项目七 闸孔出流水力分析与计算

D-2 水闸水力学计算程序作者 陈靖齐（水电部天津勘测设计院） 校核 潘东海（水电部天津勘测设计院）一、概述：（一）水闸过水能力计算的难题是流量系数μ，经验方式很多，各家不同，甚至一本参考书，列出几种公式，几种算例，深入研究流量系数不是本程序范围，本程序仅对现有公式择优选一。

（二）一般计算流量时，不计行进流速V 0=Q/BH ，本程序用迭代法，考虑了V 0，即Q →V 0→H 0，再算Q ，较符合实际过程，精度│△Q │< 0.001m 3/s 。

（三）求e 用迭代法。

二．功能：本程序能计算平底平板闸门、平底弧形闸门、实用堰平板闸门、实用堰弧形闸门四种情况下的流量，闸门开启度e 。

三．公式和算法： （一）流量公式（平底平板闸门可求淹没系数σ） 或（其他三种情况）式中：μ0—流量系数，因闸门形式，底坎形式，相对开度e/H 而异； e —闸门开度（m ）； B —闸门宽（m ）； H 0—闸前水深（m ）； H S —下游水深（m ）；g —重力加速度（9.8m/s 2）。

（二）流量系数：本程序取武水的一套较完整的流量系数公式。

1，平底、平板闸门μ0=0.6-0.176e/H ［清华、武水］（华水多—尾项）2，平底、弧形闸门μ0=0.97-0.56e/H-（1-e/H ）×0.258θ［武水］式中：θ--弧形闸门下缘入流角（弧度值）。

25°≤θ≤90°，0.1≤e/H ≤0.65 R —弧形闸门半径； C —转轴高；02gH eB Q σμ=）（s h h g eB Q -=002μRe c COS -=-1θ3，实用堰上平板闸门4，实用堰上弧形闸门（三）淹没出流问题1，平板平底闸门，淹没系数σ=σ[（hs-hc ″）/（H-hc ）]，其关系为一条曲线，本程序已使其离散和数据化存数据库中，可自动插值。

式中： hs —下游水深（m ）；hc ″—水跃后水深（m ）； hc —收缩断面宽度：hc=ε eFrc=Uc 2/ghc 收缩断面Frude 数e —平板闸门侧收缩系数表，本程序已存数据库中。

水闸水力计算说明一、过流能力计算1.1外海进水外海进水时，外海水面高程取5.11m ，如意湖内水面高程取1.0m 。

中间三孔放空闸，底板高程为-4.0m ，两侧八孔防潮闸底板高程为2.0m ，每孔闸净宽度为10m 。

表2 内海排水时计算参数特性表1.1.1中间三孔放空闸段 a.判定堰流类型27.511.948==Hδ式中δ为堰壁厚度，H 为堰上水头。

2.5＜5.27＜10，为宽顶堰流。

b.堰流及闸孔出流判定11.95=H e =0.549≤0.65，为闸孔出流。

式中，e 为闸门开启高度，H 为堰、闸前水头。

c.自由出流及淹没出流判定闸孔出流收缩断面水深h c=ε1e=5.0×0.650=3.25m 。

式中，e 为闸门开启高度，为5.0m ；ε1为垂向收缩系数，查《水利计算手册》（2006年第二版）中表3-4-1得0.650。

收缩断面处水流速为υc=)(20c h H g -ϕ=）（25.311.981.9295.0-⨯⨯⨯=10.19m/s 。

式中，ψ为闸孔流速系数，查《水利计算手册》（2006年第二版）中表3-4-3，取0.95；H 0为闸前总水头，为9.11m ； hc 为收缩断面水深。

收缩断面水深hc 的共轭水深hc”=)181(22-+c c c gh h ν=)125.381.919.1081(225.32-⨯⨯+=6.83m ；下游水深ht=5.0m ＜hc”=6.83m ，故为自由出流。

d.过流量计算根据闸孔自由出流流量计算公式Q 1=002gH be μ=11.981.92530503.0⨯⨯⨯⨯⨯=1008.71m³/s 。

式中，μ0为流量系数，平板闸门流量系数可按经验公式 μ0=0.60-0.176He=0.60-0.176×0.549=0.503； b 为闸孔宽度，为3×10=30m 。

1.1.2两侧八孔防潮闸段 a.判定堰流类型43.1511.348==Hδ＞10，过渡为明渠流。

闸孔出流流量计算公式
1 / 1
闸孔出流流量计算公式
1. 计算公式：水力学 P75公式 3-1-4
Q
σs u 0 enb
2gH 0
Q —流量，m 3/s ；
σs —吞没系数。

自由出流时σ s =1；
μ 0—流量系数 , 闸孔自由出流的流量系数，它综合反应闸孔形状和闸门相对开度 e/H 对泄流量的影响；
μ 0，( 应用范围： 0.1 ＜e/H ＜0.65)
e —闸门开启高度；
n —闸孔孔数；
b —闸孔净宽， m ； g —重力
加快
H 0—堰上水头， m ；
在一般状况下，行近流速水头比较小，计算经常忽视，用 H 取代H 0；横向侧缩短对闸孔出流的泄流能力影响较小，一般当计算闸孔泄流量时不予考虑。

吞没系
流量系数
闸孔开
闸孔孔
闸孔净 重力加快
堰上水
流量
度 数 宽 度 数σ
μ
头H(m)
3
s 0
e(m)
n( 个)
b(m)
g(m/s 2
)
Q （m /s ）
1
1。

第八章 堰流及闸孔出流第一节概 述水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。

堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。

一.堰流及闸孔出流的概念既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。

水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。

水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。

二.堰流与闸孔出流的水流状态比较堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。

而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。

对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸孔出流。

堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。

经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。

闸底坎为平顶堰 65.0≤H e 为闸孔出流，65.0>H e 为堰流。

闸底坎为曲线堰 75.0≤H e 为闸孔出流，75.0>H e 为堰流。

式中，H 为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e 为闸门开度。

堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。

泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。

②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。

③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。