堰流公式

第八章 堰流及闸孔出流

水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。

堰是顶部过流的水工建筑物。

图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响

闸孔出流：过堰水流受闸门控制时，就是孔流

堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位；在重力作用下形成水流运动；明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力；出流过程的能量损失主要是局部损失。

相对性： 堰流和孔流是相对的，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件（涨水或落水）。

平顶堰： e /H ≤0.65 孔 流 曲线型堰：e/H ≤ 0.75 孔 流 e/H ＞ 0.75 堰 流 e/H ＞0.65 堰 流 式中：e 为 闸孔开度； H 为 堰上水头

堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。

图4 闸孔出流

e

H

H

v 0

图1 堰流

b

H

图2 堰流

b

e

图3 堰流及闸孔出流

H

第一节 堰流的分类及水力计算基本公式

一、堰流的分类

水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。

堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示

行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v 0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离：L =（3～5) H

研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ /H 而变，工程上，按δ与H 的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。

1. 薄壁堰：δ/H ＜0.67

越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰。

2. 实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5

水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰。堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形。

3. 宽顶堰：2.5＜δ/ H ＜10

宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。

水流特征：水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流二次水面降。

4. 明渠水流：堰坎厚度δ＞10H

当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降

二、堰流水力计算的基本公式

对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程 基准面：通过堰顶的水平面

分析：0-0断面为渐变流，1-1 断面为急变流（流线弯曲）

g

v p

z H g

v H 2)

(22

111020

0αζαγ

α+++

==+

①

式中：γ

p

z +

为1-1 断面测压管水头的平均值；

v 0 为0-0 断面的平均流速； v 1为1-1 断面的平均流速； ζ为 局部阻力系数 令 0p

z H ξγ

+

=，则①式可变为

2

11001 ()

2v H H g

αξας-=+ ②

由②式得

1v =

令b kH A 01=，其中k 为系数，则

230

10010121)(2H g b k

H H g b

kH A v Q ξς

αξς

α-+=

-+=

=

③

再令 ：流速系数 ςαϕ+=

11 ；流量系数 ξϕξς

α-=-+=111k k

m

则③式可变为

2

302H g mb Q = ④

由④式可知：2

30H Q ∝ 影响流量系数的主要因素

ξϕξϕ,,),,(k k m m ⇒=

ϕ——反映局部水头损失的影响。包括：堰顶水头、上游堰高P 1、堰顶口边缘形状等

k ——反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH ）

ξ——代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比

侧向收缩影响 有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数ε反映其影响。

下游水位的影响 堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数s σ反映。

堰流公式：

2

30 2H g mb Q s εσ=

第二节 薄壁堰流

薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。

曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此，研究薄壁堰具有重要的实际意义。

一、矩形薄壁堰流

矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。 为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足：

① H > 2.5 cm ，否则堰下形成贴壁流，出流不稳定 ② 水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定