水力学第八章

第八章堰流及闸孔出流§8-1概述§8-2堰流的基本公式§8-3闸口出流的基本公式§8-1概述通过堰的水流称为堰流；从顶部溢流而水面不受约束的壅水建筑物。堰由闸门控制水流的泄水建筑物。闸通过闸孔的水流称为闸孔出流。2eHHe(d)(c)(a)(b)eHeH112堰流、闸孔出流的特点从水流现象来看1）堰、闸的存在使得河渠中的水位被壅高，上游水流是缓流；2）堰流的水流表面不受闸门约束而保持连续的自由水面；3）闸孔出流的水流表面受闸门下缘的约束而没有连续降落的自由水面；从能量方程来看22111222121222wpvpvzzhgg1）过堰、闸时，能量的转换形式主要是从位能转换为动能。2）两过水断面间水流的能量耗损主要是局部水头损失，沿程水头损失是次要的。有压管流和明渠流的沿程水头损失往往是主要的。堰流的主要特征量堰宽b：水流漫过堰顶的宽度；堰上水头H：堰上游水位与堰顶高程之差；堰壁厚度δ及它的剖面形状；下游深度ht等。研究堰流和闸孔出流的主要目的建立过堰、闸的流量Q与其特征量之间的关系。按照堰壁厚度δ对堰流的影响，将堰分为薄壁堰、实用堰和宽顶堰三种。堰流的分类•薄壁堰堰壁厚度很薄，不影响水舌形状，堰壁对自由水舌没有顶托的作用。常用作实验室和灌溉渠道中量测流量的设备。水流过堰的能量损失主要是过水断面缩小而引起的局部水头损失。•实用堰堰壁厚度对水舌有一定的影响，从而对过水能力产生影响。这时水流过堰的能量损失仍为收缩型局部损失。实用堰有折线型和曲线型两种。真空区薄壁堰水舌下缘薄壁堰水舌上缘•宽顶堰堰壁厚度较大，水舌受到堰顶的顶托作用加大，水流表面出现下凹的形状，堰壁对过水能力的影响也相应加大。水流过堰的能量损失仍以局部水头损失为主，但沿程水头损失已占一定比重。根据堰的形状分类根据堰与渠道水流的相对位置分类•矩形堰•三角堰•梯形堰•正交堰（堰与渠道水流方向正交）•斜堰（堰与渠道水流方向不正交）•侧堰（堰与渠道水流方向平行）堰流的判别标准对于堰流来讲即使是同一个堰，当堰前水头H变化时，堰流类型也会相应变化。时过渡为明渠流为宽顶堰流为实用堰流为薄壁堰流105.21067.05.267.0HHHH堰流类型取决于堰宽与堰前水头之比δ/H。闸孔出流的主要特征量闸宽b、闸门开度e、闸前水头H、闸底板及闸墩结构、下游水深ht等。常见的闸孔有实用堰上闸孔和宽顶堰上闸孔两种。2eHHe(d)(c)(a)(b)eHeH112堰流和闸口出流的判别标准宽顶堰式闸坝0.650.65eHeH时为堰流时为闸孔出流实用堰式闸坝时为闸孔出流时为堰流75.075.0HeHe同一个建筑物上，在不同运行工况下有时会形成堰流，有时则会形成闸孔出流。自由溢流和淹没溢流水流通过堰、闸时，在堰下游和闸后形成急流和水跃。下游水深ht足够大时形成淹没式水跃，也即形成淹没溢流。此时下游水深ht对堰、闸的过水能力产生影响。下游水深不影响堰、闸过水能力时的堰流和闸孔出流称为自由溢流。在相同的上游水头作用和闸门开度情况下，淹没溢流的流量比自由溢流的流量小。侧收缩影响上游来流的水面宽度和堰的净宽是不相等的。边墩和闸墩将迫使过堰水流产生横向收缩。有无侧收缩影响的判别标准：时无侧收缩影响且时有侧收缩影响1nbBnbB§8-2堰流的基本公式无侧收缩影响和淹没影响的宽顶堰为例推导堰流的基本公式gvgvhgvH222222001,22000gvHH0Hhk002kHHgv对无侧收缩影响的单孔宽顶堰流，堰宽为b，则流量为vbhQkkm12302HgmbQ对薄壁堰、实用堰均适用，对不同堰流，流量系数m的变化规律和表达式不同。2302HgbmQ23200021gHvmmvkHb)(02/3021Hgbkk堰流自由溢流的基本公式直角三角形薄壁堰流量公式47.2343.1HQH以m计，Q以m3/s计，该式适用范围为H=0.06-0.55m。θ考虑侧收缩影响和淹没影响的堰流基本公式当堰宽小于上游来流宽度或堰顶设有边墩或闸墩时，应考虑侧收缩影响：2302HgmnbQ当下游水深较大以致形成淹没溢流时，还应考虑淹没影响：2302HgmnbQs2302HgmnbQs流量系数、侧收缩系数和淹没系数的变化规律•薄壁堰流对有侧收缩影响但无淹没影响的矩形薄壁堰2302HgbmQ23200021gHvmm20200055.0103.00027.0405.0BbPHHBbBHmB0为引水渠宽，b为堰宽，P为堰顶高程与上游堰底高程之差。矩形薄壁堰在自由溢流时，流量系数m0大体上为0.42左右。在形成淹没溢流时，下游水面波动较大，溢流很不稳定，一般情况下量水用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。对于无测收缩的单孔矩形薄壁堰1/,0/000BbBbB2055.010027.0405.0PHHHm•实用堰流曲线型实用堰和折线型实用堰曲线型实用堰堰顶曲线的设计依据：根据矩形薄壁堰在设计水头Hd时自由溢流水舌的下缘形状来确定。实际水头大于设计水头，水舌将偏离堰面与堰面间形成一定程度的真空，流量系数会相应增加；实际水头小于设计水头，水舌将贴压堰面使堰面压力增大，流量系数相应减小；H/Hd(m)0.540.500.460.420.381.41.21.00.80.60.40.20.0dHP3dHHkkm3149.0对上游面垂直的WES剖面堰：对克-奥剖面堰：100175.0778.0k0010.2~2.01519dHH及＝～克-奥剖面堰：m=0.49WES剖面堰:m=0.502ddHHfmHp的堰高33.1折线型实用堰梯形实用堰的流量系数m与P/H（相对堰高）、δ/H（相对堰宽）以及上下游堰面倾斜角θ1、θ2有关。图8.2.4δθθ根据表8.2.1可以查出梯形实用堰的流量系数m。实用堰的侧收缩系数有侧收缩影响时实用堰自由出流的流量公式2302HgmnbQnbHncr0012.01ζcr和ζ0是根据边墩和中敦形状决定的系数。由图8.2.5及表8.2.2查得。适用条件dnnbBbHHhs10.190.0~85.0000及hs为下游水位超过堰顶的高度实用堰淹没溢流的判别及淹没系数实用堰发生淹没溢流的条件下游水位超过堰顶下游发生淹没式水跃实用堰下游发生淹没式水跃的条件crPzPz22z为上下游水位差，P2为堰顶与堰下游底板的高程差。临界值(z/P2)cr与相对水头H/P2和流量系数m有关。可由图8.2.7查得。H/p2m=0.45m=0.48m=0.42m=0.40m=0.39m=0.38m=0.37m=0.351.251.000.753.02.52.01.51.00.500.502crzp实用堰的淹没系数σs可由表8.2.3查得。2302HgmnbQshs为下游水面超过堰顶的高度•宽顶堰流流量系数m与堰的进口形式以及堰的相对高度P1/H有关。11rpHKKhcccpHNNH0(a)(b)对矩形有直角前沿进口的宽顶堰，别列津斯基公式HPHPm1175.046.0301.032.0对矩形带圆角前沿进口的宽顶堰，别列津斯基公式HPHPm115.12.1301.036.0•当P1/H=3.0时，m值最小，m分别为0.32和0.36;•当P1=0时，m值最大，都为0.385；•适用范围均为0.3/01HPHPHPm1175.046.0301.032.0HPHPm115.12.1301.036.0•当P1/H3.0时，带直角前沿进口的宽顶堰，流量系数用m=0.32；带圆角前沿进口的宽顶堰，流量系数用m=0.36。有直角前沿进口带圆角前沿进口宽顶堰的侧收缩系数nbHncr0012.01宽顶堰的淹没溢流的判别当下游水位较低时(低于K-K线)，堰顶收缩水深hc小于临界水深hcr，堰顶水流为急流，下游水深不影响堰的过水能力，为自由溢流。与实用堰相同hshcrhcKKHp1(a)当下游水位稍高于k-k线时，堰顶出现波状水跃，此时hc仍小于hcr，下游水深仍不影响堰的过水能力。hshcrhcKKp1H(b)当下游水位再升高，以至收缩断面被淹没，收缩断面处水深hc已大于临界水深hcr，堰顶水流为缓流，这时，下游的干涉波能向上传播，下游水位已对过堰流量产生影响，形成宽顶堰淹没出流。cchshcrhcKKp1H(c)形成宽顶堰淹没溢流的条件80.00Hhshs为下游水位超过堰顶的高度。淹没系数与hs/H0有关，可由表8.2.4查得。•无坎宽顶堰流对于多孔无坎宽顶堰流,流量系数m按下式计算:nmnmmsm1n为堰孔数目；mm中孔的流量系数；ms边孔的流量系数。流量系数mm和ms由表8.2.5中查出。表8.2.5中的流量系数已包括侧收缩影响在内。无坎宽顶堰淹没溢流的判别标准与宽顶堰流相同；淹没系数的取值也由表8.2.4确定。例8.2.1某河进水闸底板高程与上游河床高程相同，均为5.0m，闸孔共28个，孔宽10.0m,闸墩厚d=1.6m,墩头为半圆形，边墩为1/4圆弧，圆弧半径r=1.9m，闸上游河宽B0=327.0m，闸全开，上游水位9.0m，当下游水位为5.0m时，求过闸流量。(含侧收缩的流量系数m=0.3688。)5图8.2.12s/m35.365748.9210283688.0232/32/30)1(HgmnbQ用H代替H0m4.48.9280.242s/m80.2432735.365722000gvHHAQvs/m46.42194.48.9210283688.0232/32/30)2(HgmnbQm53.48.9223.342s/m23.3432746.421922000gvHHAQv下游水位与堰顶齐平，故过闸水流为无坎宽顶堰自由溢流，无坎宽顶堰侧收缩系数已计入在流量系数内。例8.2.2某河进水闸底板高程与上游河床高程相同，均为5.0m，闸孔共28个，孔宽10.0m,闸墩厚d=1.6m,墩头为半圆形，边墩为1/4圆弧，圆弧半径r=1.9m，闸上游河宽B0=327.0m，闸全开，上游水位9.0m，求下游水位升至8.6m时流量为多少？5图8.2.12宽顶堰淹没溢流m)(6.30.56.8shm4.40H8.082.04.46.30Hhs由表8.2.3查得82.00Hhs99.0s淹没系数s/m26.41774.48.9210283688.099.0232/32/30HgmnbQsm)(52.48.9219.342s)/m(19.3432726.417722000gvHHAQv§8-3闸孔出流的基本公式当下游水位较低，使闸孔下游发生远驱式水跃，下游水位不影响闸孔流量为自由出流。宽顶堰上的闸孔出流11Hv0evchccchtcchtRCvchcev0H11(a)平板闸门(b)弧形闸门θ当下游水位较高，使闸孔下游发生淹没式水跃，以至影响闸孔出流时，为淹没出流。RHehccchthtcchceH(a)平板闸门(b)弧形闸门θ•自由出流11Hv0evchccchtcchtRCvchcev0H11(a)平板闸门(b)弧形闸门θ对断面1-1和收缩断面c-c列能量方程gvgvhgvHccc2222220gvHH2200cchHgv021chHg02宽顶堰式闸孔出流的流速系数φ值可查表8.3.1收缩断面水深ehc1ε1为垂向收缩系数，过闸水流垂向收缩的程度。cc