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堰流公式

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第八章 堰流及闸孔出流 水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。 堰是顶部过流的水工建筑物。

图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响 闸孔出流：过堰水流受闸门控制时，就是 堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位；在重力作用下形成水流运动；明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力；出流过程的能量损失主要是局部损失。 相对性： 堰流和孔流是相对的，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙)

图4 闸孔出流

v0

图1 堰流 H

图2 堰流

b e

0

0 图3 堰流及闸孔出流

H 型式以及上游来流条件（涨水或落水）。 平顶堰： e /H ≤ 孔 流 曲线型堰：e/H ≤ 孔 流 e/H ＞ 堰 流 e/H ＞ 堰 流 式中：e为 闸孔开度； H为 堰上水头 堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。

第一节 堰流的分类及水力计算基本公式 一、堰流的分类 水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。

堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示 行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离：L =（3～5) H 研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ /H 而变，工程上，按δ与

当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降

H P1

v0 1

11 v

1

P2

0 δ

0 图5 薄壁堰 H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。 1. 薄壁堰：δ/H ＜ 越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰。 2. 实用堰流： ＜δ/H ＜ 水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰。堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形。 3. 宽顶堰：＜δ/ H ＜10 宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。 水流特征：水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流二次水面降。 4. 明渠水流：堰坎厚度δ＞10H

P1

δ

K

K H

图9 明渠水流

0 0 v0

H δ 1

1

图6 曲线型实用堰 PvvH 0 0 P1 1 δ 图7 折线型实用堰

图8 宽顶堰 二、堰流水力计算的基本公式 对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程 基准面：通过堰顶的水平面 分析：0-0断面为渐变流，1-1 断面为急变流（流线弯曲）

gvpzHgvH2)(221110

200



 ①

式中：pz为1-1 断面测压管水头的平均值； v0 为0-0 断面的平均流速； v1为1-1 断面的平均流速； ζ为 局部阻力系数

令 0pzH，则①式可变为 211001 ()2vHHg

②

由②式得 1001

12()()vgHH

令bkHA01，其中k 为系数，则

H P1

v0 1

11 v

1

P2

0 δ

0 23010010121)(2HgbkHHgbkHAvQ ③

再令 ：流速系数 11 ；流量系数 111kkm 则③式可变为 2302HgmbQ ④

由④式可知：230HQ 影响流量系数的主要因素 ,,),,(kkmm

——反映局部水头损失的影响。包括：堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等

k——反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH）

——代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比

侧向收缩影响 有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数反映其影响。 下游水位的影响 堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数s反映。 堰流公式： 230 2HgmbQs

d b’ b’ b’

边墩

边墩 闸墩

闸墩 B 第二节 薄壁堰流 薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。 曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此，研究薄壁堰具有重要的实际意义。

一、矩形薄壁堰流 矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。 为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足： ① H > 2.5 cm ，否则堰下形成贴壁流，出流不稳定 ② 水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定

0 0 v0

H δ 1 1 无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状 由堰流计算公式

2302HgmbQs

2322

3)21(20gHvmHgbs

令2320)21(0gHvmm )1( 2230sHgbmQ 式中， 0m为包括行进流速在内的流量系数，可按雷白克 公式计算。 雷白克

HPHm0007.0053.0403.010

3.0;2m;025.011PPHH 式中，P1为上游堰高，H 为堰上水头，均以米计算。

H P1

H H 3H

通气管 贴壁流动 二、直角三角形薄壁堰流 当所需测流量较小 (例如 Q ＜s)时，若用矩形薄壁堰，则水头过小，误差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，但常用直角。

2/50HCQ

210)09.0)(2.014.0(004.0354.1BHPHC

m2.1m5.0 :BB m75.0m1.0 3m26.0m07.0 m:,,11PBHHPBH；；；

4.1 s;/m:3QQQ

第三节 实用堰流的水力计算公式 实用堰是水利工程中常见的堰型之一。作为档水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折线型，高的溢流坝一般作成曲线型。 实用堰的水力计算公式

2302HgmbQs

9.3.2 直角堰 H P2

B

边墩 闸墩

b’ d d b’ b’

边墩 实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔 实用堰的水力计算公式采用

2302HgmbQs

；'nbbn 为孔数；b’ 为一孔净宽

1侧收缩系数

1s

淹没系数

一、曲线型实用堰的剖面形状

上游直线 AB 段：垂直，或倾斜, 取决于溢流坝体的强度和稳定要求 反弧段：使直线CD与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床 反弧段：一般情况下，非基岩上、高度不大的坝 )1.0)(~(0.25m,5maxdzHrH

式中，dH 溢流坝剖面设计水头； maxz为最大上下游水位差

E Hd

P1 P

2

B C

D α

m

上游直线段：AB 堰顶曲线段：BC 下游直线段：CD，坡度 m = ctanα 下游河底连接段：DE

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项目六堰流水力分析与计算

项目六堰流水力分析与计算

项目六堰流水力分析与计算堰是河渠中修建的既可挡水而顶部又可以溢流的水工建筑物，是水利工程蓄水调度、防洪发电、灌溉航运的主要工程措施之一。

堰流水力分析与计算项目的主要任务是掌握堰流分类、堰流水力计算公式及影响因素分析，薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流流量系数、侧收缩系数及淹没系数确定方法；会根据实际工程资料进行堰流水流现象分析，能进行薄壁堰、实用堰、宽顶堰过流能力计算。

任务一堰流水力分析1 堰流及其分类1.1 堰及堰流堰是河渠中修建的既可挡水而顶部又可以溢流的水工建筑物，堰的上游水流受其约束，上游水位壅高，水流经堰顶泄流时，堰对水流有局部的侧向收缩或底坎垂向收缩约束，形成堰顶水面不受任何约束呈连续的自由降落的急变流，这种水流现象称为堰流。

见图6-1。

图6-11.2 堰流分类在水利工程中，常根据不同的建筑条件及使用要求，将堰作成不同的类型，堰的外形不同，其过水能力也不同，对堰流进行水力计算之前首先对堰流进行分类。

在图6-1中，P1表示堰顶超出上游河床的高度，称为上游堰高；P2表示堰顶超出下游河床的高度，称为下游堰高；H为堰上水头，它是距堰壁（3~4）H的0-0过水断面处，从堰顶起算的水深。

堰前0-0过水断面的平均流速v 0称为堰前行近流速，堰的上游水位也应在此量测；δ为沿水流方向水流溢过堰顶的厚度。

根据堰顶厚度δ与堰上水头H 的比值，将堰流分为以下三种：（1）薄壁堰流—堰顶厚度δ≤ 0.6 7H 时，称为薄壁堰。

通过薄壁堰顶下泄的水流，水舌下缘与堰顶只有线的接触，下泄水流几乎不受堰顶厚度δ的影响，水面呈单一降落曲线的水流叫薄壁堰流（图6-1a ）。

（2）实用堰流——堰顶厚度0.6 7H <δ≤2.5H 时 ，称为实用堰。

通过堰顶下泄的水舌下缘与堰顶呈面接触，水流受到堰顶的约束和顶托，但其泄流主要是重力作用，水流仍是单一降落的曲线，这种水流叫实用堰流（图6-1b ）。

（3）宽顶堰流—堰顶厚度2.5H <δ≤10H 时，称为宽顶堰。

水力学——堰流和闸孔出流

水力学——堰流和闸孔出流

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。
m 0.403 0.053 H 0.0007
0
PH
1
适用条件为：
H 0.025m
H 2, P 0.3m
P
1
1
二、直角三角形薄壁堰流
流量公式为： Q C H 5/2 0
C 1.354 0.004 (0.14 0.2 )(H 0.09)2
0
H
PB
1
适用范围：
0.5m B 1.2m; 0.1m P 0.75m; 0.07m H 0.26m; H B / 3 1
3、确定堰顶下游曲线段与直线段的切点C的坐标， 按下式计算：
1.096H
x
d
c
m1.177
c
0.592H
y
d
c
m 2.177
c
4、确定下游直线段与反弧段的切点D的坐标
x D
x C
m P
c
2
y C
Rctg180
2
Rsin
y P R Rcos
D
2
5、反弧段与河床的切点E的坐标：
流体力学7-8堰流讲解

流体力学7-8堰流讲解


(1 )
a为墩形系数，矩形墩a=0.19，圆形墩a=0.10。
淹没式有侧收缩的宽顶堰溢流量
Q s mb 2 g H 0
3
2
13
五、薄壁堰和实用堰溢流
薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰流的受 力性质(重力作用，不计hf)和运动形式(缓流经障壁顶部溢 流 ) 相同，因此具有相似的规律性和相同结构的基本公式。
三角形薄壁堰
用矩形堰量测小流量时，堰上水头很小，量测误差增 大。为使小流量(Q<100 l/s )仍能保持较大的堰上水头，就 要减小堰宽，为此采用直角三角形堰 H=0.05~0.25m
Q 1.4 H
5/ 2
(m /s) (m /s)
0.67H
3
B
H
H=0.25~0.55m
Q 1.343H
11
2．淹没的影响
2 0
2g
H0 H Q
v0
v
h
hc
P 1-1
2-2
c-c 淹没出流 hs 自由出流 hs
下游水位升高，顶托过堰水流，造成堰上水流性质 发生变化。堰上水深由h<hc变为h>hc ，水流由急流变为 缓流，下游干扰波能向上游传播，形成淹没溢流。 必要条件：下游水位高于堰顶 hs=h-p'>0 充分条件: 下游水位影响到堰上水流，急流变为缓流 3 hs=h-p'>0.8 2 s 0 淹没系数σs随淹没程度hs/H0的增大而减小，见P187表 7-9 12
2
2g
H c P 1 v0
v h
2
hc
c
hs hs
自由出流
一、自由式无侧收缩宽顶堰
进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断 面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流 (急流)，水面在堰尾第二次下降。 3 2 0
水堰流量计算方法

水堰流量计算方法

水堰流量计算方法水堰由堰板和堰槽构成，当水经堰槽流过堰板的堰口时，根据堰上水头的高低即可计算出流量。

1．堰板的结构(1)堰口的断面如图3所示，堰口与内侧面成直角，唇厚2毫米，向外侧倒45°倾斜面，毛刺应清除干净。

(2)堰口棱缘要修整成锐棱，不得呈圆形，堰板内侧面要平滑，以防发生乱流。

(3)堰板的材料必须保证不生锈和耐腐蚀。

(4)堰板安装时必须铅直，堰口应位于堰槽宽度的中央，与堰槽两侧壁成直角。

(5)各种水堰的堰口如图4所示。

90°三角堰的直角等分线应当铅直，直角允差为±5′。

形堰和全宽堰的堰口下缘应保证水平，堰口直角允差为±5，堰口宽度允差为±0．001b。

(1)堰槽要坚固，不易变形，否则使测量产生误差。

(2)在堰槽上流设置适当整流装置，以减少水面披动。

(3)堰槽的底面应平滑，侧面和底面应垂直。

(4)全宽堰槽堰的两侧面应向外延长，如图4c所示，延长壁应和两侧面一样的平滑，与堰口下边缘垂直，直角允差±5′。

延长壁上应设置通气孔，通气孔应靠近堰口并在水头下面以保证测量时水头内侧空气畅通。

通气孔的面积S≥B——堰口宽度(mm)h'——最大水头(mm)。

(5)堰进水部分的容量应尽可能大些厂这部分的宽度和深度不能小于整流栅下流的宽度和深度，导水管应埋设在水中。

3．堰的水头测定方法(1)水头是指水流的上水面至堰口底点(90’三角堰)或堰口下边缘(矩形堰、全宽堰)的垂直距离。

(2)为避免近堰板处水面降低而引起的误差，测定水头h处离堰口的距离等于200～B(毫米)。

(3)应当在越过堰口流下来的水流与堰板不附着的情况下进行测量。

(4)水堰的堰口至堰口外水池液面的高度不得小于100毫米。

(5)可以采用钳针或测针液面计测量水头。

钩针液面计构造如图6所示。

使用时应将针先沉入水内再提上对准水面，以消除水的表面张力的影响。

(6)水位零点的测定精度应在0．2毫米以内，最好当堰口流出来的水流刚停止时测定水位的零点，每次试验时都要测定零点。