堰流及闸孔出流

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：

eH?0.65时为闸孔出流；

eH?0.65时为堰流。 eH 闸底坎为曲线型堰时：

eH?0.75时为闸孔出流；?0.75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：l?(3~5)H 1．薄壁堰流：

?H?0.67，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：0.67??H?2.5，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：2.5??H?10，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

?H?10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：

H??0V02gp2?(z?p?)?(?1??)V122g ，令H0?H??0V02g2为堰上全水头。

(z??)??H0

2则：H0??H0?(?1??)V12g， 即：V1?1?1??2gH0(1??)

堰顶宽度为b，水舌厚度为kH0（k为堰顶水流垂向收缩系数），则：

Q?kH0bV1?kH0b12gH0(1??)??k1??b2gH03/2?1???mb2gH03/2

式中?为流速系数；m为流量系数。Q?H03/2。

流量系数：m?f(?,k,?)，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：Q??s?1mb

2gH03/2

8-2 薄壁堰流的水力计算

一般用作量水工具。

一、矩形薄壁堰流

矩形薄壁堰无侧收缩自由堰流时，水流稳定，测量精度最高。

要满足：A堰宽与上游渠宽相同；B下游水位低于堰顶（保证自由出流）；C堰上水头不能太小，一般H>2.5cm（以免除表面张力的影响）；D水舌下面与大气相通（避免形成真空）。 流量公式为：Q?mb数，

m0?0.403?0.053HP1?0.0007H2gH03/2?m0b2gH3/2，m0为包含行近流速影响在内的流量系

，单位全部用米，P1为上游堰高。适用条件为：

H?0.025m，

HP1?2,P1?0.3m。

二、直角三角形薄壁堰流

用于流量较小时。流量公式：Q?C0H5/2

C0?1.354?0.004H?(0.14?0.2P1)(HB23?0.09)，流量以m/s计，其余以米计。

适用范围：0.5m?B?1.2m;0.1m?P1?0.75m;0.07m?H?0.26m;H?B/3。 粗略计算时取：C0?1.4。

8-3 实用堰流的水力计算

分为折线型实用堰与曲线型实用堰。有闸墩时，b为闸孔净宽。 流量公式：Q??s?1mb2gH03/2

一、曲线型实用堰的剖面形状

由四段组成：

上游直线段AB：常是垂直的，有时也是倾斜的。其坡度由坝体的稳定和强度要求选定。 下游直线段CD：其坡度也是由坝体的稳定和强度要求选定。

反弧段DE：使直线段CD与下游河底平滑连接，避免水流直冲河床；并有利于下游的消能。 反弧半径：H较大r?(0.5~1.0)(Hd?zmax);H较小r?(0.25~0.5)(Hd?zmax) 堰顶曲线段BC：对水流特性的影响最大，是设计曲线型实用堰剖面的关键。

曲线BC与薄壁堰自由出流的水舌下缘吻合，水舌不受堰面形状影响，堰面压强为大气压； 曲线BC突出于水舌下缘，堰面将顶托水流，水舌不能保持原有形状，堰面压强大于大气压，过水能力降低；

曲线BC低于水舌下缘，脱离处空气被水流带走，堰面形成负压区，过水能力增大。 矩形薄壁堰自由出流时的水舌下缘形状：（以水舌最高点为原点）

x?utcos?;y?12gt，得：(2yHd)?k(xHd)， 其中：k?nHd4cos?2u2；n?2。

2g由于液体质点在堰面附近除有重力作用外，还有惯性力作用，因而水舌形状与理论值有差异。 因此：实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线适当修改。

过去我国采用较多的是克—奥剖面，但该剖面嫌肥大，且剖面的数据点较少，不便施工。现在大多采用WES堰，曲线用方程表示，便于控制，剖面较瘦节省工程量，且压强分布合理。

WES堰的堰顶下游：(yHd)?0.5(xHd)1.85， Hd为设计水头。

堰顶上游由三段复合圆弧组成。

设计水头：Hd?(0.75~0.95)Hmax，其原则是有较大的流量系数，又没有过大的负压。

二、曲线型实用堰的流量系数

m?f(P1Hd,H0Hd,堰上游面的坡度)， 当H0?Hd时，m=0.502。

查图8-12，求流量系数。

三、侧收缩系数

?1?1?2[Ka?(n?1)KP]H0b， Ka为边墩形状系数；KP为闸墩形状系数

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

淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，?s?f(hsH0,P2H0)，查图8-16。

式中hs为从堰顶算起的下游水深；P2为下游堰高。

8-4 宽顶堰流的水力计算

宽顶堰流（垂向收缩）/无坎宽顶堰流（侧向收缩）。 流量公式：Q??s?1mb2gH03/2

一、流量系数

流量系数m取决于堰顶进口形式和堰的相对高度P1/H。

3?P1HP1H直角进口：m?0.32?0.01；适用于：0?P1H?3。当

P1H?3时，m=0.32。

0.46?0.753?P1HP1H圆角进口：m?0.36?0.01；适用于：0?P1H?3。当

P1H?3时，m=0.36。

1.2?1.5宽顶堰流量系数的最大值mmax?0.385。

二、侧收缩系数

对单孔宽顶堰（有边墩，无闸墩）：

?1?1?3?00.2?P1H4bB(1?bB)；b为闸孔净宽；B为上游渠道宽度；?0为墩头形状系数

（矩形时取0.19，圆形时取0.10）。适用于：

bB?0.2;P1H?3；若

bB?0.2取

bB?0.2；若

P1H?3取

P1H?3。

对于多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）：取边孔及中孔的加权平均值：

?1?(n?1)?1???1??n， n为孔数，?1?为中孔侧收缩系数（b?b?;B?b??d）；?1??为边孔

侧收缩系数（b?b?;B?b??2?），d为闸墩厚度，?为边墩计算厚度。

三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数

下游水位较低时，自由出流，水流进入堰顶后，产生水面跌落，在进口后约2H处形成收缩断面，并在出口后产生第二次跌落，在堰顶上的水流为急流状态。

当下游水位与K—K线齐平时，产生波状水跃，收缩断面保持急流状态。

在下游水位上升至高于K—K线时，宽顶堰形成淹没出流。且下游水面要高于堰顶水深。 淹没条件：hs?0.8H0 淹没系数：??f(hsH0) 查表8-2。

s四、无坎宽顶堰流

将侧收缩系数包含在流量系数内一起考虑，m???1m 流量公式：Q??sm?b2gH03/2

流量系数m’据进口翼墙的形式及平面收缩程度，查表8-3、8-4及8-5。多孔时，取边孔及中孔的加权平均值。淹没系数与有坎宽顶堰一样。

8-5 闸孔出流的水力计算

闸底坎分为宽顶堰（包含无坎宽顶堰）及曲线型实用堰；闸门型式分为平板闸门及弧形闸门。

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