第八章

堰流及閘孔出流

1精選完整ppt課件水利工程中，為了防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電等要求，需要修建溢流壩、水閘等控制水流的水工建筑物以渲泄或調(diào)節(jié)流量。例如，溢流壩、水閘底檻、橋孔、無壓涵洞進(jìn)口2精選完整ppt課件在水力學(xué)中，把頂部溢流的水工建筑物稱為堰。經(jīng)過堰水流，當(dāng)受到閘門控制時，就是閘孔出流，簡稱孔流。eH00圖8-1b閘孔出流3精選完整ppt課件當(dāng)水流沒有受閘門控制時就是堰流。bH00V0圖8-1c堰流4精選完整ppt課件閘孔出流：閘孔上、下游水面曲線不連續(xù)；過水能力弱。異同點：堰流：水面線為一條光滑曲線；過水能力強(qiáng)共同點：1壅高了上游水位；2在重力作用下形成的水流運(yùn)動；3明渠急變流：在較短范圍內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲，存在離心慣性力；4出流過程的能量損失主要是局部損失5精選完整ppt課件相對性：堰流和閘孔出流是相對的。堰流和閘孔出流條件取決于：閘孔相對開度；閘底坎及閘門(或胸墻)型式；上游來流條件（漲水或落水）等。6精選完整ppt課件平頂堰：e/H≤0.65為閘孔出流；e/H＞0.65為堰流。式中：e為閘孔開度；H為從堰頂算起的閘前水深。eH007精選完整ppt課件曲線型堰：e/H≤0.75為閘孔出流；e/H＞0.75為堰流。平頂堰：e/H≤0.65為閘孔出流；e/H＞0.65為堰流。式中：e為閘孔開度；H為從堰頂算起的閘前水深。beH00圖8-1a堰流及閘孔出流8精選完整ppt課件堰流及閘孔出流是水利工程中常見的水流現(xiàn)象，其水力計算的主要任務(wù)是研究過水能力。本章將應(yīng)用水力學(xué)的基本原理，分析堰閘出流的水力特性，介紹有關(guān)水力計算方法。9精選完整ppt課件§8-1堰流的類型及計算公式在水利工程中，常根據(jù)不同建筑條件及使用要求，將堰作成

不同類型。例如，溢流壩常用混凝土或者石料作成厚度較大的曲線型或者折線型；實驗室使用的量水堰一般用鋼板或者木板作成很薄的堰壁。顯然，堰坎外形及厚度不同，其能量損失以及過水能力不同。10精選完整ppt課件堰流的類型研究表明，流過堰頂?shù)乃餍蛻B(tài)

隨堰坎厚度與堰頂水頭之比δ/H而變。工程上，按δ與H的相對大小可以將堰流分為：薄壁堰實用堰寬頂堰11精選完整ppt課件薄壁堰流：δ/H＜0.67越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只有線的接觸。水面呈單一的降落曲線。由于堰頂常作成銳緣形，故薄壁堰也稱為銳緣堰。V011V1P200δ12精選完整ppt課件2實用堰流：0.67＜δ/H＜2.5由于堰頂厚度繼續(xù)加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受到堰頂約束和頂托，已影響水舌形狀和堰的過流能力。00V0Hδ11圖8-2d曲線型實用堰曲線型實用堰：水利工程，常將堰作成曲線型，稱為曲線型實用堰。13精選完整ppt課件2實用堰流：0.67＜δ/H＜2.5由于堰頂厚度繼續(xù)加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受到堰頂約束和頂托，已影響水舌形狀和堰的過流能力。H00P1P211v1v0δ圖8-2c折線型實用堰折線型實用堰：水利工程，常將堰作成折線形，稱為折線型實用堰。14精選完整ppt課件3寬頂堰：2.5＜δ/H＜10堰頂厚度對水流的頂托作用非常明顯。水流特征：水流在進(jìn)口附近的水面形成降落；有一段水流與堰頂幾乎平行；下游水位較低時，出堰水流形成第二次水面降。H00P1P21v0δ11v1圖8-2e寬頂堰15精選完整ppt課件堰坎厚度繼續(xù)增加δ＞10H，則沿程水頭損失已經(jīng)不能略去，水流不屬于堰流，而是明渠水流。P1δi>ikKKH圖8-3明渠水流16精選完整ppt課件二、堰流的基本公式現(xiàn)應(yīng)用能量方程推求堰流的基本公式。V011V1P200δ對堰前斷面0-0和堰頂斷面1-1列能量方程基準(zhǔn)面：通過堰頂?shù)乃矫?。HP117精選完整ppt課件二、堰流的基本公式由此可得：V1:1-1斷面的平均流速V0:0-0斷面的平均流速α1，α2：動能修正系數(shù)ζ：局部阻力系數(shù)V011V1P200δHP118精選完整ppt課件令：流速系數(shù)流量系數(shù)則堰流計算的基本公式：19精選完整ppt課件影響流量系數(shù)的主要因素：反映局部水頭損失的影響反映堰頂水流垂直收縮的程度（1-1斷面水舌厚度kH）代表堰頂斷面平均測壓管水頭與堰頂全水頭之比堰頂水頭、堰邊界（上游堰高P1、堰頂口邊緣形狀等）。20精選完整ppt課件上述公式?jīng)]有考慮堰的淹沒出流影響和側(cè)收縮影響。側(cè)向收縮：有的堰頂過流寬度小于上游渠道寬度或是堰頂設(shè)有閘墩及邊墩，引起水流的側(cè)向收縮，降低了堰的過流能力。側(cè)收縮系數(shù)：反映側(cè)向收縮影響的一個系數(shù)。若把淹沒出流和側(cè)收縮影響反映到公式中來，則堰流計算公式為21精選完整ppt課件8-3實用堰流的水力計算實用堰是水利工程中常見的堰型之一用途：作為檔水建筑物和泄水建筑物低堰壩常用石料砌成折線型較高的溢流壩一般作成曲線型22精選完整ppt課件實用堰的水力計算公式采用：式中，

n為孔數(shù)；b’為一孔的凈寬淹沒系數(shù)：側(cè)收縮系數(shù)：23精選完整ppt課件曲線型實用堰的剖面形狀上游直線段：AB堰頂曲線段：BC下游直線段：CD，坡度m=cthα下游河底連接段：DEEHdP1P2ABCDOαm24精選完整ppt課件上游直線AB段：

垂直的，或者傾斜：取決于溢流壩的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求EHdP1P2ABCDOαm25精選完整ppt課件2反弧段：使直線CD與下游河底平滑連接，避免水流沖刷河床EHdP1P2ABCDOαrm26精選完整ppt課件2反弧段：r：一般情況下：對于非基巖上、高度不大的壩EHdP1P2ABCDOαr式中，Hd溢流壩剖面設(shè)計水頭；zmax為最大上下游水位差。m27精選完整ppt課件2反弧段：r：一般情況下：對于非基巖上、高度較大的壩EHdP1P2ABCDOαr式中，Hd溢流壩剖面設(shè)計水頭；zmax為最大上下游水位差。m28精選完整ppt課件3堰頂曲線BC：對堰流影響最大，是設(shè)計曲線型實用堰剖面形狀的關(guān)鍵。理想的曲線型實用堰剖面形狀：與薄壁堰水舌下緣形狀吻合，不產(chǎn)生真空，過流能力最大。但是，實際中完全吻合不可能。原因：水位波動，水舌不是穩(wěn)定的（紊動影響）29精選完整ppt課件曲線型實用堰切入到薄壁堰水舌下緣內(nèi)部堰壁不產(chǎn)生負(fù)壓，但是過流能力有所降低堰面不出現(xiàn)真空的堰稱為非真空剖面堰30精選完整ppt課件曲線型實用堰和薄壁堰水舌下緣內(nèi)部形成空間過流能力有所提高，但堰壁產(chǎn)生負(fù)壓因此，實際采用的剖面形狀

按照薄壁堰下游水舌下緣曲線稍加修改而成。堰面出現(xiàn)真空的堰稱為真空剖面堰31精選完整ppt課件以前，我國采用較多的是克里格—奧菲采洛夫剖面，

簡稱克—奧剖面。該剖面略嫌肥大，曲線坐標(biāo)用用表給出，坐標(biāo)點少，施工中不便控制。有關(guān)克—奧剖面的設(shè)計方法可參考有關(guān)水力學(xué)書籍。32精選完整ppt課件美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，推薦Ogee剖面作為標(biāo)準(zhǔn)剖面該斷面參數(shù)均與行進(jìn)流速水頭、設(shè)計全水頭有關(guān)，即考慮了壩高對堰頂剖面曲線的影響。因此，適應(yīng)不同上游壩高的堰剖面設(shè)計。有關(guān)Ogee剖面的設(shè)計方法參考有關(guān)的水力學(xué)參考書。33精選完整ppt課件近年來多采用WES剖面，

美國陸軍工程兵團(tuán)水道試驗站的標(biāo)準(zhǔn)剖面。WES剖面用曲線方程表示，便于控制；堰剖面較瘦可節(jié)省工程量；堰面壓強(qiáng)分布比較理想，負(fù)壓不大，對安全有利。34精選完整ppt課件下面看重介紹WES剖面的水力設(shè)計方法。R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.282Hd圖8-11WES剖面35精選完整ppt課件R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.282Hd圖8-11WES剖面堰頂O點下游曲線：

式中，k，n取決于堰上游面坡度。當(dāng)上游面為垂直時k=0.5，n=1.85Hd:為不包括行近流速水頭的剖面設(shè)計水頭，簡稱設(shè)計水頭。36精選完整ppt課件R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.282Hd圖8-11WES剖面堰頂O點上游曲線：

采用三段復(fù)合園弧相接堰頂曲線上游與上游面平滑連接改善堰面壓強(qiáng)分布，減小負(fù)壓。目的：37精選完整ppt課件R1R2R3yxxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.282Hd圖8-11WES剖面堰頂O點上游曲線：

采用三段復(fù)合園弧相接38精選完整ppt課件從上述可知:堰剖面曲線的坐標(biāo)值取決于設(shè)計水頭

問題是：設(shè)計堰時，堰頂水頭在(Hmin～Hmax)范圍變化。因此，選定設(shè)計水頭Hd＝？使當(dāng)H=(Hmin～Hmax)，堰面：較大流量系數(shù)，堰面又不產(chǎn)生過大負(fù)壓。39精選完整ppt課件分析兩種極端的情況：如果Hd=Hmax可以保證堰面不出現(xiàn)負(fù)壓，但H<Hd時，堰面壓強(qiáng)為正；流量系數(shù)減小；堰剖面偏肥，不經(jīng)濟(jì)。如果Hd=Hmin可得到較為經(jīng)濟(jì)的剖面。但H>Hd，堰面產(chǎn)生較大負(fù)壓嚴(yán)重時危及壩安全40精選完整ppt課件工程中經(jīng)常采用Hd=(0.75～0.95)Hmax。當(dāng)H>Hd時，真空剖面堰；當(dāng)H<Hd時，堰剖面堰稍偏肥大WES剖面，主要適用高溢流堰，原因：設(shè)計中并未考慮行近流速的影響。但有些研究報告認(rèn)為WES剖面可直接移用作低堰剖面。41精選完整ppt課件二、曲線型實用堰的流量系數(shù)對于不同堰型，流量系數(shù)不同。水力設(shè)計時，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。對于重要工程需要通過模型試驗確定。一般情況下：m=m(P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度)42精選完整ppt課件堰上游面垂直的WES剖面：若P1/Hd≥1.33，稱高堰，m=f(H0/Hd)可不計行近流速水頭設(shè)計流量系數(shù)md=0.502當(dāng)H0/Hd=1時，m=md=0.502當(dāng)H0/Hd＜1時，m＜md當(dāng)H0/Hd＞1時，m＞md43精選完整ppt課件若P1/Hd＜1.33稱為低堰，行近流速加大，設(shè)計的流量系數(shù)m上圖。P1/Hd低堰范圍低堰范圍高堰44精選完整ppt課件三、側(cè)收縮系數(shù)溢流壩都有邊墩，多孔溢流壩還有閘墩。邊墩和閘墩將使水流發(fā)生平面收縮，增大了局部水頭損失，降低過流能力。側(cè)收縮系數(shù)：用于考慮邊墩及閘墩對過水能力影響。45精選完整ppt課件側(cè)收縮系數(shù)ε：與閘墩、邊墩平面形狀、溢流孔數(shù)、堰上水頭、溢流寬度等因素有關(guān)。按下列經(jīng)驗公式計算：式中：n為溢流孔數(shù)；b為每孔寬度；Ka為邊墩系數(shù)；KP為閘墩系數(shù)。ε=1-0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’46精選完整ppt課件Ka：與邊墩平面形狀和行進(jìn)流速有關(guān)。對于圓弧形邊墩：當(dāng)行進(jìn)水流正向進(jìn)入溢流堰時，0.1對于與混凝土非溢流壩段鄰接的高溢流堰0.2對于與土壩鄰接的高溢流堰當(dāng)行進(jìn)水流非正向進(jìn)入溢流堰時，Ka適當(dāng)加大。ε=1-0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’Ka增大，ε越小，對過流能力影響越大。Ka＝47精選完整ppt課件Kp：閘墩系數(shù)與下列因素有關(guān)：ε=1-0.2［Ka＋(n-1)KP］H0/nb’閘墩頭部形狀；HO/Hd；閘墩頭部與堰上游面的相對位置有關(guān)。48精選完整ppt課件四、淹沒及下游護(hù)坦高程對過流能量的影響試驗研究表明：堰下游可為自由出流：過流能力不受下游水位影響淹沒出流：過水能力降低原因：當(dāng)下游水位高過堰頂至某一范圍時，堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒水躍，過堰水流受下游水位頂托49精選完整ppt課件堰下游可為自由出流：過流能力不受下游水位影響淹沒出流：過水能力降低V0H0P1自由出流：00V0H0hsP2ht淹沒出流：50精選完整ppt課件淹沒出流對過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示。淹沒系數(shù)σs：取決于hs/H0和P2/H0

hs/H0（hs從堰頂算起的下游水深）這是明顯的。因為hs越大，下游水位的頂托作用越大，對過流能力影響越大51精選完整ppt課件淹沒出流對過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示。淹沒系數(shù)σs：取決于hs/H0和P2/H0

P2/H0（P2下游堰高）當(dāng)下游護(hù)坦較高，P2/H0較小時即使下游水位低于堰頂過堰水流也會受下游護(hù)坦影響，產(chǎn)生類似的淹沒效果降低過流能力。52精選完整ppt課件對于WES剖面：V0H0P1自由出流：hs/H≤0.15及P2/H0≥200V0H0hsP2ht淹沒出流：P2/H0＜2或hs/H0＞0.1553精選完整ppt課件五、曲線型低堰的水力設(shè)計介紹水利工程中，河岸式溢洪道或者開敞式進(jìn)水閘，由于地形、地質(zhì)、等多方面的因素的影響，常將底坎作成高度較小的寬頂堰或者實用堰。當(dāng)作成高度較小的曲線型實用堰時，常能得到比寬頂堰大的流量系數(shù)。54精選完整ppt課件五、曲線型低堰的水力設(shè)計介紹當(dāng)作成高度較小的曲線型實用堰時，常能得到比寬頂堰大的流量系數(shù)。這種堰仍按照流量的基本公式進(jìn)行水力計算，但是其水力特性及流量系數(shù)均與高堰有一定的區(qū)別。55精選完整ppt課件下面針對WES剖面作簡略的介紹高堰：當(dāng)P1/Hd≥1.33，可略去行進(jìn)流速。低堰：當(dāng)P1/Hd＜1.33，行進(jìn)流速水頭已不能忽略。56精選完整ppt課件3．關(guān)于堰的剖面設(shè)計：前述關(guān)于WES剖面，主要是適用于高堰，因為剖面設(shè)計中，并未考慮進(jìn)行流速的影響。但是