第八章-堰流-闸孔出流.讲义

1、1,水力学,2,堰、闸作用：引水、泄洪、调节流量和水位。,第八章 堰流、闸孔出流,堰流,闸孔出流,5,闸门部分开启时，水流受到闸门、胸墙的约束，从闸孔流出的水流现象。,闸孔出流,特点：过水断面因受闸门开度的限制，上、下游水面不连续。,6,堰流,闸门完全开启时，闸门对水流无约束，水流自由下泄的现象。,特点：上、下游水面光滑连续。,7,堰流、闸孔出流共同点,1、水流或多或少受到水闸或溢流坝等建筑物的约束，从而壅高上游水位。,2、过堰、过闸水流属于明渠急变流。,、水头损失主要是局部水头损失。,8,堰、堰流的参数,堰顶水头,上游堰高,下游堰高,堰顶厚度,行近流速,9,堰流、闸孔出流的判别,对平底堰,对

2、曲线型堰,为闸孔出流；,为堰流。,为闸孔出流；,为堰流。,10,第一节 堰流的类型及其计算公式,一、堰流的类型,不同类型的堰，有不同的外形、水头损失、过水能力。,堰顶厚度对堰流影响最为重要。因此，常根据堰顶厚度与堰顶水头比值大小划分堰流。,11,1、薄壁堰,堰顶水舌形状不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线的接触，水面呈单一的自由降落曲线。,12,2、实用堰,过堰水流主要受重力作用自由跌落。水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的顶托。,13,3、宽顶堰,堰顶对水流的顶托作用明显，在进口处上产生明显的水面跌落现象，堰顶水流在垂向上收缩。,14,二、堰流基本公式,断面0、1能量方程：,堰有不同

3、的类型，但堰流基本公式一致。,1、堰流基本公式,15,其中，,令,16,令,流速系数,流量系数,堰流基本公式,17,若下游水位较高，使堰的过水能力较小，此时的堰流称为淹没出流，反之，为自由出流。,2、堰流基本公式进一步讨论,若堰顶的过流宽小于上游河宽，此时的堰流出现有侧收缩，反之，为无侧收缩。,淹没系数,侧收缩系数,淹没出流,有侧收缩,18,（1）自由出流,19,自由出流特点：两次降落，一次微升；收缩断面后的堰顶水流为急流。,形成原因：堰前的缓流受到堰坎在垂直方向上的顶托作用。,第一次降落,范围：水流进堰至收缩断面之间。,20,水面微升,形成原因：收缩断面处的水深小于临界水深，之后形成C型壅水

4、曲线。,范围：收缩断面后一定范围内，发生在堰顶。,21,第二次降落,形成原因：水流出堰时，水深接近临界水深，而下游水深较小（小于临界水深）。,范围：水流出堰后与下游水面线衔接。,22,（2）淹没出流,23,淹没出流特点：,整个堰上水流为缓流。,24,第二节 薄壁堰流的水力计算,薄壁堰的水头与流量之间关系稳定，因此，它常作为实验室、明渠中量水的工具。,小型河道上，可用叠梁闸门挡水，可视其为薄壁堰。,25,薄壁堰的堰口形状有矩形、三角形、梯形等。,26,一、矩形薄壁堰流,1、用作量水的矩形薄壁堰应满足的要求,为保证出流稳定，堰顶水头 。,水舌下面与大气相通。,堰流无侧收缩，为自由出流。,27,2、

5、矩形薄壁堰流量公式,薄壁堰通过测量堰顶水头 来推算流量，因此，其流量公式需由堰流基本公式改写。,28,其中，流量系数 通过实验确定。,也可由经验公式计算：,适用范围,经验公式1：,29,适用范围：,经验公式2：,例8.1,30,二、三角形薄壁堰流,测量较小流量时，为增大水头，以提高测量精度，常采用三角形薄壁堰。,31,三角形薄壁堰流量公式：,当堰口夹角 时，,当堰口夹角 时，,或,32,第三节 实用堰流的水力计算,工程上，实用堰最常见，常用来挡水、泄水。,实用堰流量公式：,对于高堰（ ），常用混凝土浇筑，堰顶制成曲线型。,对于低堰（ ），常用条石砌筑，堰顶制成折线形。,侧收缩系数,淹没系数,单

6、孔净宽,闸孔数,流量系数,33,闸墩,边墩,边墩,闸墩,34,一、曲线型实用堰的剖面形状,35,直线段 、 的坡度根据坝体的稳定性、强度确定。,36,圆弧段 ：将过堰水流与下游河道水流平稳连接，以减小对河床冲刷，有利于消能。,37,曲线段 对堰过流能力、堰顶压强和流速分布影响较大，是曲线型实用堰设计的关键。,38,曲线段 设计要求：,堰面不应出现过大的负压；,较大的过流能力；,坝体稳定、经济。,39,堰面压强等于大气压。,堰面压强大于大气压。,堰面压强小于大气压。,40,国内外对曲线段 进行了大量实验研究。,两种典型的堰的剖面形状：克奥剖面、 剖面。目前我国多采用后者。,41,42,二、 实用

7、堰的流量系数,若 ， ，查图8-12曲线（a） 。,若 ， ，查图8-12曲线（a） 。,若 ， 。,当堰上游面垂直，且 时，,43,查图8-12曲线(b) 、(c) 、(d)、(e) 。,当堰上游面垂直，且 时，,44,三、侧收缩系数,侧收缩系数经验公式：,边墩形状系数，,闸墩形状系数。,堰孔数，,堰宽，,45,边墩形状系数 与边墩头部形式和进水水流方向有关。,46,闸墩形状系数 与闸墩墩头形式、 、闸墩墩头与堰上游面的相对位置有关。查图8.14。,47,四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水能力的影响,1、曲线型实用堰的淹没条件,下游水位高于堰顶（ ）；,48,堰下游发生淹没水跃。,4

8、9,用淹没系数综合反映上述1、2对堰的过流能力的影响：,2、护坦高程对过水能力的影响,护坦高程较高（ 较小）时，也会降低堰的过水能力。,上述关系反映在图8.16中。,50,五、曲线型低堰的水力设计简介,上游堰墙垂直的WES剖面设计步骤：,Step1 确定设计水头 ，上下游堰高， 的边坡系数 及夹角 ，反弧半径 。,为最大上下游水位差,51,52,由 及 得,Step3 根据曲线 与 在 点相切，确定 点坐标 。,53,Step4 根据圆弧段 在 点与 相切，确定 点坐标 。,54,Step5 确定 点坐标 。,55,Step6 确定 点坐标 。,56,例：8.3,57,例：习题8.2,已知：

9、， ， ， ， ， 。,求：,58,本例属于自由出流，,解：,侧收缩系数：,流量系数：,属于高堰，故不计行近流速水头，,59,由 得,解得,60,六、折线型实用堰,小型溢流坝，为了取材、施工方便，常采用折线型实用堰，且梯形断面较多。,61,折线型实用堰的侧收缩系数、淹没系数可近似按曲线型实用堰计算。,折线型实用堰的流量系数可查表得出。,62,0.33,0.34,0.35,0.35,0.36,0.37,0.38,0.36,0.38,0.39,0.4,0.36 0.35,0.34,0.35,0.37,0.36,0.38,0.39,0.4,0.38,0.4,0.41,0.42,0.4 0.38,流量

10、系数,10,5,3,0,0,0,0,2,1,0,0,0.5,堰下游坡度,0,0,0,10,5,4,3,0,0,2.0,1.0,0.5,堰上游坡度,12,23,35,折线型实用堰的流量系数,=0.4 1,=1 2,63,第四节 宽顶堰流的水力计算,宽顶堰， 。,有坎宽顶堰,宽顶堰的例子：,过堰水流在垂直方向上收缩。,64,无坎宽顶堰,过堰水流在水平方向上（侧向）收缩。,65,宽顶堰流量公式：,当 时，,当 时，,1、对直角进口堰,一、流量系数,66,2、对修圆进口堰,当 时，,当 时，,67,二、侧收缩系数,其中， 为考虑墩头和堰顶入口形状的系数 。,矩形闸墩（边墩）、直角入口堰顶， ；,弧形闸

11、墩（边墩）， 。,（一）单孔侧收缩系数,注意应用条件。,68,（二）多孔侧收缩系数,其中，,中孔,边孔,69,三、宽顶堰的淹没条件、淹没系数,70,实验表明：宽顶堰的淹没条件为,宽顶堰的淹没系数 与 有关，查表8.2。,71,四、无坎宽顶堰流,无坎宽顶堰流形成：堰宽小于上游河宽，水流产生侧向收缩。,72,不单独计算无坎宽顶堰流的侧向收缩系数 ，其影响并入流量系数中，即,考虑了侧向收缩系数的流量系数。,无坎宽顶堰流量公式,无坎宽顶堰流的的流量系数 根据不同情况，查表8.3，8.4，8.5。,73,例8.5已知：、。,计算。,74,第六节 闸孔出流的水力计算,工程上的水闸，闸底坎有宽顶堰、曲线型实

12、用堰两种；闸门有平板闸门、弧形闸门两种。,闸孔出流水力计算的任务：,已知闸前水头、闸门开度，求泄流量；,已知泄流量，求闸前开度。,底坎与闸门的不同组合，形成不同形态的闸孔出流，使得其计算难度较堰流困难，精度也低。,75,一、底坎为宽顶堰的闸孔出流,形成自由出流条件：,76,形成淹没出流条件：,77,1、宽顶堰底坎自由出流的水力计算,列写断面 、 能量方程：,78,流速系数,垂向收缩系数,流量系数,流量系数,79,取值与底坎形式、闸门类型、闸门开度有关。,宽顶堰型闸孔自由出流的计算公式,的影响因素:,（1）流速系数,（2）垂直收缩系数,取值与底坎形式、闸门类型有关。,80,计算 的经验公式：,（1）平底上的平板闸孔,（2）平底上的弧形闸孔,适用： ，,其中，,81,例 8.7,82,2、宽顶堰底坎淹没出流的水力计算,宽顶堰底坎自由出流公式,宽顶堰底坎淹没出流公式,淹没系数，查图8.35,83,图8.35,0,0.1,0.2,1.0,0.1,0.2,1.0,84,例8.8,已知：平底堰。 ， ， ， 。,求：,85,解题思路：,Step1 判断是闸孔出流还是堰流。,属于闸孔出流。,Step2 判断是闸孔自由出流还是淹没出流。,由 查表8.8得侧收缩系数,收缩水深,计算与 相应的共轭水深 ：,86,，属于闸孔淹没出流。,由此查图8.35得淹没系数：,Step3 计算流量系数 。,