水力学堰流及闸孔出流2015

第八章 堰流和闸孔出流第一节 概述一、堰流及闸孔出流的概念堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部自由下泄。

闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。

二、堰流及闸孔出流的水流状态比较1、堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。

由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。

2、堰流和闸孔出流的相同点：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一种水流运动，都是从势能转化为动能的过程。

都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。

3、堰流和闸孔出流的转化： 闸底坎为平顶堰时：65.0≤H e 时为闸孔出流；65.0>He时为堰流。

闸底坎为曲线型堰时：75.0≤He 时为闸孔出流；75.0>H e时为堰流。

式中，e 为闸孔开度；H 为从堰顶算起的闸前水深。

第二节 堰流的类型及水力计算公式一、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。

堰前断面距上游壁面的距离：H l )5~3(= 1．薄壁堰流：67.0<Hδ，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。

此时堰顶常为锐缘形。

2．实用堰流：5.267.0<<Hδ，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。

常用曲线形或折线形。

H 01V 堰顶宽度为b ，水舌厚度为0kH （k 为堰顶水流垂向收缩系数），则：2/302/3001010221)1(21H g mb H g b k gH bkH bV kH Q =-=-+==ξϕξςα式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。

2/30H Q ∝。

流量系数：),,(ξϕk f m =，还与堰的边界条件有关。

自由出流/淹没出流； 有侧收缩堰/无侧收缩堰。

则：2/3012H g mb Q s εσ=第三节 薄壁堰流的水力计算一般用作量水工具。

第九章 堰流与闸孔出流9.1堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？答：堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。

薄壁堰流的特点：当水流趋向堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状，不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线。

实用堰流的特点：由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。

宽顶堰流的特点：堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显。

进入堰顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过流断面逐渐减小，流速增大，在进口处形成水面跌落。

此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行。

9.2堰流计算的基本公式及适用条件？影响流量系数的主要因素有哪些？答：堰流计算的基本公式为23s H g 2mb Q εσ=，适用于矩形薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流。

影响流量系数m 的主要因素有局部水头损失、堰顶水流垂向收缩的程度、堰顶断面的平均测压管水头与堰上总水头之间的比例关系。

9.3 用矩形薄壁堰测量过堰流量，如何保证较高的测量精度？ 答：（1）上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶；（2）堰顶水头不宜过小，一般应使H>2.5m ，否则溢流水舌受表面张力作用，使得出流不稳定；（3）水舌下面的空气应与大气相通，否则溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，会导致出流不稳。

9.4 基本的衔接与消能措施有哪几种？各自的特点是什么？ 答：基本的衔接与消能措施有底流消能，挑流消能，面流消能。

底流消能：底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃的发生位置，通过水跃产生的表面旋滚的强烈紊动以达到消能的目的。

挑流消能：在泄水建筑物末端设置挑流坎，因势利导将水股挑射入空气中，使水流扩散并与空气摩擦，消耗部分动能，然后当水股落入水中时，又在下游水垫中冲击、扩散，进一步消耗能量。

面流消能：当下游水深较大而且比较稳定时，可将下泄的高速水流导向下游水流的表层，主流与河床之间被巨大的底部旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷。

堰流与闸孔出流1、区别薄壁堰、实用堰和宽顶堰，只取决于堰壁厚度δ。

（ ）2、其它条件相同时，实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数。

（ ）3、对于实用堰与宽顶堰，只要下游水位不超过堰顶时，就一定是自由出流。

（ ）4、堰顶厚度δ与堰上水头H 0之比满足0.67＜0H δ＜2.5时的堰流为实用堰流 。

（ ）5、只要下游水位超过宽顶堰的堰顶，一定产生淹没出流。

（ ）6、在无坎宽顶堰的计算中没有侧收缩系数，是因为没有侧收缩影响。

（ ）7、推导闸孔出流公式时，沿程水头损失可以忽略不计。

（ ）8、当堰上水头为2米，堰宽为30米时，该堰为宽顶堰。

（ ）9、小桥过流的淹没出流条件k t h h '≥3.1与宽顶堰的淹没出流条件08.0H h s ≥不同。

（ ）10、对于闸孔出流，当闸门开度e 与上游水深H 之比75.0>H e 时，闸孔出流转化为堰流。

（ ）11、对于薄壁堰，在堰宽b 、堰高P 和堰上水头H 相同的情况下，完全堰的过流能力比侧收堰的过流能力大。

（ ）12、当其它条件相同时，薄壁堰的流量大于实用堰的流量。

（ ）13、当无侧收缩薄壁堰下游无通气孔时，其流量小于有通气孔的情况。

（ ）14、当实用堰上游面坡度改变时，其流量系数不变。

（ ）15、当堰上水头为2米，堰宽为1.0米时，该堰为薄壁堰。

（ ）正确的划“√”，错误的划“×”泄水建筑物下游的水流衔接与消能1、底流消能消力池深度是以通过的最大流量作为设计流量的（ ）2、底流消能设计中，取最大流量作为设计流量时，消力池的深度也最大。

（ ）3、底流消能设计中，取最大流量作为设计流量时，消力池的长度也最大。

（ ）4、设计消力墙时，若选用的坝面流速大于实际的，则计算得到的消力墙高度偏安全。

（ ）5、底流式消力池池深和池长的设计流量都采用最大流量。

（ ）6、底流式消能和挑流式消能是常见的消能方式。

（ ）正确的划“√”，错误的划“×”1、在静止或平衡液体中等压面就是等势面（ ）2、N-S 方程为理想流体运动的微分方程。

第八章 堰流及闸孔出流堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部自由下泄。

闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。

堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。

由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。

堰流和闸孔出流的共同点：A 都是在重力作用下形成的水流运动，都是势能转化为动能的过程；B 流线急剧弯曲，离心惯性力对压强分布及过水能力有一定影响，都是急变流，局部水头损失占主导地位。

堰流和闸孔出流的转化：闸底坎为平顶堰时：65.0≤He 时为闸孔出流；65.0>He 时为堰流。

闸底坎为曲线型堰时：75.0≤He 时为闸孔出流；75.0>He 时为堰流。

式中，e 为闸孔开度；H 为从堰顶算起的闸前水深。

8-1 堰流的类型及计算公式一、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。

堰前断面距上游壁面的距离：H l )5~3(= 1．薄壁堰流：67.0<Hδ，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。

此时堰顶常为锐缘形。

2．实用堰流：5.267.0<<Hδ，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。

常用曲线形或折线形。

3．宽顶堰流：105.2<<Hδ，堰坎厚度对水流的顶托非常明显，进口处水面形成跌落，堰顶有一段水面与堰顶几乎平行，在出口处形成第二次水面跌落。

但仍以局部水头损失为主。

当10>Hδ时，沿程水头损失不能忽略，水流不属于堰流，而是明渠水流。

二、堰流的基本公式用能量方程求解。

列堰前断面与堰顶断面的能量方程：gV pz g V H 2)()(221120ςαγα+++=+，令gV H H 2200α+=为堰上全水头。

0)(H pz ξγ=+则：gV H H 2)(21100ςαξ+=-， 即：)1(21011ξςα-+=gH V堰顶宽度为b ，水舌厚度为0kH （k 为堰顶水流垂向收缩系数），则：2/302/3001010221)1(21H g mbH g b k gH bkH bV kH Q =-=-+==ξϕξςα式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。

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。