閘孔出流計算

優(yōu)選文檔優(yōu)選文檔PAGE13優(yōu)選文檔第八章堰流及閘孔出流

第一節(jié)歸納

水利工程中為了宣泄洪水以及引水澆灌、發(fā)電、給水等目的，常需要修

建堰閘等泄水建筑物，以控制水庫或渠道中的水位和流量。堰、閘等泄水建筑物水力設(shè)計的主要任務(wù)是研究其水流狀態(tài)和過流能力。

一.堰流及閘孔出流的見解

既能壅高上游水位，又能從自己溢水的建筑物稱為堰。

水流由于碰到堰坎或兩側(cè)邊墻的束窄阻截，上游水位壅高，水流經(jīng)過溢流堰頂下泄，其溢流水面上緣不受任何拘束，而成為圓滑連續(xù)的自由降落水面，這種水流現(xiàn)象稱為堰流。

水流碰到閘門或胸墻的控制，閘前水位壅高，水流由閘門底緣與閘底板

之間孔口流出，過水?dāng)嗝媸荛l門開啟尺寸的限制，其水面是不連續(xù)的，這種水流現(xiàn)象稱為閘孔出流。

二.堰流與閘孔出流的水流狀態(tài)比較

堰流與閘孔出流是兩種不一樣樣的水流現(xiàn)象：堰流時，水流不受閘門或胸墻

控制，水面曲線是一條圓滑連續(xù)的降落曲線。而閘孔出流時，水流要碰到閘門的

控制，閘孔上下游水面是不連續(xù)的。

對明渠中擁有閘門控制的同一過流建筑物而言，在必然界線條件下，堰流與

閘孔出流是能夠相互轉(zhuǎn)變的，即在某一條件下為堰流，而在另一條件下可能是閘

e

孔出流。堰流與閘孔出流兩種流態(tài)相互轉(zhuǎn)變的條件除與閘門相對開度H相關(guān)外，

還與閘底坎形式或閘門（或胸墻）的形式相關(guān)，其他，還與上游來水是漲水仍是落水相關(guān)。經(jīng)過大量的試驗研究，一般可采用以下關(guān)系式來鑒別堰流及閘孔出流。

閘底坎為平頂ee0.650.65為閘孔出流，H堰H為堰流。

閘底坎為曲線ee0.750.75為閘孔出流，H堰H為堰流。

式中，H為從堰頂或閘底坎算起的閘前水深，e為閘門開度。

堰流與閘孔出流又有很多共同點：①堰流及閘孔出流都是由于堰或閘壅

高了上游水位，形成了必然的作用水頭，即水流擁有了必然的勢能。泄水過程中，都是在重力作用下將勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程。②堰和閘都是局部控制性建筑物，

其控制水位和流量的作用。③堰流及閘孔出流都屬于明渠急變流，在較短距離內(nèi)流線發(fā)生急劇波折，離心慣性力對建筑物表面的動水壓強散布及過流能力均有必然的影響；④流動過程中的水頭損失也主若是局部水頭損失。

第二節(jié)堰流的種類及水力計算公式

一、堰流的種類

常有的有薄壁堰、曲線型合用堰、折線型合用堰、寬頂堰等。堰的形式

不一樣樣，其水流特點也不一樣樣。在水力計算時，其實不按堰的用途分類，而是按堰坎

厚度與堰上水頭H的比值大小來區(qū)分堰流種類，即按堰的相對厚度對堰流進(jìn)

行分類。

（1）薄壁堰流：H0.67。此時高出堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只呈線的接觸，水面為單調(diào)的降落曲線。由于薄壁堰常將堰頂做成銳緣，故薄壁堰也稱為銳緣堰。

0.672.5（2）合用堰流：H。水舌下緣與堰頂呈面的接觸，水舌碰到堰頂?shù)?/p>

拘束和頂托，但這種影響還不是很大，高出堰頂?shù)乃髦饕允窃谥亓ψ饔孟碌淖杂傻洹?/p>

2.510（3）寬頂堰流：H。此時堰頂厚度對水流的頂托作用已經(jīng)特別明顯，

進(jìn)入堰頂?shù)乃髋龅窖唔敶怪狈较虻木惺?，過水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，加之水流進(jìn)入堰頂時存在局部水頭損失，因此，在進(jìn)口處形成了水面跌落。今后水面幾乎與堰頂保持平行，當(dāng)下游水位較低時，流出堰頂?shù)乃饔謺a(chǎn)生第二次水面跌落。

10當(dāng)H時，沿程水頭損失已不能夠忽略，此時的水流特點不再屬于堰流，

而應(yīng)當(dāng)按明渠水流辦理。對同一個堰而言，堰坎厚度是必然的，但堰上水頭H倒是隨水流情況變化的。

堰流的種類誠然有以上幾種，但其水流的運動卻有著共同的規(guī)律。比方，水流在趨近堰頂時，由于流線縮短，流速增大，溢流自由水面均有明顯的降落；

從作使勁方面來講，重力作用是主要的；從水流的流線變化情況來看，堰流都屬于明渠急變流，離心慣性力的影響比較明顯，有時還存在表面張力的影響；從能量方面講，都是勢能變換為動能，而且水流運動過程中以局部水頭損失為主。既然這樣，堰流問題就能夠用同一個公式來描繪。

二、堰流的基本公式

堰流水力計算的基本公式Qs1mb2gH032

式中，流量系數(shù)mf(,k,)，所有這些影響堰流過流能力的因素除與

堰上水頭H相關(guān)外，還與堰高、堰頂邊緣的進(jìn)口形狀等界線條件相關(guān)。因此，

不一樣樣種類、不一樣樣高度的堰其流量系數(shù)m是不盡相同的。

下游水位過高，致使影響了堰的過流能力，這時的堰流就稱為吞沒出流；

反之，稱為自由出流。其影響以吞沒系數(shù)s

閘墩及邊墩的存在會惹起水流的側(cè)向縮短，降低過流能力，這種堰稱為

有側(cè)縮短堰；反之，稱為無側(cè)縮短堰，其影響以側(cè)縮短系數(shù)1來反應(yīng)。

若堰頂有n孔閘門，上式中的堰頂寬度可表示為bnb，其中b為單孔

凈寬。

上述堰流水力計算的基本公式關(guān)于過水?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝娴谋”谘吡?、合用堰流、寬頂堰流都是合用的，可是堰流種類不一樣樣，其流量系數(shù)、側(cè)縮短系數(shù)、吞沒系數(shù)確實定方法與計算公式不一樣樣，這是值得特別關(guān)注的問題。

第三節(jié)薄壁堰流的水力計算

薄壁堰流擁有牢固的水頭和流量關(guān)系，因此薄壁堰常用作實驗室模型試驗或野外量測流量的量水工具。工程實質(zhì)中寬泛采用的曲線型合用堰和隧洞進(jìn)口曲線等也常依照薄壁堰流水舌下緣曲線來構(gòu)制。常有的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和拋物線形。

一、矩形薄壁堰

實考證明：當(dāng)矩形薄壁堰流無側(cè)縮短、自由出流時，水流最為牢固。

1、無側(cè)縮短、自由出流時的流量系數(shù)可按以下公式計算

1）巴贊公式（Bazin，1898年）

0.0027m0.405Hm0(0.4050.0027)[10.55(H)2]或HHP1

式中，H、P1以m計。合用范圍是0.025H1.24，b2m，P11.13m。（2）雷伯克公式（，1929年）m02(0.6050.0010.08H)3HP1

H式中，H、P1以m計。合用范圍是HB，P120.025，b0.3m，P1。

二、三角形薄壁堰

當(dāng)量測流量較小（小于0.1m3/s）時，宜采用三角形薄壁堰。

°三角形薄壁堰的流量公式

為Q1.4H2.5

第四節(jié)合用堰流的水力計算

合用堰是水利工程中用來擋水同時又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式隨著生產(chǎn)的發(fā)展而精益求精。如用條石或其他當(dāng)?shù)刭Y料修筑的中、低溢流堰，堰頂剖面常做成折線形，稱為折線型合用堰。如用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰頂常做成適合水流特點的曲線形，稱為曲線型合用堰。

一、曲線型合用堰的剖面組成及其設(shè)計

曲線型合用堰的剖面一般如圖所

示.

曲線型合用堰由上游直線段AB、堰頂曲線段BC、下游斜坡段CD以及反弧

段DE這幾部分組成。

上游直線段AB能夠做成垂直的，也能夠做成傾斜的，其高度主要取決

于工程規(guī)模和設(shè)計要求，而垂直仍是傾斜則經(jīng)常取決于壩體的牢固要求。

堰頂曲線段BC是設(shè)計曲線型合用堰的重點，國內(nèi)外對堰的剖面形狀有

多種設(shè)計方法，其主要差異還在于曲線段怎樣確定。

下游斜坡段CD是連結(jié)堰頂曲線段BC與下游反弧段DE的公切線，其坡

度主要依照壩體強度和牢固要求確定，一般取1:～1:。

反弧段DE是連結(jié)直線段CD與河床的圓弧，主要為使其連結(jié)圓滑，防備水流直沖河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半徑應(yīng)結(jié)合消能形式一致考慮。

二、WES堰的水力計算

1、WES堰的堰面曲線

y0.5(x)1.85WES標(biāo)準(zhǔn)剖面：堰頂o點下游的曲線按HdHd計算；堰頂o點上游Bo段采用三段復(fù)合圓弧相接，這樣可使堰頂曲線與堰上游面圓滑連結(jié)，改良了堰面壓強散布，減小了負(fù)壓。

2、流量系數(shù)

P1H0實驗研究表示，曲線型合用堰的流量系數(shù)主要取決于Hd、Hd以及上游面坡度等，合用中WES堰的流量系數(shù)可查圖確定。

P11.33當(dāng)Hd時，稱為高堰，計算中行近流速水頭可忽略不計，而且，當(dāng)H01.00.502，說明高實質(zhì)工作水優(yōu)等于設(shè)計水頭，即Hd時，設(shè)計流量系數(shù)mdH01.0若Hd堰的設(shè)計流量系數(shù)為常數(shù)。當(dāng)實質(zhì)工作水頭不等于設(shè)計水頭時，，則H01.0mmd；若Hd，則mmd

P11.33P1若Hdm將隨Hd，此時行近流速加大，流量系數(shù)的減小而減小，H0P1mH0P1)此時流量系數(shù)m不單與Hd相關(guān)，還與Hd相關(guān)，即mdf(,HdHd。、側(cè)縮短系數(shù)

側(cè)縮短系數(shù)的經(jīng)驗公式為

H0110.2[k(n1)0]nb

式中，k為邊墩形狀系數(shù)，0為閘墩形狀系數(shù)，其數(shù)值可按不一樣樣形狀分

查圖或表確定。

4、吞沒系數(shù)

對一般高堰，當(dāng)下游水位高出堰頂，并堰下發(fā)生吞沒水躍時，稱為吞沒

出流。此時過堰水流受下游水位頂托，將使堰的過流能力降低。實質(zhì)計算時，一

般用吞沒系數(shù)反應(yīng)下游水位和堰后護(hù)坦高程對過流能力的影響。吞沒系數(shù)決定于

hsP2hs0.15P22.0H0及H0。對WES剖面堰，當(dāng)H0及H0時，出流不受下游水位的影響，稱為自由出流。

第五節(jié)寬頂堰流的水力計算

工程實質(zhì)中，寬頂堰流的水流現(xiàn)象是十分常有的。如進(jìn)水閘，無論有坎

仍是無坎（平底），其水流均屬于寬頂堰流；流經(jīng)無壓隧洞進(jìn)口、涵管進(jìn)口、橋

孔、施工圍堰的水流等也都屬于寬頂堰流。

2.510當(dāng)堰頂水平且相對厚度H時，過堰水流會在進(jìn)口處形成水面跌

落，在堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段流線近似平行堰頂?shù)臐u變流動，這種堰流就稱為寬頂

堰流。

一、有坎寬頂堰流的水力計算

1、流量系數(shù)

P1

寬頂堰流的流量系數(shù)m取決于堰的進(jìn)口形式和堰的相對高度H，詳細(xì)可按以下經(jīng)驗公式計算。

（1）矩形有直角前沿進(jìn)口的寬頂堰

P13m0.320.01H0.460.75P1H

P1P1P13033上式合用范圍：H；當(dāng)H時，取H，此時，流量系數(shù)為常數(shù)，m0.32。

（2）矩形帶圓角前沿進(jìn)口的寬頂堰

P13m0.360.01HP11.21.5H

0P13P13P13H；當(dāng)H時，取H上式合用范圍：，此時，流量系數(shù)為常數(shù)，m0.36。

P13由上兩式可知，當(dāng)H0.32，時，流量系數(shù)m為常數(shù)，直角進(jìn)口，m圓角進(jìn)口，m0.36，是最小值；當(dāng)P10時，流量系數(shù)m為最大值，m0.385；0P13當(dāng)H，其流量系數(shù)在必然范圍變化，直角進(jìn)口m0.32~0.385，圓角進(jìn)口m0.36~0.385。

依照理論推導(dǎo)，寬頂堰流的流量系數(shù)最大值不高出。

2、側(cè)縮短系數(shù)

影響側(cè)縮短的主要因素是閘墩和邊墩的頭部形狀、數(shù)目和閘墩在堰頂?shù)南鄬Φ刂芳把呱纤畠?yōu)等。側(cè)縮短系數(shù)仍可按經(jīng)驗公式計算。

3、吞沒系數(shù)

寬頂堰流吞沒出流，整個堰頂水流都將變?yōu)榫徚?。因此，寬頂堰流的?/p>

沒條件是下游水位高出堰頂?shù)乃頷s大于堰頂自由出流時的縮短斷面水深hc相

共軛的躍后水深hc，即hshc。對此吞沒條件，當(dāng)前用理論分析還有困難，多采用試驗資料來鑒別。依照試驗，寬頂堰流的吞沒條件為hs(0.75~0.85)H0，hs取平均值為hs0.8H0。其吞沒系數(shù)s隨相對吞沒度H0的增大而減小，其詳細(xì)數(shù)值可查表確定。

二、無坎寬頂堰流的水力計算

經(jīng)過平底進(jìn)水閘、橋墩、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流，雖無底坎的阻截作用，但因碰到平面上的束窄，水面也發(fā)生跌落，其流動現(xiàn)象稱為無坎寬頂堰流。

無坎寬頂堰流自己是由側(cè)向縮短產(chǎn)生的，故不再獨自考慮側(cè)縮短系數(shù)，而是將側(cè)縮短的影響一并考慮在流量系數(shù)之內(nèi)。無坎寬頂堰流的流量系數(shù)采用查表法確定。需要注意的是多孔無坎寬頂堰流的流量系數(shù)要取邊孔和中孔的加權(quán)平均值，即

mm(n1)msmn

式中，n為堰孔數(shù)目；mm為中孔的流量系數(shù)，ms為邊孔的流量系數(shù)。

無坎寬頂堰流的吞沒判斷條件及其吞沒系數(shù)確實定可近似地參照有坎寬

頂堰流確定。

第六節(jié)閘孔出流的水力計算

水利工程中的水閘，其閘底坎一般為寬頂堰或曲線型合用堰。依照

閘前水深H、閘門開度e和下游水深ht的不一樣樣，閘孔出流就擁有不一樣樣的水流形態(tài)。

若是閘前水頭H不隨時間改變，當(dāng)閘門開度e一準(zhǔn)時，出流流速和流量不隨時間改變，閘孔出流為恒定出流，否則為非恒定出流。

一、底坎為寬頂堰型的閘孔出流

計算公式Qsbe2gH0

式中，流量系數(shù)s為吞沒系數(shù)。

（一）、流量系數(shù)與垂直縮短系數(shù)

、寬頂堰上平板閘門

（1）垂直縮短系數(shù)2

儒可夫斯基（Н．Е．Жуковский）采用數(shù)理分析方法，求

e

得了垂直縮短系數(shù)2隨H0變化的數(shù)值，查表確定。

（2）流量系數(shù)

南京水利科學(xué)研究所經(jīng)驗公式

0.600.176

e

H

e0.10.65此式合用范圍：H。

2、寬頂堰上弧形閘門

（1）垂直縮短系數(shù)2

2主要與閘門下緣切線與水平方向的夾角值相關(guān)，查表確定。

（