水力學系統(tǒng)講義第八章(1)-堰流及閘孔出流

1、第八章 堰流及閘孔出流 8-1 概 述 8-2 堰流的基本公式 8-3 閘口出流的基本公式 8-1 概 述通過堰的水流稱為堰流； 從頂部溢流而水面不受約束的壅水建筑物。堰 由閘門控制水流的泄水建筑物。閘通過閘孔的水流稱為閘孔出流。 堰流、閘孔出流的特點 從水流現(xiàn)象來看1）堰、閘的存在使得河渠中的水位被壅高，上游水流是緩流； 2）堰流的水流表面不受閘門約束而保持連續(xù)的自由水面； 3）閘孔出流的水流表面受閘門下緣的約束而沒有連續(xù)降落的自由水面； 從能量方程來看1） 過堰、閘時，能量的轉換形式主要是從位能轉換為動能。 2） 兩過水斷面間水流的能量耗損主要是局部水頭損失，沿程水頭損失是次要的。 有壓管

2、流和明渠流的沿程水頭損失往往是主要的。 堰流的主要特征量 堰寬b：水流漫過堰頂?shù)膶挾龋?堰上水頭H：堰上游水位與堰頂高程之差； 堰壁厚度及它的剖面形狀；下游深度ht等。研究堰流和閘孔出流的主要目的建立過堰、閘的流量Q與其特征量之間的關系。 按照堰壁厚度對堰流的影響，將堰分為薄壁堰、實用堰和寬頂堰三種。 堰流的分類 薄壁堰堰壁厚度很薄，不影響水舌形狀，堰壁對自由水舌沒有頂托的作用。常用作實驗室和灌溉渠道中量測流量的設備。 水流過堰的能量損失主要是過水斷面縮小而引起的局部水頭損失。 實用堰 堰壁厚度對水舌有一定的影響，從而對過水能力產(chǎn)生影響。這時水流過堰的能量損失仍為收縮型局部損失。 實用堰有折線

3、型和曲線型兩種。 寬頂堰 堰壁厚度較大，水舌受到堰頂?shù)捻斖凶饔眉哟?，水流表面出現(xiàn)下凹的形狀，堰壁對過水能力的影響也相應加大。水流過堰的能量損失仍以局部水頭損失為主，但沿程水頭損失已占一定比重。 根據(jù)堰的形狀分類根據(jù)堰與渠道水流的相對位置分類 矩形堰 三角堰 梯形堰 正交堰（堰與渠道水流方向正交） 斜堰（堰與渠道水流方向不正交） 側堰（堰與渠道水流方向平行）堰流的判別標準 對于堰流來講即使是同一個堰，當堰前水頭H變化時，堰流類型也會相應變化。堰流類型取決于堰寬與堰前水頭之比/H。閘孔出流的主要特征量 閘寬b、閘門開度e、閘前水頭H、閘底板及閘墩結構、下游水深ht等。 常見的閘孔有實用堰上閘孔和寬

4、頂堰上閘孔兩種。堰流和閘口出流的判別標準 寬頂堰式閘壩 實用堰式閘壩同一個建筑物上，在不同運行工況下有時會形成堰流，有時則會形成閘孔出流。 自由溢流和淹沒溢流 水流通過堰、閘時，在堰下游和閘后形成急流和水躍。 下游水深ht足夠大時形成淹沒式水躍，也即形成淹沒溢流。此時下游水深ht對堰、閘的過水能力產(chǎn)生影響。下游水深不影響堰、閘過水能力時的堰流和閘孔出流稱為自由溢流。 在相同的上游水頭作用和閘門開度情況下，淹沒溢流的流量比自由溢流的流量小。 側收縮影響 上游來流的水面寬度和堰的凈寬是不相等的。邊墩和閘墩將迫使過堰水流產(chǎn)生橫向收縮。 有無側收縮影響的判別標準： 8-2 堰流的基本公式無側收縮影響和

5、淹沒影響的寬頂堰為例推導堰流的基本公式 對無側收縮影響的單孔寬頂堰流，堰寬為b，則流量為 對薄壁堰、實用堰均適用，對不同堰流，流量系數(shù)m的變化規(guī)律和表達式不同。 堰流自由溢流的基本公式直角三角形薄壁堰流量公式 H以m計，Q以m3/s計，該式適用范圍為H=0.06-0.55m。 考慮側收縮影響和淹沒影響的堰流基本公式當堰寬小于上游來流寬度或堰頂設有邊墩或閘墩時，應考慮側收縮影響： 當下游水深較大以致形成淹沒溢流時，還應考慮淹沒影響： 流量系數(shù)、側收縮系數(shù)和淹沒系數(shù)的變化規(guī)律 薄壁堰流 對有側收縮影響但無淹沒影響的矩形薄壁堰 B0為引水渠寬，b為堰寬，P為堰頂高程與上游堰底高程之差。 矩形薄壁堰在

6、自由溢流時，流量系數(shù)m0大體上為0.42左右。 在形成淹沒溢流時，下游水面波動較大，溢流很不穩(wěn)定，一般情況下量水用的薄壁堰不宜在淹沒條件下工作。 對于無測收縮的單孔矩形薄壁堰 實用堰流 曲線型實用堰和折線型實用堰 曲線型實用堰堰頂曲線的設計依據(jù)：根據(jù)矩形薄壁堰在設計水頭Hd時自由溢流水舌的下緣形狀來確定。實際水頭大于設計水頭，水舌將偏離堰面與堰面間形成一定程度的真空，流量系數(shù)會相應增加； 實際水頭小于設計水頭，水舌將貼壓堰面使堰面壓力增大，流量系數(shù)相應減??； 對上游面垂直的WES剖面堰： 對克-奧剖面堰： 克-奧剖面堰：m=0.49 WES剖面堰: m=0.502 折線型實用堰 梯形實用堰的流

7、量系數(shù)m與P/H（相對堰高）、/H（相對堰寬）以及上下游堰面傾斜角1、2有關。 根據(jù)表8.2.1可以查出梯形實用堰的流量系數(shù)m。實用堰的側收縮系數(shù)有側收縮影響時實用堰自由出流的流量公式 cr和0是根據(jù)邊墩和中敦形狀決定的系數(shù)。由圖8.2.5及表8.2.2查得。 適用條件 hs為下游水位超過堰頂?shù)母叨?實用堰淹沒溢流的判別及淹沒系數(shù)實用堰發(fā)生淹沒溢流的條件 下游水位超過堰頂 下游發(fā)生淹沒式水躍 實用堰下游發(fā)生淹沒式水躍的條件 z為上下游水位差，P2為堰頂與堰下游底板的高程差。 臨界值(z/P2)cr與相對水頭H/P2和流量系數(shù)m有關?？捎蓤D8.2.7查得。實用堰的淹沒系數(shù)s可由表8.2.3查得。

8、hs為下游水面超過堰頂?shù)母叨?寬頂堰流 流量系數(shù)m與堰的進口形式以及堰的相對高度P1/H有關。 對矩形有直角前沿進口的寬頂堰，別列津斯基公式 對矩形帶圓角前沿進口的寬頂堰，別列津斯基公式 當P1/H=3.0時，m值最小，m分別為0.32和0.36; 當P1=0時，m值最大，都為0.385； 適用范圍均為 當P1/H3.0時，帶直角前沿進口的寬頂堰，流量系數(shù)用m=0.32；帶圓角前沿進口的寬頂堰，流量系數(shù)用m=0.36。有直角前沿進口帶圓角前沿進口寬頂堰的側收縮系數(shù)寬頂堰的淹沒溢流的判別 當下游水位較低時(低于K-K線)，堰頂收縮水深hc小于臨界水深hcr，堰頂水流為急流，下游水深不影響堰的過水

9、能力，為自由溢流。 與實用堰相同 當下游水位稍高于k-k線時，堰頂出現(xiàn)波狀水躍，此時hc仍小于hcr，下游水深仍不影響堰的過水能力。 當下游水位再升高，以至收縮斷面被淹沒，收縮斷面處水深hc已大于臨界水深hcr，堰頂水流為緩流，這時，下游的干涉波能向上傳播，下游水位已對過堰流量產(chǎn)生影響，形成寬頂堰淹沒出流。 形成寬頂堰淹沒溢流的條件 hs為下游水位超過堰頂?shù)母叨取?淹沒系數(shù)與hs/H0有關，可由表8.2.4查得。 無坎寬頂堰流 對于多孔無坎寬頂堰流,流量系數(shù)m按下式計算: n為堰孔數(shù)目；mm中孔的流量系數(shù)；ms邊孔的流量系數(shù)。流量系數(shù)mm和ms由表8.2.5中查出。表8.2.5中的流量系數(shù)已包

10、括側收縮影響在內。無坎寬頂堰淹沒溢流的判別標準與寬頂堰流相同；淹沒系數(shù)的取值也由表8.2.4確定。例8.2.1 某河進水閘底板高程與上游河床高程相同，均為5.0m，閘孔共28個，孔寬10.0m,閘墩厚d=1.6m,墩頭為半圓形，邊墩為1/4圓弧，圓弧半徑r=1.9m，閘上游河寬B0=327.0m，閘全開，上游水位9.0m，當下游水位為5.0m時，求過閘流量。(含側收縮的流量系數(shù)m=0.3688。) 用H代替H0下游水位與堰頂齊平，故過閘水流為無坎寬頂堰自由溢流，無坎寬頂堰側收縮系數(shù)已計入在流量系數(shù)內。例8.2.2 某河進水閘底板高程與上游河床高程相同，均為5.0m，閘孔共28個，孔寬10.0m

11、,閘墩厚d=1.6m,墩頭為半圓形，邊墩為1/4圓弧，圓弧半徑r=1.9m，閘上游河寬B0=327.0m，閘全開，上游水位9.0m，求下游水位升至8.6m時流量為多少？寬頂堰淹沒溢流由表8.2.3查得淹沒系數(shù)8-3 閘孔出流的基本公式 當下游水位較低，使閘孔下游發(fā)生遠驅式水躍，下游水位不影響閘孔流量為自由出流。寬頂堰上的閘孔出流 當下游水位較高，使閘孔下游發(fā)生淹沒式水躍，以至影響閘孔出流時，為淹沒出流。 自由出流對斷面1-1和收縮斷面c-c列能量方程寬頂堰式閘孔出流的流速系數(shù)值可查表8.3.1 收縮斷面水深1為垂向收縮系數(shù)，過閘水流垂向收縮的程度。 令流量系數(shù) 閘孔自由出流流量公式 0也為流量

12、系數(shù)，由試驗確定。 平板閘門的流量系數(shù) 流速系數(shù)和垂向收縮系數(shù)1由查表確定。 0按下列經(jīng)驗公式確定： 弧形閘門的流量系數(shù) 流速系數(shù)和垂向收縮系數(shù)1由查表確定。 0按下列經(jīng)驗公式確定： 淹沒出流當下游水深ht大于收縮斷面水深hc的共軛水深hc時，閘孔下游發(fā)生淹沒水躍，下游水深影響閘孔流量，即為淹沒出流。 寬頂堰閘孔淹沒出流的條件明渠水躍共軛水深公式 s為寬頂堰閘孔出流的淹沒系數(shù) 閘孔淹沒出流流量公式 淹沒系數(shù)s例8.3.1 有一渠道上的節(jié)制閘，裝有平板閘門，閘前水深H3.0m，閘孔凈寬b3.0m，閘門開啟高度e0.60m，下游渠道水深ht2.50m，流速系數(shù)0.95，求過閘流量（不計行近流速）。

13、 閘孔出流查表8.3.2得垂向收縮系數(shù) 閘孔淹沒出流實用堰上的閘孔出流 自由出流當下游水位低于堰頂，不影響閘孔出流。 實用堰上的閘孔自由出流無收縮斷面。 實用堰閘孔自由出流流量公式 流量系數(shù)0 按經(jīng)驗公式計算平板閘門： 弧形閘門： 適用范圍： 淹沒出流當下游水位超過實用堰的堰頂時，下游水位將影響閘孔的泄流量，為淹沒出流。 實用堰上閘孔淹沒出流流量公式 例8.3.2 某水庫溢流壩采用實用堰，堰頂設平板閘門，共7孔，每孔寬b=10m，閘門開啟高度e=2.5m，堰頂高程為43.36m，水庫水位50.00m，下游水位低于堰頂，求通過溢流壩的流量（不計行近流速水頭）。 閘孔出流下游水位低于堰頂，為自由出

14、流 閘前水深實用堰上閘孔自由出流流量公式 8-4 堰流、閘孔出流的典型問題 已知水工建筑物的形狀、尺寸,在一定的上游水位情況下,求堰、閘的過水能力。 已知堰、閘的形狀及尺寸,當Q一定時,求相應的上游水頭。 已知堰、閘的上游水位,在要求通過一定流量Q的情況下,對堰、閘形狀和尺寸進行設計(孔數(shù)n及凈寬b等)。 例8.4.1 某灌溉渠道進水閘如圖所示。進水閘共2孔,每孔3.0m,閘后接一引水渠,渠底坡i=0.0008,梯形斷面的底寬7.0m,邊坡系數(shù)1.5,粗糙系數(shù)n=0.03,若考慮側收縮影響后的流量系數(shù)為0.32,求上游水位為6.5m時引入渠中的流量Q。 1.按圖所示,閘門開度e=1.35m,水

15、頭H=(6.5-5.0)=1.5m,則e/H=0.90.65,故為堰流； 2.由于/H=10.5/1.5=7,故為寬頂堰流； 3.考慮側收縮影響后的流量系數(shù)為0.32；4.按寬頂堰自由溢流公式計算流量(忽略行近流速水頭的影響) 。 由明渠均勻流公式正常水深h0=1.6m 下游水位 需考慮淹沒影響。 寬頂堰淹沒出流公式與明渠均勻流公式聯(lián)立求解下游水位，然后再計算流量。例8.4.2 某水庫的泄洪閘如圖所示。共4孔每孔寬6.0m,閘底板高程為20m,設計流量為845m3/s,相應的下游水位為25.78m,設上游水位已定為35.0m,問胸墻下緣的高程應為多少? 1.判別是堰流還是閘孔出流,首先假定e=

16、3.5m, 4.0m, 4.5m,注意到閘前水頭H=35.0-20.0=15.0m,則有 閘孔開度 e=3.5m, 4.0m, 4.5m閘孔相對開度e/H=0.233, 0.267, 0.30因為e/H均小于0.65,故均為閘孔出流。 2.按寬頂堰上閘孔出流選用相應的公式以及系數(shù)。 垂向收縮系數(shù)1及流速系數(shù)可分別由表8.3.2和表8.31查得。當e=3.5m,4.0m,4.5m時,1=0.621,0.623,0.625。流速系數(shù)均取=0.9。 3.判別屬于自由出流還是淹沒出流。 閘孔開度e=3.5m,4.0m,4.5m 收縮水深 單寬流量 下游水深 共軛水深 共軛水深均大于下游水深,故均為閘孔

17、自由出流。 4.按寬頂堰上閘孔自由出流相應流量計算公式計算各種閘孔開度情況下的過閘流量(忽略行近流速的影響)。 閘孔開度e=3.5m,4.0m,4.5m 流量 5.閘門開度應為e=4.0m,此時過閘流量與要求的845m3/s幾乎一致。 相應的胸墻下緣高程應為20.00+4.0=24.0m。 堰流、閘孔出流問題的求解步驟是否有側收縮影響堰流閘孔出流 判別堰流和閘孔出流是否有淹沒影響是否有淹沒影響通過以上的判斷, 選擇相應的公式和系數(shù)。 8-7 某梯形渠道上建一水閘，建閘處渠道為矩形斷面，寬度B=12m，已知渠道底寬b=10m，邊坡系數(shù)m=1.5，粗糙系數(shù)n=0.0225，底坡i= 0.0002，

18、每個閘孔寬度b=3m，共三孔，閘前水深H=4m，閘前上游渠道的過水斷面積A=64m2，閘門開度e=1m，設收縮斷面c-c發(fā)生在閘墩后面,試求通過該閘的泄流量Q。1.判別是堰流還是閘孔出流閘孔出流2.按寬頂堰上閘孔出流選用相應的公式以及系數(shù)3.判別屬于自由出流還是淹沒出流 淹沒出流4.閘孔淹沒出流流量計算 8-8 某矩形斷面排水渠道上有一單孔弧形閘門，閘下游同一陡坡渠道相聯(lián)接，已知上游水深H=3m，弧形閘門門軸高C=4m，閘門半徑R=5m，閘門開度e=1m時，下泄流量Q=19.2m3s，試求閘孔寬度b。1.判別是堰流還是閘孔出流閘孔出流2.按寬頂堰上閘孔出流選用相應的公式以及系數(shù)下游為陡坡，必為自由出流習題1：如圖所示為一帶底坎的寬頂堰上的單孔進水閘，已知上游水深H1=3.1m，下游水深ht=2.125m，上游坎高P1=0.6m，閘孔寬b=6m，前渠寬度B0=9.6m，求:(1)當閘孔開度e=1.0m時，通過的流量為多少？(2)當閘孔開度e=1.75m時，通過的流量為多少？（只做兩次近似計算）注：寬頂堰的側收縮系數(shù)取0.847流量系