8第八章 堰流和闸孔出流

H
二、闸孔出流
• 水流受闸门控制而 从建筑物顶部与闸 门下缘间孔口流出 时，这种水流状态 叫做闸孔出流。
当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面， 闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑 物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
三、堰流和闸孔出流的共同点
(1)从力的角度，堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流 坝等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成 的水流运动。 (2)从能量的观点来看，出流的过程都是一种势能转 化为动能的过程。 (3)这两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯 曲，离心惯性力对建筑物表面的压强分布及建筑 物的过水能力均有一定影响。 (4)都属于明渠急变流,其出流过程的能量损失主要 是局部损失。
• 特征：小桥的底板一般与河床底板齐平。由于桥 墩受侧向收缩的影响，使水流的过水断面变小， 形成局部阻力。水流在桥孔前水位壅高，进入桥 孔后，流速增加，造成水面一次跌落；当水流流 出桥孔后，由于水面变宽，又产生局部阻力，使 水面再一次跌落。 • 计算特点：运用宽顶堰流的理论，水力现象与宽 顶堰水流过程相似。
§8-6 闸孔出流
当闸门对过堰水流有控制作用时为闸孔出流
一、闸门的分类
平板闸门
弧型闸门
实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲 线型实用堰。而且有分为自由出流和淹没出流
二、宽顶堰闸孔出流
闸孔出流受水跃位置的影响可分为自由出流及淹 没出流二种。如图
设收缩水深hc的跃后水深为hc’’。 若ht≤hc’’，则水跃发生在收缩断面处或收缩断面下 游。下游水深的大小不影响闸孔出流，称做闸孔 自由出流 若ht＞hc’’ ，则水跃发生在收缩断面上游，水跃旋 滚覆盖了收缩断面，称为闸孔淹没出流。通过闸 孔的流量随下游水深ht的增大而减小。
水力计算准备
• 已知数据：根据水文资料决定的设计流量Q，按河道 情况决定的对应于设计流量的天然水深H（下游）。 • 设计选定：按河床加固情况以避免冲刷而拟定的最大 允许不冲流速v。 • 主要任务：设计小桥孔径b及桥前水深H。 • 方案评价：小桥孔径愈小，造价愈低，但小桥前抬高 水深就愈大，会影响农田或路基高度。桥下流速也愈 大，使河床加固费用也愈大。反之，小桥孔径愈大， 则桥前水深和桥下流速就会减少，但小桥本身的造价 却增加。因此，最后应以建筑技术、造价经济等方案 比较来决定。 • 出流形式：根据桥下水深与下游水深的不同比值，可 分为自由式出流和淹没式出流两种。
小桥孔径为：
b
Qg 3 v k
自由式出流计算
1. 选定标准孔径 b‘ vk 2. 计算取用标准值后的流速 v‘k：
vk
3
b b
3. 再计算相应桥孔b‘中的水深h’k，判定所选 2 v 标准孔径b‘中的水流出流形式 hk k
g
4. 将其与H2作比较，如果是淹没式，则应按 淹没式重新计算。如果仍是自由式，可继 续计算桥上游壅水深度H。 5. 壅水深度H： H v h v v h v
/ H 0.67
0.67 / H 2.5
实用堰
宽顶堰
2.5 / H 10
当δ/H>10时,为明渠流
其它分类
按下游水位是否影响堰流性质分: 自由式出流——当下游水深较小而不影响堰顶正 常出流； 淹没式出流——当下游水深较大且已经影响到了 堰顶的正常出流。 按上游渠道宽度B与堰宽b的相互大小分： 无侧收缩堰——上游渠道宽度B等于堰宽b； 有侧收缩堰——渠宽B大于堰宽b。 按水流与堰的流动方向分： 正堰——水流方向与堰正交； 斜堰——水流方向与堰非正交； 侧堰——水流方向与堰平行。
§8-2
H
v
堰流的基本公式
V2 2g
V02
2g
1

V2
2g
2 gH0 2 gH0
A BkH0 Q vA BkH0 2 gH0 m B 2 g H 0 式中 k m 为流量系数
3/ 2
当堰流存在侧向收缩、淹没出流时，应用上述公式时应加以修正。
m=0.32
p 3 H
矩形圆弧进口
0
p 3.0时，m 0.36 0.01 p H 1.2 1.5 H p 3 .0 m=0.36 H
出 流 形 式——淹没式
• 淹没条件： 必要条件：下游水位高于堰顶 充分条件：堰顶上急流变为缓流 ' 综合条件: hs h p 0.8H o • 流量公式： • 淹没系数：见表8-2
2 0 0 2 2 2 k k k
2g
k
2g
2g
k
2g
2 2 vk v0 2 H hk 2g 2g
淹没式出流
• 淹没式出流——下游水位影响到桥的过水能力 H 2 1.3hk • 判别标准： • 桥下水深可认为与下游水深H2一致。 • 取最大允许不冲流速v‘ Q bH v 2 • 流量 ： Q b • 小桥孔径 ： b v • 选用标准孔径 b‘ 2 2 vk v0 H H2 2 • 桥前壅水深度H
二、WES剖面实用堰的水力计算
Q mB 2 g H 0
（1）流量系数m确定
3/ 2
H d (0.75 ~ 0.95) H max
H Hd
H Hd
H Hd
m md 0.502
m md
m md
（2）侧收缩系数确定
如果
H0 H 1 按 0 1 计算 b b
2g
2g
Q mb 2 g H 0 2
H p L' vo c hco hc c p'
3
v
δ
出 流 形 式——自由式
• 流量公式:
流量系数: 矩形直角进口
3/ 2 Q mb 2g H o
0
p 3.0时，m 0.32 0.01 H
3
p H p H
0.46 0.75
p 3 .0 H
四、堰流和闸孔出流的转化
闸底坎平顶堰时
e 0.65 H
e 0.65 H
为闸孔出流； 为堰流； 为闸孔出流；
闸底坎为曲线型堰流时
e 0.75 H
e 0.75 H
为堰流；
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
δ
五、堰的分类
以堰顶的厚度δ与堰上水头H的比值分类： 薄壁堰
H
v
（3）淹没系数确定
实用堰发生淹没出流的流态： 1、下游水位高于堰顶； 2、发生淹没水跃。 淹没出流的条件
淹没系数σ由下游堰高的相对值a1/H0和反 映淹没程度的hs/H0决定，hs/H0可以查图。
§8-5 宽 顶 堰
• 定义:
2.5 / H 10
• 水力特征:水面在堰顶处一次跌落;若自由出流,在 堰顶末端形成第二次跌落 • 流量公式（仍用基本堰流公式）
2.47
只有不允许 淹没出流的 情况下实施 流量的测量
三、梯形薄壁堰（补充）
流量公式 当梯形的θ=14°，由实验得 mo=0.42
Q 0.42b 2 g H 1.86bH
3 2
3 2
其 它 堰（补充）
比例堰:流量Q与作用水头H 成直线关系
Q kH
竖井堰:也称环堰，是在平面上 成圆形的溢流堰
3/ 2 Q sQ s mb 2g Ho
出 流 形 式——侧向收缩
• 收缩条件：堰宽b小于上游渠道宽B • 流量公式： • 收缩系数：
Q Q mb 2g H
1
3
3/ 2 o
a p 0.2 H
4
b b 1 B B
式中： a——墩形系数，矩形为0.19；圆形为0.10
自由式出流
自由出流——当桥下游水位不影响小桥的过 水能力，水面有明显的两次跌落。 H 2 1.3hk 判别要求： 取桥孔中的流速为最大允许不冲流速v‘ 2 桥孔中水流有效面积 ： vk
A hk b b g
2 vk 通过的流量为：Q hk bvk b g vk
z a1
值位于图中曲线下方时，下游将发生水跃。
淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值
hs z 1.05(1 0.2 )( ) a1 H
1 3
二、三角形薄壁堰
流量公式
汤普森
θ=900，H=0.05—0.25m
Q 1.4H
5/ 2
θ=900，H=0.25—0.55m
Q 1.343H
§8-4
实用堰
• 定义: 0.67 / H 2.5 • 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄流的 建筑物。 • 分类:曲线型实用堰和折线型实用堰
（a）曲线型； 流量计算公式为堰流基本公式
（b）折线型
Q mB 2 g H 0
3/ 2
曲线型剖面实用堰
一、曲线型实用堰的剖面形状 曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有 下列几个优点： (1) 过水能力大 (2) 堰面不出现 过大的负压 (3) 经济、稳定
3 2
m0—已经考虑速度影响的流量系数； H0—H（堰上水头）。
一、矩形薄壁堰
流量公式 流量系数巴 辛经验公式
Q m0 b 2 g H
3/ 2
m0—已经考虑速度影响的流量系数； H0—H。
2 H 0.0027 mo 0.405 1 0.55 H H p
第八章
堰流和闸孔出流
堰流特征及其分类 堰流的基本方程 薄壁堰 实用堰 宽顶堰 闸孔出流 小桥孔径的计算
§8-1 堰流及其特征
一、堰和堰流 在明渠流中，为控制水位或控制流量 而设置构筑物，使水流溢过构筑物的 流动称为堰流，该构筑物称为堰。 堰流水力特性： 1、堰的上游水面壅高，势能增大； 在堰顶上水面下跌； 2、堰流一般从缓流向急流过渡，属 于急变流。堰流的水力计算主要考虑 局部阻力（沿程损失忽略）； 3、水流在流过堰顶时，具有自由表 面的液流在表面张力的作用下，水流 会收缩。