到闸前水头H=35.0-20.0=15.0m,则有 闸孔开度 e=3.5m, 4.0m, 4.5m闸孔相对开度e/H=0.233, 0.267, 0.30因为e/H均小于0.65,故均为闸孔出流。 2.按宽顶堰上闸孔出流选用相应的公式以及系数。 垂向收缩系数1及流速系数可分别由表8.3.2和表8.31查得。当e=3.5m,4.0m,4.5m时,1=0.621,0.623,0.625。流速系数均取=0.9。 3.判别属于自由出流还是淹没出流。 闸孔开度e=3.5m,4.0m,4.5m 收缩水深 单宽流量 下游水深 共轭水深 共轭水深均大于下游水深,故均为闸孔

17、自由出流。 4.按宽顶堰上闸孔自由出流相应流量计算公式计算各种闸孔开度情况下的过闸流量(忽略行近流速的影响)。 闸孔开度e=3.5m,4.0m,4.5m 流量 5.闸门开度应为e=4.0m,此时过闸流量与要求的845m3/s几乎一致。 相应的胸墙下缘高程应为20.00+4.0=24.0m。 堰流、闸孔出流问题的求解步骤是否有侧收缩影响堰流闸孔出流 判别堰流和闸孔出流是否有淹没影响是否有淹没影响通过以上的判断, 选择相应的公式和系数。 8-7 某梯形渠道上建一水闸，建闸处渠道为矩形断面，宽度B=12m，已知渠道底宽b=10m，边坡系数m=1.5，粗糙系数n=0.0225，底坡i= 0.0002，

18、每个闸孔宽度b=3m，共三孔，闸前水深H=4m，闸前上游渠道的过水断面积A=64m2，闸门开度e=1m，设收缩断面c-c发生在闸墩后面,试求通过该闸的泄流量Q。1.判别是堰流还是闸孔出流闸孔出流2.按宽顶堰上闸孔出流选用相应的公式以及系数3.判别属于自由出流还是淹没出流 淹没出流4.闸孔淹没出流流量计算 8-8 某矩形断面排水渠道上有一单孔弧形闸门，闸下游同一陡坡渠道相联接，已知上游水深H=3m，弧形闸门门轴高C=4m，闸门半径R=5m，闸门开度e=1m时，下泄流量Q=19.2m3s，试求闸孔宽度b。1.判别是堰流还是闸孔出流闸孔出流2.按宽顶堰上闸孔出流选用相应的公式以及系数下游为陡坡，必为自由出流习题1：如图所示为一带底坎的宽顶堰上的单孔进水闸，已知上游水深H1=3.1m，下游水深ht=2.125m，上游坎高P1=0.6m，闸孔宽b=6m，前渠宽度B0=9.6m，求:(1)当闸孔开度e=1.0m时，通过的流量为多少？(2)当闸孔开度e=1.75m时，通过的流量为多少？（只做两次近似计算）注：宽顶堰的侧收缩系数取0.847流量系