第八章-堰流-闸孔出流.讲义

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1、1水力学水力学2堰、闸作用：引水、泄洪、调节流量和水位。第八章第八章 堰流、闸孔出流堰流、闸孔出流堰流堰流闸孔出流闸孔出流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。l闸孔出流闸孔出流闸底板特点：过水断面因受闸门开度的限制，上、下游水面不连续。6l堰流堰流 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。闸底板7l堰流、闸孔出流共同点堰流、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。8l堰、堰流的参数堰、堰流的参数 堰顶水头HH1P2P上

2、游堰高1P下游堰高2P堰顶厚度0 00V堰前断面 0 0行近流速0V9l堰流、闸孔出流的判别堰流、闸孔出流的判别对平底堰 对曲线型堰65.0He为闸孔出流；65.0He为堰流。75.0He为闸孔出流；75.0He为堰流。10第一节第一节 堰流的类型及其计算公式堰流的类型及其计算公式一、堰流的类型一、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。111 1、薄壁堰、薄壁堰 67.0H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线的接触，水面呈单一的自由降落曲线。H薄壁堰H67.0122 2、实用

3、堰、实用堰 5.267.0H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面的接触，水舌受到堰顶的顶托。实用堰HH133 3、宽顶堰、宽顶堰 105.2H堰顶对水流的顶托作用明显顶托作用明显，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。宽顶堰H14二、堰流基本公式二、堰流基本公式jphgVhgVH220211200断面0、1能量方程：堰有不同的类型，但堰流基本公式一致。1、堰流基本公式10基准面0VH1V15gVhj221其中，令0HhpgVHH22000)1(21011gHV1AVQ 10VbkH)1(21010gHbkHQjphgVhgVH2202112001Vbh

4、16)1(21010gHbkHQ令111km流速系数流量系数2/302HgmbQ 堰流基本公式堰流基本公式 2/302HgmbQ 17l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、堰流基本公式进一步讨论 l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1侧收缩系数2/302HgmbQ淹没出流2/3012HgmbQ有侧收缩18（1）自由出流 堰下游水位较低（流能力不受影响。），堰的过0)85.075.0(HhsthshH2P19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

5、的缓流受到堰坎在垂直方向上的顶托作用。l第一次降落范围：水流进堰至收缩断面之间。thshCH20l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型壅水曲线。范围：收缩断面后一定范围内，发生在堰顶。thshCH21l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。thshCH22（2）淹没出流 0)85.075.0(Hhs堰下游水位较高（），使堰的过流能力减小。thCshH23thCsh淹没出流特点：整个堰上水流为缓流。24第二节第二节 薄壁堰流的水力计算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

6、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。矩形薄壁堰Bb三角形薄壁堰Bb26一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流1、用作量水的矩形薄壁堰应满足的要求、用作量水的矩形薄壁堰应满足的要求l为保证出流稳定，堰顶水头 。cmH5.2l水舌下面与大气相通。l堰流无侧收缩，为自由出流。272、矩形薄壁堰流量公式、矩形薄壁堰流量公式2/302HgmbQ 2/320022gVHgmb2/32/3200221HgbgHVm2/302Hgbm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。H28HPHm0007.00

7、53.0403.0102/302 HgbmQ 其中，流量系数 通过实验确定。0m0m也可由经验公式计算：cmH5.221PHmP3.01适用范围经验公式1：29mH6.01.021PHmb22.0适用范围：21055.017200.0540.0PHHHm经验公式2：例例8.130二、三角形薄壁堰流二、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。BbH三角形薄壁堰312/50HCQ 三角形薄壁堰流量公式：21009.02.014.0004.0354.1BHPHC当堰口夹角 时，090当堰口夹角 时，090HctgtgtgC001055.0005.0220195.

8、0553.02361.204.10C或32第三节第三节 实用堰流的水力计算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：2/3012 HgbmnQs对于高堰高堰（），常用混凝土浇筑，堰顶制成曲线型。33.11dHP对于低堰低堰（），常用条石砌筑，堰顶制成折线形。33.11dHP1侧收缩系数s淹没系数b单孔净宽n闸孔数m流量系数33bbb闸墩边墩bbb边墩闸墩34一、曲线型实用堰的剖面形状一、曲线型实用堰的剖面形状dH1P2PABCDEmOr35直线段 、的坡度根据坝体的稳定性、强度确定。ABCDdH1P1PABCDE36圆弧段 ：将过堰水流与下游河道水流平稳连接，以

9、减小对河床冲刷，有利于消能。DEdH1P1PABCDErO 37dH1P1PABCDE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。BC38 曲线段 设计要求：BC 堰面不应出现过大的负压；较大的过流能力；坝体稳定、经济。39BCBC)a()c()b(堰面压强等于大气压。)a()b(堰面压强大于大气压。)c(堰面压强小于大气压。BC40国内外对曲线段 进行了大量实验研究。BC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。WES41dHdHR5.01dHR2.02dHR04.03oxy85.15.0ddHxHyCB剖面WESdH282.0dH276.0

10、dH175.042二、二、实用堰的流量系数实用堰的流量系数 10dHH若 ，查图8-12曲线（a）。dmm dmm 10dHH若 ，查图8-12曲线（a）。WESdmm 若 ，。502.0dm10dHH33.11dHPl当堰上游面垂直，且 时，)(0dHHmm 43查图8-12曲线(b)、(c)、(d)、(e)。33.11dHPl当堰上游面垂直，且 时，),(10ddHPHHmm dHP1dHH0dmm11(a)(b)(c)(b)(e)dHP133.10.167.033.020.0044三、侧收缩系数三、侧收缩系数 侧收缩系数经验公式：bnHKnKpa01121aK边墩形状系数，pK闸墩形状系

11、数。n堰孔数，b堰宽，45边墩形状边墩形状 直角形折线形圆弧形1aK7.0aK7.0aKaK边墩形状系数 与边墩头部形式和进水水流方向有关。46矩形直角形半圆形流线形闸墩墩头形状闸墩墩头形状 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。PKdHH/047四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水四、曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水能力的影响能力的影响 1 1、曲线型实用堰的淹没条件、曲线型实用堰的淹没条件 下游水位高于堰顶（）；0.15/0Hhs0Hsh48 堰下游发生淹没水跃。49用淹没系数综合反映上述1、2对堰的过流能力的影响：2 2、护坦高程对过水

12、能力的影响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。2P),(002HhHPfss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 。dHmCDr)(5.025.0(maxZHrd至maxZ为最大上下游水位差51计算并绘制曲线 。Step2 定出堰顶坐标 及坐标轴 、。由 xOCy85.15.0ddHxHyOdHox85.15.0ddHxHyyCB52177.1096.1mHxdc177.2592.0mHydc85.15

13、.0ddHxHy由 及 得mdxdy1Step3 根据曲线 与 在 点相切，确定 点坐标 。),(ccyxCBCCDCdHoxyCBD53sin)2180()(02rrctgyPmxxccdcos2rrPydStep4 根据圆弧段 在 点与 相切，确定 点坐标 。),(ddyxDCDDDEdH1P2PxBCDEmyOOr54Step5 确定 点坐标 。),(eeyxEsinrxxde2PyedH1P2PxBCDEmyOOr55Step6 确定 点坐标 。),(ooyxoeoxxrPyo2dH1P2PxBCDEmyOOr56例：8.357例：习题8.2已知：，。1nPHH0Q1PthB求：bH1

14、Pth58本例属于自由出流，1s解：侧收缩系数：bnHKnKpa01121b31.101.021b262.01流量系数：502.0dmm33.131.1/8.7/1HP属于高堰，故不计行近流速水头，31.10 HH592/331.12262.0110gbb2/3012 HgbmnQs由 得解得mb27.3060六、折线型实用堰六、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。61H1P12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。620.330.340.350.350.360.370.380.360.380

15、.390.40.36 0.350.340.350.370.360.380.390.40.380.40.410.420.4 0.38流量系数1053000021000.5堰下游坡度00010543002.01.00.5堰上游坡度12 23 35折线型实用折线型实用堰堰的流量系数的流量系数mHP/1H/=0.4 1H/=1 21ctg2ctg63第四节第四节 宽顶堰流的水力计算宽顶堰流的水力计算宽顶堰，。10/5.2Hl有坎宽顶堰有坎宽顶堰thshH宽顶堰的例子：过堰水流在垂直方向上收缩。64Hl无坎宽顶堰无坎宽顶堰过堰水流在水平方向上（侧向）收缩。652/3012 HgbmnQs宽顶堰流量公式：

16、当 时，3/01HPHPHPm/75.046.0/301.032.01132.0m3/1HP当 时，1 1、对直角进口堰、对直角进口堰m一、流量系数一、流量系数 1P662 2、对修圆进口堰、对修圆进口堰当 时，3/01HPHPHPm/5.12.1/301.063.0113/1HP当 时，63.0m1Pr671二、侧收缩系数二、侧收缩系数 BbBbHP1/2.0143101其中，为考虑墩头和堰顶入口形状的系数。019.00矩形闸墩（边墩）、直角入口堰顶，；1.00弧形闸墩（边墩），。（一）单孔侧收缩系数（一）单孔侧收缩系数 注意应用条件。68nn111)1(（二）多孔侧收缩系数（二）多孔侧收缩

17、系数 其中，dbbdbbHP1/2.0143101中孔边孔 212/2.0143101bbbbHPbbb边墩闸墩dd69三、宽顶堰的淹没条件、淹没系数三、宽顶堰的淹没条件、淹没系数 thH宽顶堰的自由出流KKChShthHKCh宽顶堰的自由出流70实验表明：宽顶堰的淹没条件为08.0 HhS宽顶堰的淹没系数 与 有关，查表8.2。S0HhSthH宽顶堰的淹没出流KShh71四、无坎宽顶堰流四、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。BbKK721mm 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1m考虑了侧向收缩系数的流量系数。2/302 Hgb

18、nmQs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。m731PthH0V2P例8.5已知：、。QthH1P2P0V计算。b74第六节第六节 闸孔出流的水力计算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：l已知闸前水头、闸门开度，求泄流量；l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一、底坎为宽顶堰的闸孔出流形成自由出流条件：tChh 其中，Ch 为 相应的跃后水深 ChHtheChC

19、Ch 76形成淹没出流条件：tChh HtheChC淹没出流Ch 771 1、宽顶堰底坎自由出流的水力计算、宽顶堰底坎自由出流的水力计算列写断面 、能量方程：oCgVgVhgVHcccc2202022200ccchHgV021HeChCo0V78ccchHgV021cchHgV02cAVQ eHgebQ2022cbhAeHgbeQ2002002021gHHebeQ02gHbeQc1流速系数ehc2垂向收缩系数20流量系数0201He流量系数79 取值与底坎形式、闸门类型、闸门开度有关。202gHbeQ宽顶堰型闸孔自由出流的计算公式 的影响因素的影响因素:（1）流速系数2（2）垂直收缩系数 取值

20、与底坎形式、闸门类型有关。02gHbeQ80计算计算 的经验公式：的经验公式：（1）平底上的平板闸孔（2）平底上的弧形闸孔He176.06.0He0018081.056.018081.097.0适用：，7.00He009025其中，ReccosHRec81例例 8.78.782 2 2、宽顶堰底坎宽顶堰底坎淹没出流的水力计算淹没出流的水力计算02gHbeQ宽顶堰底坎自由出流公式02gHbeQs宽顶堰底坎淹没出流公式淹没系数，查图8.35HtheChCCh 83ccthHhh s图8.3500.10.21.00.1 0.21.084例例8.88.8已知：平底堰。，。th求：QH0VethbB H

21、e85解题思路：Step1 判断是闸孔出流还是堰流。65.02.0/He属于闸孔出流。Step2 判断是闸孔自由出流还是淹没出流。He/由 查表8.8得侧收缩系数 62.02ehc2收缩水深ch计算与 相应的共轭水深 ：ch m62.086mghVhhcccc91.218122 5.3 tchh，属于闸孔淹没出流。282.0 ccthHhh由此查图8.35得淹没系数：72.0sHe176.06.0085.0Step3 计算流量系数 。87Step4 计算流量。不考虑行近流速水头，实际上，smBHBHQV/38.11.120gVHH2200096.52520gVHH 002gHbeQsgHbes2sm/1.12388 二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流H闸孔出流闸孔出流0189曲线型实用堰上的闸孔出流公式02gHbeQcos375.025.0186.065.0HeHe对平板闸门 He19.0685.0对弧形闸门 适用于 75.0/1.0He或查表8.1090关于曲线型实用堰上闸孔的淹没出流：关于曲线型实用堰上闸孔的淹没出流：l对高堰，一般不会出现淹没出流；l对低堰，当下游发生淹没水跃，且水跃淹没了闸孔的出口时，则认为发生了淹没出流。91闸孔淹没闸孔淹没出流出流H01闸孔自由闸孔自由出流出流H0192P335 习题 8.1 ，8.2 ，8.4 ，8.7