第七章 堰闸流动答辩

Q C0 H 5/2 C0 为直角三角形薄壁堰的流量系数，一般取1.4。 当 H>0.25m 时，直角三角形薄壁堰的 流量计算式为：
Q 1.343H 2.47
EXIT
7.3 实用堰流的水力计算
溢流坝是实用堰的典型例子。低溢流堰常用石料砌筑成折线 形，称为折线形实用堰；较高的溢流坝为了增大过流能力， 一般设计成曲线形，称曲线形实用堰。
EXIT 22
薄壁堰自由出流时，水舌下缘曲线的特性
针对矩形薄壁堰自由出流进行分析。
设堰顶 B 点处水流质点流速 u 与水平
方向相交成θ 角，则 x、y 方向的流
速分量为：
ux u cos , u y u sin
则在水舌下缘最高点时有 ux u,uy 0
经时刻 t 后，质点的坐标值为：
H0

H
0v02
2g
令
z
p
g
H0

，ξ为修正系数。则有：
H
0

H 0

1



v12 2g
即
v1
1
1
2gH0 H0
α 0、α 1分别为堰前、堰顶断面的动能修正系数；ζ 为两断面 之间的局部水头损失系数。
堰顶过水断面面积一般为矩形，设断面宽度为 b ；1-1 断面 的水舌厚度表示为 kH0，k 为堰顶水流垂直收缩系数。则1-1 断面的过水面积为 kH0b ；通过的流量为：
反弧半径 r 应结合消能型式综合确定：
对于非岩基上的低坝，水头 H 较大时，可取：
r (0.5 ~ 1.0)(Hd zmax )
对于岩基上的高坝，水头 H<5 m 时，可取：
r (0.25 ~ 0.5)(Hd zmax )
Hd 为设计水头，zmax 为最大上下游水位差。
堰顶曲线段 BC 对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰 剖面形状的关键。
闸孔出流 堰流
闸底坎为曲线型堰时
e 0.75 闸孔出流
H
e 0.75 堰流
H
e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
堰流及闸孔出流水力计算的主要任务是过水能力的计算。
EXIT 7
7.1 堰流的类型及计算公式
7.1.1 堰流的类型
工程中常根据不同的建筑条件和使用要求做成不同的堰。 堰坎外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同。
m0

0.403
0.053
H P1

0.0007 H
式中 P1 为上游堰高，H 及 P1 均以 m 计。
适用于
H≥0.025m，
H P1
≤2 及
P1≥0.3m 。
EXIT
7.2.2 直角三角形薄壁堰流
当所需测量的流量较小（Q＜0.05m3/s）时，若应用矩形薄壁 堰流则水头过小，误差增大。可采用直角三角形薄壁堰。 直角三角形薄壁堰的流量计算公式为：
EXIT 26
7.3.3 侧收缩系数
引入侧收缩系数以考虑边墩及闸墩对过水 能力的影响。
侧收缩系数与边墩及闸墩头部的型式、堰 孔数量、堰孔尺寸以及全水头 H0有关。
1

1
2Ka

(n
1)KP

H0 nb'
式中：n 为堰孔数；H0 为堰顶全水头；
Ka为边墩形状系数，与边墩头部型式及进水方向有关。 对于圆弧形边墩正向进水：与混凝土非溢流坝段邻接 的高溢流坝 Ka 可取 0.1；与土坝邻接的高溢流堰 Ka 可 取0.2。非正向进水时 Ka 值应加大。
渥奇（Ogee）剖面：标准剖面，适用于各种上游坝高。
WES 剖面（现在常用）： 工程量省且易于施工控制， 堰面压强分布合理，负压不 大，利于安全。
WES 剖面堰顶 O 点下游曲线的 取值为：k=0.5，n=1.85。上游曲 线采用三段复合圆弧相接，以使 堰顶曲线与堰上游面平滑连接， 改善堰面压强分布，减小负压。
堰流与闸孔出流也存在着许多共同点：
堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游 水位，在重力作用下形成的水流运动，势能转化成动能；
两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯 性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一 定影响，均属于明渠急变流。
出流过程的能量损失主要是局部损失。
Q H0 2
影响流量系数的主要因素是： 、k 和 。
即 m f , k,
主要反映局部水头损失的影响； k 反映堰顶水流垂直收缩程度； 为堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头间的比例系数。
这些因素除与堰顶水头 H 有关外，还与堰的边界条件，如上 游堰高 P1 以及堰顶进口边缘的形状等有关 。不同类型、不 同高度的堰，其流量系数各不相同。
EXIT 5
对于明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在某种条 件下出流属于堰流，在另外的条件下也可以变成闸孔出流。
水流的转化条件除与闸孔的 相对开度 e 有关外，还与 闸底坎及闸H门（或胸墙）的
型式有关。
上游来流是涨水或降水也影 响流态转换的界限值。
EXIT 6
闸底坎平顶堰时
e 0.65 H e 0.65 H
x

uxt

ut
cos
,
y

1 2
gt 2
消去 t ，且两端同时除以设计水头 Hd ，整理后得：
( y ) k( x )n
Hd
Hd
k

Hd
4 cos2
u2
2g
n2
工程设计中需根据实验确定 k 和 n 的取值。
EXIT 23
工程中常采用的剖面形状有：
克－奥剖面（过去常用）：略肥大，施工中不易控制。
存在闸墩和边墩时， 水流发生侧向收缩， 局部水头损失增加， 过流能力将减小，需 在流量公式中引入侧 收缩系数ε 1。
淹没出流时，还需引入淹没系数 σS 来考虑淹没的影响。于是 有：
3
Q 1smnb ' 2g H0 2
EXIT 19
7.3.1 曲线形实用堰的剖面形状
实用堰设计的核心内容是其剖面形状。曲线形实用堰的剖面 由上游的直线段 AB、堰顶曲线段 BC、下游直线段 CD（坡 度 m α = cot α ）以及反弧段 DE（与下游河床连接）。 好的剖面形状应具有 如下优点：
Q mb
2g

H

a0v02 2g
3/ 2

m 1

a0v02 2gH
3/ 2
b
2g H 3/2
EXIT
令
m0

m1
a0 v0 2 2gH
3/ 2
则得
Q m0b 2g H 3/2
包括行近流速影响的流量系数 m0 可按下列经验公式计算：
P1
/
Hd
，堰顶全水头与设计水头之比
H
0
/
H
，
d
以及上游面的坡度。
对WES剖面， P1 / Hd 1.33 时称高 堰，可不计行近流速水头。若 H0 / Hd 1 ，流量系数 md 0.502。 H0 / Hd 1, m md；H0 / Hd 1, m md。
对 WES 剖面，P1 / Hd 1.33 时， 行近流速加大，流量系数 m 随 P1 / Hd 减小而减小。
叠梁门
三角形薄壁堰
EXIT 14
7.2.1 矩形薄壁堰流
实验证明：当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由出流时，水流 最为稳定，测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应 使上游梁宽与堰宽相同；下游水位低于堰顶。wk.baidu.com
此外为了保证堰为自由出流，还应满足：
堰上水头不宜过小（一般应使H >2.5cm），否则溢流水舌 受表面张力作用，使出流很不稳定。
水流接近堰顶时，由于流线收缩，流速加大，自由表面将逐 渐降落。
堰前断面：堰前水面无明显下降的断面。 堰顶水头 H：堰前断面堰顶以上的水深。 堰前流速 v0：堰前断面的断面平均流速。
实测表明：堰前断面距堰迎水壁面的距离约为 (3~5)H。
EXIT 8
工程上通常按照堰坎厚度δ 与堰上水头 H 的比值大小及水流 的特征将堰流分作：
EXIT
7 堰流及闸孔出流
7.1 堰流的类型及计算公式 7.2 薄壁堰流的水力计算 7.3 实用堰流的水力计算 7.4 宽顶堰流的水力计算 7.5 闸孔出流的水力计算
EXIT
堰：挡水的堤坝。闸：拦住水流的建筑物，可以随时开关。
工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以 控制河流或渠道的水位及流量。
过水能力大；
堰面不出现过大 的负压；
经济、稳定。
EXIT 20
曲线形实用堰的上游直线段 AB 常设计成垂直直线（或倾斜 直线）。上游直线 AB 和下游直线 CD 的坡度主要根据坝体 的稳定和强度要求选定。
反弧段 DE 的作用是使直线 CD 与下游河床平滑连接，避免 水流直冲河床，并利于消能。
堰剖面形状设计方法的主要区别在于曲线段 BC 的确定。
堰面与 水舌下 缘吻合
堰面突出 于水舌下 缘，顶托 水流，将 降低过水 能力
堰面低于 水舌下缘 时，脱离 堰面并形 成真空
堰面空蚀且水 流不稳定
(a)
(b)
(c)
理想的剖面形状是使堰面曲线与薄壁堰水舌下缘吻合。受壁 面粗糙度的影响，且上游水头及水舌形状不会绝对稳定，实 际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。
水舌下面的空间与大气相通，否则由于溢流水舌把空气带 走，压强降低，水舌下面形成局部真空。这种出流也是不 稳定的。
EXIT
实验室中测得的无侧收缩、非淹 没矩形薄壁堰自由出流的水舌形 状如右图。
无侧收缩、非淹没矩形薄壁堰的 流量可采用堰流基本公式计算：
即
Q mb
2g
H 3/2 0
为了便于根据直接测出的水头来计算流量，改写上式，把行 近流速的影响包括在流量系数中去：
0-0 断面为渐变流，1-1 断面由于流 线弯曲水流属急变流，过水断面上 测压管水头不是常数。
采用

z

p g

表示1-1断面上的测压管水头平均值。
H
0v02
2g
z
p
g
1
v12
2g
EXIT 10
堰顶全水头 H0等于堰顶水头与堰前 断面流速水头之和，即：
若 Hd = Hmin ，实际工作水头总大于 Hd ，虽然可以得到较为 经济的剖面，但堰面会产生较大负压，可能危及坝的安全。
工程中常采用的设计水头为：
Hd 0.75 ~ 0.95 Hmax
7.3.2 曲线形实用堰的流量系数
实验研究表明，曲线形实用堰的流量系数主要决定于上游堰
高与设计水头之比
7.2 薄壁堰流的水力计算
薄壁堰流具有稳定的水头和流量关系，因此常作为水力模型 试验或野外测量中一种有效的量水工具。
有些挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄壁堰流计算。
工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁 堰流水舌下缘曲线设计。
常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或三角形， 分别称为矩形薄壁堰或三角形薄壁堰。
EXIT 24
堰剖面的坐标值（大小）取决于设计水头 Hd。实用中堰顶水 头在 Hmin~Hmax 之间变化。 如何合理选择设计水头 Hd ，使所设计的堰剖面在已知的水 头变化范围内工作时， 既有较大的流量系数， 又不致使堰面 产生过大的负压，是剖面设计中应高度重视的问题。
若 Hd = Hmax ，实际工作水头总小于 Hd ，堰面压强高于大气 压强，流量系数减小；且堰面偏肥，不经济。
Q kH0bv1
kH0b
1
1
2gH0 (1 )
3
k 1b 2gH0 2
3
mb 2g H0 2
式中： 1 称为流速系数；k 1 m 为流量系数。
1
上式即为堰流计算的基本公式，适用于堰顶过水断面为矩形 的薄壁堰、实用堰和宽顶堰。由上式可见，
3
薄壁堰流：即 0.67
H
实用堰流：即 0.67 2.5
H
宽顶堰流：即 2.5 10
H
10 时，沿程水头损失不
H
能忽略，应按明渠水流处理。
EXIT 9
7.1.2 堰流的基本公式
对堰前断面 0-0 与堰顶断面 1-1 列 出能量方程，取通过堰顶的水平面 作为基准面。
水流受闸门控制而从建筑 物顶部与闸门下缘间孔口 流出时，称为闸孔出流。
当顶部闸门完全开启，闸 门下缘脱离水面，闸门对 水流不起控制作用时，水 流自由下泄，称为堰流。
EXIT 3
堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。
堰流由于闸门对水流不起控制作用，水面线为一条光滑的降 落曲线；闸孔出流由于受到闸门的控制，闸孔上、下游的水 面是不连续的,两者存在边界条件的差异，过流能力不同。
第七章 闸孔流动
本章学习基本要求：
掌握堰流与闸孔出流特点及其转化判别； 掌握堰的分类及总的堰流计算公式与该公式在各类堰中的
应用； 掌握平顶与曲顶上闸孔出流的水力计算公式与应用； 掌握实用堰的剖面设计及宽顶堰和闸孔出流的水力计算； 掌握闸孔出流水力计算基本公式的应用； 掌握平顶堰上的闸孔与曲顶堰上的闸孔过流特点。