水力学系统讲义第八章1-堰流及闸孔出流

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δ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δ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）堰流的判别标标准对于堰流来讲讲即使是同一一个堰，当堰堰前水头H变化时，堰流流类型也会相相应变化。堰流类型取决决于堰宽与堰堰前水头之比比δ/H。闸孔出流的主主要特征量闸宽b、闸门开度e、闸前水头H、闸底板及闸墩墩结构、下游游水深ht等。常见见的的闸闸孔孔有有实实用用堰堰上上闸闸孔孔和和宽宽顶顶堰堰上上闸闸孔孔两两种种。。堰流流和和闸闸口口出出流流的的判判别别标标准准宽顶顶堰堰式式闸闸坝坝实用用堰堰式式闸闸坝坝同一一个个建建筑筑物物上上，，在在不不同同运运行行工工况况下下有有时时会会形形成成堰堰流流，，有有时时则则会会形形成成闸闸孔孔出出流流。。自由由溢溢流流和和淹淹没没溢溢流流水流流通通过过堰堰、、闸闸时时，，在在堰堰下下游游和和闸闸后后形形成成急急流流和和水水跃跃。。下游游水水深深ht足够够大大时时形形成成淹淹没没式式水水跃跃，，也也即即形形成成淹没没溢溢流流。此时时下下游游水水深深ht对堰、、闸闸的的过过水水能能力力产产生生影影响响。。下游游水水深深不不影影响响堰堰、、闸闸过过水水能能力力时时的的堰堰流流和和闸闸孔孔出出流流称称为为自由由溢溢流流。在相相同同的的上上游游水水头头作作用用和和闸闸门门开开度度情情况况下下，，淹没没溢溢流流的的流流量量比比自自由由溢溢流流的的流流量量小小。侧收收缩缩影影响响上游游来来流流的的水水面面宽宽度度和和堰堰的的净净宽宽是是不不相相等等的的。。边边墩墩和和闸闸墩墩将将迫迫使使过过堰堰水水流流产产生生横横向向收收缩缩。。有无无侧侧收收缩缩影影响响的的判判别别标标准准：：§8-2堰流流的的基基本本公公式式无侧侧收收缩缩影影响响和和淹淹没没影影响响的的宽宽顶顶堰堰为为例例推推导导堰堰流流的的基基本本公公式式对无无侧侧收收缩缩影影响响的的单单孔孔宽宽顶顶堰堰流流，，堰堰宽宽为为b，则流流量量为为对薄薄壁壁堰堰、、实实用用堰堰均均适适用用，，对对不不同同堰堰流流，，流流量量系系数数m的变变化化规规律律和和表表达达式式不不同同。。堰流流自自由由溢溢流流的的基基本本公公式式直角角三三角角形形薄薄壁壁堰堰流流量量公公式式H以m计，，Q以m3/s计，，该该式式适适用用范范围围为为H=0.06-0.55m。考虑虑侧侧收收缩缩影影响响和和淹淹没没影影响响的的堰堰流流基基本本公公式式当堰宽宽小于于上游游来流流宽度度或堰堰顶设设有边边墩或或闸墩墩时，，应考考虑侧侧收缩缩影响响：当下游游水深深较大大以致致形成成淹没没溢流流时，，还应应考虑虑淹没没影响响：流量系系数、、侧收收缩系系数和和淹没没系数数的变变化规规律薄壁堰堰流对有侧侧收缩缩影响响但无无淹没没影响响的矩矩形薄薄壁堰堰B0为引水水渠宽宽，b为堰宽宽，P为堰顶顶高程程与上上游堰堰底高高程之之差。。矩形薄薄壁堰堰在自自由溢溢流时时，流流量系系数m0大体上上为0.42左右。。在形成成淹没没溢流流时，，下游游水面面波动动较大大，溢溢流很很不稳稳定，，一般般情况况下量量水用用的薄薄壁堰堰不宜宜在淹淹没条条件下下工作作。对于无无测收收缩的的单孔孔矩形形薄壁壁堰实用堰堰流曲线型型实用用堰和和折线线型实实用堰堰曲线型型实用用堰堰堰顶曲曲线的的设计计依据据：根据据矩形形薄壁壁堰在在设计计水头头Hd时自由由溢流流水舌舌的下下缘形形状来来确定定。实际水水头大大于设设计水水头，，水舌舌将偏偏离堰堰面与与堰面面间形形成一一定程程度的的真空空，流流量系系数会会相应应增加加；实际水水头小小于设设计水水头，，水舌舌将贴贴压堰堰面使使堰面面压力力增大大，流流量系系数相相应减减小；；对上游游面垂垂直的的WES剖面堰堰：对克-奥剖面面堰：：克-奥剖面面堰：：m=0.49WES剖面堰堰:m=0.502折线型型实用用堰梯形实实用堰堰的流流量系系数m与P/H（相对堰堰高））、δ/H（相对堰堰宽））以及及上下下游堰堰面倾倾斜角角θ1、θ2有关。。根据表表8.2.1可以查查出梯梯形实实用堰堰的流流量系系数m。实用堰堰的侧侧收缩缩系数数有侧收收缩影影响时时实用用堰自自由出出流的的流量量公式式ζcr和ζ0是根据据边墩墩和中中敦形形状决决定的的系数数。由由图8.2.5及表8.2.2查得。。适用条条件hs为下游游水位位超过过堰顶顶的高高度实用堰堰淹没没溢流流的判判别及及淹没没系数数实用堰堰发生生淹没没溢流流的条条件下游水水位超超过堰堰顶下游发发生淹淹没式式水跃跃实用堰堰下游游发生生淹没没式水水跃的的条件件z为上下下游水水位差差，P2为堰顶顶与堰堰下游游底板板的高高程差差。临界值值(z/P2)cr与相对对水头头H/P2和流量量系数数m有关。。可由由图8.2.7查得。。实用堰堰的淹淹没系系数σs可由表表8.2.3查得。。hs为下游游水面面超过过堰顶顶的高高度宽顶堰堰流流量系系数m与堰的的进口口形式式以及及堰的的相对对高度度P1/H有关。。对矩形形有直直角前前沿进进口的的宽顶顶堰，，别列列津斯斯基公公式对矩形形带圆圆角前前沿进进口的的宽顶顶堰，别列列津斯斯基公公式当P1/H=3.0时，m值最小小，m分别为为0.32和0.36;当P1=0时，m值最大大，都都为0.385；适用范范围均均为当P1/H>3.0时，带带直角角前沿沿进口口的宽宽顶堰堰，流流量系系数用用m=0.32；带圆角角前沿沿进口口的宽宽顶堰堰，流量量系数数用m=0.36。有直角角前沿沿进口口带圆角角前沿沿进口口宽顶堰堰的侧侧收缩缩系数数宽顶堰堰的淹淹没溢溢流的的判别别当下游游水位位较低低时(低于K-K线)，堰顶顶收缩缩水深深hc小于临临界水水深hcr，堰顶水水流为为急流流，下下游水水深不不影响响堰的的过水水能力力，为为自由由溢流流。与实用用堰相相同当下游游水位位稍高高于k-k线时，，堰顶顶出现现波状状水跃跃，此此时hc仍小于于hcr，下游水水深仍仍不影影响堰堰的过过水能能力。。当下游游水位位再升升高，，以至至收缩缩断面面被淹淹没，，收缩缩断面面处水水深hc已大于于临界界水深深hcr，堰顶水水流为为缓流流，这这时，，下游游的干干涉波波能向向上传传播，，下游游水位位已对对过堰堰流量量产生生影响响，形形成宽宽顶堰堰淹没没出流流。形成宽宽顶堰堰淹没没溢流流的条条件hs为下游游水位位超过过堰顶顶的高高度。。淹没系系数与与hs/H0有关，，可由由表8.2.4查得。。无坎宽宽顶堰堰流对于多多孔无无坎宽宽顶堰堰流,流量系系数m按下式式计算算:n为堰孔孔数目目；mm中孔的的流量量系数数；ms边孔的的流量量系数数。流量系系数mm和ms由表8.2.5中查出出。表8.2.5中的流流量系系数已已包括括侧收收缩影影响在在内。无坎宽宽顶堰堰淹没没溢流流的判判别标标准与与宽顶顶堰流流相同同；淹淹没系系数的的取值值也由由表8.2.4确定。。例8.2.1某河进进水闸闸底板板高程程与上上游河河床高高程相相同，，均为为5.0m，闸孔共共28个，孔孔宽10.0m,闸墩厚厚d=1.6m,墩头为为半圆圆形，，边墩墩为1/4圆弧，，圆弧弧半径径r=1.9m，闸上游游河宽宽B0=327.0m，闸全开开，上上游水水位9.0m，当下游游水位位为5.0m时，求求过闸闸流量量。(含侧收收缩的的流量量系数数m=0.3688。)用H代替H0下游水水位与与堰顶顶齐平平，故故过闸闸水流流为无无坎宽宽顶堰堰自由由溢流流，无无坎宽顶顶堰侧侧收缩缩系数数已计计入在在流量量系数数内。。例8.2.2某河进进水闸闸底板板高程程与上上游河河床高高程相相同，，均为为5.0m，闸孔共共28个，孔孔宽10.0m,闸墩厚厚d=1.6m,墩头为为半圆圆形，，边墩墩为1/4圆弧，，圆弧弧半径径r=1.9m，闸上游游河宽宽B0=327.0m，闸全开开，上上游水水位9.0m，求下游游水位位升至至8.6m时流量量为多多少？？宽顶堰堰淹没没溢流流由表8.2.3查得淹没系系数§8-3闸孔出出流的的基本本公式式当下游游水位位较低低，使使闸孔孔下游游发生生远驱驱式水水跃，，下游游水位位不影影响闸闸孔流流量为为自由出出流。宽顶堰堰上的的闸孔孔出流流当下游游水位位较高高，使使闸孔孔下游游发生生淹没没式水水跃，，以至至影响响闸孔孔出流流时，，为淹没出出流。自由出出流对断面面1-1和收缩缩断面面c-c列能量量方程程宽顶堰堰式闸闸孔出出流的的流速速系数数φ值可查查表8.3.1收缩断断面水水深ε1为垂向向收缩缩系数数，过过闸水水流垂垂向收收缩的的程度度。令流量量系数数闸孔自自由出出流流流量公公式μ0也为流流量系系数，，由试试验确确定。。平板闸闸门的的流量量系数数流速系系数φ和垂向向收缩缩系数数ε1由查表表确定定。μ0按下列列经验验公式式确定定：弧形闸闸门的的流量量系数数流速系系数φ和垂向向收缩缩系数数ε1由查表表确定定。μ0按下列列经验验公式式确定定：淹没出出流当下游游水深深ht大于收收缩断断面水水深hc的共轭轭水深深hc``时，闸闸孔下下游发发生淹淹没水水跃，，下游游水深深影响响闸孔孔流量量，即即为淹淹没出出流。。宽顶堰堰闸孔孔淹没没出流流的条条件明渠水水跃共共轭水水深公公式σs为宽顶顶堰闸闸孔出出流的的淹没没系数数闸孔淹淹没出出流流流量公公式淹没系系数σs例8.3.1有一渠渠道上上的节节制闸闸，装装有平平板闸闸门，，闸前前水深深H＝3.0m，闸孔净净宽b＝3.0m，闸门开开启高高度e＝0.60m，下游渠渠道水水深ht＝2.50m，流速系系数φ＝0.95，求过闸闸流量量（不不计行行近流流速））。闸孔出出流查表8.3.2得垂向向收缩缩系数数闸孔淹淹没出出流实用堰堰上的的闸孔孔出流流自由出出流当下游游水位位低于于堰顶顶，不不影响响闸孔孔出流流。实用堰堰上的的闸孔孔自由由出流流无收收缩断断面。。实用堰堰闸孔孔自由由出流流流量量公式式流量系系数μ0按经验验公式式计算算平板闸闸门：：弧形闸闸门：：适用范范围：：淹没出出流当下游游水位位超过过实用用堰的的堰顶顶时，，下游游水位位将影影响闸闸孔的的泄流流量，为淹淹没出出流。。实用堰堰上闸闸孔淹淹没出出流流流量公公式例8.3.2某水库溢溢流坝采采用实用用堰，堰堰顶设平平板闸门门，共7孔，每孔孔宽b=10m，闸门开启启高度e=2.5m，堰顶高程程为43.36m，水库水位位50.00m，下游水位位低于堰堰顶，求求通过溢溢流坝的的流量（（不计行行近流速速水头））。闸孔出流流下游水位位低于堰堰顶，为为自由出出流闸前水深深实用堰上上闸孔自自由出流流流量公公式§8-4堰流、闸闸孔出流流的典型型问题已知水工工建筑物物的形状状、尺寸寸,在一定的的上游水水位情况况下,求堰、闸闸的过水水能力。。已知堰、、闸的形形状及尺尺寸,当Q一定时,求相应的的上游水水头。已知堰、、闸的上上游水位位,在要求通通过一定定流量Q的情况下下,对堰、闸闸形状和和尺寸进进行设计计(孔数n及净宽b等)。例8.4.1某灌溉渠渠道进水水闸如图图所示。。进水闸闸共2孔,每孔3.0m,闸后接一一引水渠渠,渠底坡i=0.0008,梯形断面面的底宽宽7.0m,边坡系数1.5,粗糙系数n=0.03,若考虑侧收收缩影响后后的流量系系数为0.32,求上游水位位为6.5m时引入渠中中的流量Q。1.按图所示,闸门开度e=1.35m,水头H=(6.5-5.0)=1.5m,则e/H=0.9>0.65,故为堰流；；2.由于δ/H=10.5/1.5=7,故为宽顶堰堰流；3.考虑侧收缩缩影响后的的流量系数数为0.32；4.按宽顶堰自自由溢流公公式计算流流量(忽略行近流流速水头的的影响)。由明渠均匀流流公式正常水深h0=1.6m下游水位需考虑淹没没影响。宽顶堰淹没没出流公式式与明渠均均匀流公式式联立求解解下游水位位，然后再再计算流量量。例8.4.2某水库的泄泄洪闸如图图所示。共共4孔每孔宽6.0m,闸底板高程程为20m,设计流量为为845m3/s,相应的下游游水位为25.78m,设上游水位位已定为35.0m,问胸墙下缘缘的高程应应为多少?1.判别是堰流流还是闸孔孔出流,首先假定e=3.5m,4.0m,4.5m,注意到闸前前水头H=35.0-20.0=15.0m,则有闸孔开度e=3.5m,4.0m,4.5m闸孔相对开开度e/H=0.233,0.267,0.30因为e/H均小于0.65,故均为闸孔孔出流。2.按宽顶堰上上闸孔出流流选用相应应的公式以以及系数。。垂向收缩系系数ε1及流速系数数φ可分别由表表8.3.2和表8.31查得。当e=3.5m,4.0m,4.5m时,ε1=0.621,0.623,0.625。流速系数均均取φ=0.9。3.判别属于自自由出流还还是淹没出出流。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均大于下游游水深,故均为闸孔孔自由出流流。4.按宽顶堰上上闸孔自由由出流相应应流量计算算公式计算算各种闸孔孔开度情况况下的过闸闸流量(忽略行近流流速的影响响)。闸孔开度e=3.5m,4.0m,4.5m流量5.闸门开度应应为e=4.0m,此时过闸流流量与要求求的845m3/s几乎一致。。相应的胸墙墙下缘高程程应为20.00+4.0=24.0m。堰流、闸孔孔出流问题题的求解步步骤是否有侧收收缩影响堰流闸孔出流判别堰流和和闸孔出流流是否有淹没没影响是否有淹没没影响通过以上的的判断,选择相应的的公式和系系数。8-7某梯形渠道道上建一水水闸，建闸闸处渠道为为矩形断面面，宽度B=12m，已知渠道底底宽b=10m，边坡系数m=1.5，粗糙系数n=0.0225，底坡i=0.0002，每个闸孔宽宽度b=3m，共三三孔孔，，闸闸前前水水深深H=4m，闸前前上上游游渠渠道道的的过过水水断断面面积积A=64m2，闸门门开开度度e=1m，设收收缩缩断断面面c-c发生生在在闸闸墩墩后后面面,试求求通通过过该该闸闸的的泄泄流流量量Q。1.判别别是是堰堰流流还还是是闸闸孔孔出出流流闸孔孔出出流流2.按宽宽顶顶堰堰上上闸闸孔孔出出流流选选用用相相应应的的公公式式以以及及系系数数3.判别别属属于于自自由由出出流流还还是是淹淹没没出出流流淹没没出出流流4.闸孔孔淹淹没没出出流流流流量量计计算算8-8某矩矩形形断断面面排排水水渠渠道道上上有有一一单单孔孔弧弧形形闸闸门门，，闸闸下下游游同同一一陡陡坡坡渠渠道道相相联联接接，，已已知知上上游游水水深深H=3m，弧形形闸闸门门门门轴轴高高C=4m，闸门门半半径径R=5m，闸门门开开度度e=1m时，，下下泄泄流流量量Q=19.2m3s，试求求闸闸孔孔宽宽度度b。1.判别别是是堰堰流流还还是是闸闸孔孔出出流流闸孔孔出出流流2.按宽宽顶顶堰堰上上闸闸孔孔出出流流选选用用相相应应的的公公式式以以及及系系数数下游游为为陡陡坡坡，，必必为为自自由由出出流流习题题1：如如图图所所示示为为一一带带底底坎坎的的宽宽顶顶堰堰上上的的单单孔孔进进水水闸闸，，已已知知上上游游水水深深H1=3.1m，下游游水水深深ht=2.125m，上游游坎坎高高P1=0.6m，闸孔孔宽宽b=6m，前渠渠宽宽度度B0=9.6m，求:(1)当闸闸孔孔开开度度e=1.0m时，，通通过过的的流流量量为为多多少少？？(2)当闸闸孔孔开开度度e=1.75m时，，通通过过的的流流量量为为多多少少？？（（只只做做两两次次近近似似计计算