工程流体力学课件 第08章 堰流
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水力学第八章
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。)
B0为引水渠宽，b为堰宽，P为堰顶高程与上游 堰底高程之差。
对于无测收缩的单孔矩形薄壁堰
B0 b / B0 0, b / B0 1
2 0.0027 H m0 0.405 1 0.55 H H P
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。
c H p1 K hc c (c) hcr K hs
形成宽顶堰淹没溢流的条件
hs 0.80 H0
hs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:
m mm n 1 ms n
n为堰孔数目；mm中孔的流量系数；ms边孔的流量系数。
2 2v2
2g
hw12
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。
堰流及闸孔出流课件
闸孔出流在水利工程中的应用
防洪排涝
闸孔出流在防洪排涝工程 中发挥着重要作用，通过 开闭闸门控制洪水与涝水 的排放。
水库泄洪
在水库中，闸孔出流用于 调节水库的蓄水和泄洪， 确保水库的正常运行和下 游安全。
航道通航
闸孔出流结构在航道整治 中应用广泛，如船闸，通 过闸门控制水位，实现船 舶通航。
堰流与闸孔出流联合应用案例
课程目标
掌握堰流及闸孔出流 的原理和基本概念。
掌握堰流及闸孔出流 的工程应用和实际操 作技能。
了解堰流及闸孔出流 的计算方法和设计要 点。
02
堰流概述
堰流的定义
总结词
堰流是指水流在溢过坝顶或闸门时，从自由表面溢流过坝或闸的堰顶，形成无 压流动的现象。
详细描述
堰流是水流在溢过坝顶或闸门时的一种流动现象。当水流达到堰顶时，它会从 自由表面溢流过坝或闸，形成无压流动。这种流动现象通常发生在溢流坝、闸 门等水利工程中。
应用。
堰流的特点
总结词
堰流具有水流连续、流速快、单宽流量大等特点，同时也会受到下游水位、流量等因素的影响。
详细描述
堰流是一种连续性流动现象，水流在溢过坝顶或闸门时形成无压流动，具有流速快、单宽流量大等特点。此外， 堰流的流量和下游水位等因素也会影响堰流的流态和冲刷能力。了解和掌握堰流的特点是进行水利工程设计和运 行管理的重要基础。
05
堰流与闸孔出流的工程应用
堰流在水利工程中的应用
01
02
03
控制水位
堰流作为一种简单而有效 的溢流结构，常用于水库、 水电站等水利工程中，以 调节和控制水位。
水力发电
堰流在水电站中发挥着关 键作用，通过改变水位差 产生水流，驱动水轮机发 电。
8堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算
H
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
8-1 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 的建筑材料 和使用要求 作成不同的 堰。 堰坎外形及 厚度不同其 能量损失及 过水能力也 会不同。
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：
1．薄壁堰流：即 2．实用堰：即 3．宽顶堰流：即
(
y Hd
)
k(
x Hd
)n
式中：系数
k
Hd
4 cos2 u 2
；指数 n =2。
2g
我国采用的剖面有： 1．克里格－奥菲采洛夫（过去常用） 2．渥奇 3．美国水道试验站WES型（现在常用）
WES剖面如图
二、WES剖面型实用堰的流量系数m
实验研 究表明，曲 线型适用堰 的流量系数 主要决定于 上游堰高与 设计水头之 比 P1 / Hd ，堰 顶全水头与 设计水头之 比H0 / Hd 以及上游面 的坡度。
C0
1.354
0.004 H
0.14
0.2 P1
H B
2
0.09
其中， Q为流量，以米3/秒（m3/s）计； H为堰顶水头；
P1为上游堰高； B为堰上游引渠宽均以米（m）计。
在下述范围内，上式的误差＜（±1.4%）
0.5m≤B≤1.2m 0.07m≤H≤0.26m
0.1m≤P1≤0.75m H≤B/3
，从表8-10查得 s
0.953
4．侧收缩系数 1
1
(n
1)
' 1
n
1
对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的
宽顶堰，（8-17）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
8-1 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 的建筑材料 和使用要求 作成不同的 堰。 堰坎外形及 厚度不同其 能量损失及 过水能力也 会不同。
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：
1．薄壁堰流：即 2．实用堰：即 3．宽顶堰流：即
(
y Hd
)
k(
x Hd
)n
式中：系数
k
Hd
4 cos2 u 2
；指数 n =2。
2g
我国采用的剖面有： 1．克里格－奥菲采洛夫（过去常用） 2．渥奇 3．美国水道试验站WES型（现在常用）
WES剖面如图
二、WES剖面型实用堰的流量系数m
实验研 究表明，曲 线型适用堰 的流量系数 主要决定于 上游堰高与 设计水头之 比 P1 / Hd ，堰 顶全水头与 设计水头之 比H0 / Hd 以及上游面 的坡度。
C0
1.354
0.004 H
0.14
0.2 P1
H B
2
0.09
其中， Q为流量，以米3/秒（m3/s）计； H为堰顶水头；
P1为上游堰高； B为堰上游引渠宽均以米（m）计。
在下述范围内，上式的误差＜（±1.4%）
0.5m≤B≤1.2m 0.07m≤H≤0.26m
0.1m≤P1≤0.75m H≤B/3
，从表8-10查得 s
0.953
4．侧收缩系数 1
1
(n
1)
' 1
n
1
对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的
宽顶堰，（8-17）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数
第8章 堰流
H
P1 0
v0
1 δ
v1 P2
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
2013年8月22日星期四
水力学B
给排水工程
明渠水流：堰坎厚度δ＞10H
Tianjin Institute of Urban Construction
H
也
P1
2013年8月22日星期四
水力学B
给排水工程
一、矩形薄壁堰流
Tianjin Institute of Urban Construction
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。
3 2
Q mb 2 g H 0
2013年8月22日星期四
水力学B
给排水工程
2013年8月22日星期四
代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
水力学B
1
给排水工程
Tianjin Institute of Urban Construction
边墩
闸墩
B
b’
d
b’
闸墩 边墩
b’
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。
水力学B
给排水工程
实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5
0
H δ 1
Tianjin Institute of Urban Construction
曲线型实用堰
v0
1
0
堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束
流体力学— 堰流
二、堰的分类 1.据相对堰厚 / H 分 0.67 ☆薄壁堰
H
※主要用作试验测流设备 ☆实用堰 0.67
H 2.5
§8-1堰流定义及堰的分类
☆宽顶堰 2.5
H 10
当
H
10 ，h f 逐渐起主要作用，不再属于堰流的范畴。
★堰的研究范围 0
H
10
§8-1堰流定义及堰的分类
重点 掌握
小桥孔径 水力 计算方法
堰流 基本公式
小桥 过流特征
式中：m0 m(1
2 gH
)1.5 ， m, m0
均称为堰流流量系数。
§8-2堰流基本公式
1.5 Q mb 2gH0 m0b 2gH 1.5
上式称为堰流基本公式，对薄壁堰、实用堰、宽顶堰都适用。
1.5 1.5 ☆有侧向收缩 Q m b 2gH0 m0 b 2gH
☆淹没式
② H桥前 H （保证桥头路堤不淹没） ③ 考虑标准孔径
（安全原则）
B b （经济原则）
§8-5 小桥孔径水力计算
五、设计方案 ☆方案1 从 v v 出发进行设计 ☆方案2 从 H H 出发进行设计 ★说明：不管从何方案出发进行设计，均需全部满足 上述3个水力计算原则。
§8-5 小桥孔径水力计算
Q Q3 1.67m3 /s
§8-4 宽顶堰溢流
④校核上游流动状态
Q v0 0.97m/s b H p
v0 Fr 0.267 1 g H p
潜水坝上游水流确为缓流，故上述计算有效。
§8-5 小桥孔径水力计算
一、小桥（涵洞）过流现象
§8-5 小桥孔径水力计算
H
※主要用作试验测流设备 ☆实用堰 0.67
H 2.5
§8-1堰流定义及堰的分类
☆宽顶堰 2.5
H 10
当
H
10 ，h f 逐渐起主要作用，不再属于堰流的范畴。
★堰的研究范围 0
H
10
§8-1堰流定义及堰的分类
重点 掌握
小桥孔径 水力 计算方法
堰流 基本公式
小桥 过流特征
式中：m0 m(1
2 gH
)1.5 ， m, m0
均称为堰流流量系数。
§8-2堰流基本公式
1.5 Q mb 2gH0 m0b 2gH 1.5
上式称为堰流基本公式，对薄壁堰、实用堰、宽顶堰都适用。
1.5 1.5 ☆有侧向收缩 Q m b 2gH0 m0 b 2gH
☆淹没式
② H桥前 H （保证桥头路堤不淹没） ③ 考虑标准孔径
（安全原则）
B b （经济原则）
§8-5 小桥孔径水力计算
五、设计方案 ☆方案1 从 v v 出发进行设计 ☆方案2 从 H H 出发进行设计 ★说明：不管从何方案出发进行设计，均需全部满足 上述3个水力计算原则。
§8-5 小桥孔径水力计算
Q Q3 1.67m3 /s
§8-4 宽顶堰溢流
④校核上游流动状态
Q v0 0.97m/s b H p
v0 Fr 0.267 1 g H p
潜水坝上游水流确为缓流，故上述计算有效。
§8-5 小桥孔径水力计算
一、小桥（涵洞）过流现象
§8-5 小桥孔径水力计算
第八章 堰流
2.淹没式无侧收缩宽顶堰 必要条件：下游水位与堰高之差△>0。 充分条件：是堰顶上水流由急流因下游水位影响而转变为 缓流。 通过实验，可以认为淹没式宽顶堰的充分条件是
h p' 0.8H0
（8-16）
图8-12，堰顶水深受下游水位 影响决定，h1=△-z’（z’称为动 能恢复），且h1>hk。
H 0.0027 m0 0.405 1 0.55 H H p
2
2 0.0027 0.4 0.405 1 0.55 0.4762 0.4 0.4 0.35
采用巴赞公式计算：
H 0.0027 m0 0.405 1 0 . 55 H H p
2
（8-6）
其中H 、p均以m 计。公式在0.1 m< H<0.6m, H/p≤2及0.2 m<b<2.0 m下，误差为1%左右。 （3）有侧收缩（B/b>1）、自由式、水舌下通风的矩形正堰 在相同的b、p和H的条件下，流量比完全堰要小一些。 用一较小的流量系数mc代替m0。
录像1
录像2
（2）实用断面堰（0.67< δ/H<2.5），堰顶厚度δ 对水舌的 形状已有一定影响，但堰顶水流仍为明显弯曲向下的流动。 实用断面堰的纵剖面可以是曲线形，也可以是折线形。
当δ/H> 10 时，沿程水头损失逐渐起主要作用，不再属于堰 流的范畴。
按下游水位是否影响堰流性质：
自由式堰流：下游水深足够小，不影响堰流性质 (如堰的过流能力)； 淹没式堰流：下游水深影响堰流性质(如堰的过 流能力) 淹没标准：开始影响堰流性质的下游水深。
流体力学堰流
3> 侧堰 v
（4） 依据堰口的形状：
1> 三角堰
2> 矩形堰
3> 梯形堰
（5） 依据下游水位是否影响泄流：
1> 自由式； 2> 淹没式。
4> 流线形堰
§9—2 宽顶堰溢流
小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等 一般都属于宽顶堰水流计算。
1、水力现象分析： （1）当 2.5 <δ < 4 时，堰顶水面只有一次跌落， H 堰坎末端偏上游处的水深为临界水深 h cr 。
第九章 堰流
学习重点：
•掌握堰流分类及相关概念； •掌握宽顶堰、薄壁堰和实用堰水力计算；
任务： 计算过流量Q。
依据：
（1）能量方程； （2）总流的连续性方程； （3）能量损失计算式。
§9—1 概述
一、堰和堰流 1、堰： 在明渠缓流中设置障壁，它即能壅高渠 中的水位，又能自然溢流，一种既可蓄 又可泄的溢流设施。
2
dbtan dh 2
Q 2 m 0ta 2n 2 gH 0 h 2 3 d h 5 4 m 0ta 2n 2 g H 2 5
当θ=900,H=0.05—0.25m时，由实验得出m0=0.395，于是
5
Q 1.4H 2
当θ=900,H=0.25—
（2）当 4 < δ < 10 时，堰顶水面出现两次跌落， H
在最大跌落处形成收缩断面，
其水深为：h c≈（0.8～0.92）h cr
工程中常见的是第二种宽顶堰
一、自由式无侧收缩宽顶堰 主要特点：进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深
小于堰顶断面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰 顶的渐变流，水面在堰尾第二次下降，如图9-2。
第八章 堰流及闸孔出流 - 水力学课程主页
第八章 堰流及闸孔出流第一节 概 述水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。
堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。
一.堰流及闸孔出流的概念既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。
水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。
水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。
二.堰流与闸孔出流的水流状态比较堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。
而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。
对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸孔出流。
堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。
经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。
闸底坎为平顶堰 65.0≤H e 为闸孔出流，65.0>H e 为堰流。
闸底坎为曲线堰 75.0≤H e 为闸孔出流，75.0>H e 为堰流。
式中，H为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e为闸门开度。
堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。
泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。
②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。
③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。
流体力学7-8堰流
4、说明
堰流是一种无压缓流，经过堰溢流后，上游发生壅水， 水深增加，堰上水面跌落 凡有堰处均伴随收缩，除发生壅水或跌水外，必有收 缩，收缩是堰流的最大特点，此时速度增加、水面下 降 宽顶堰：水面收缩 桥墩间：侧面收缩
3
二、堰的特征值
宽度：B上游渠道宽，上游来流宽度(B=b无侧收缩)
b堰宽，水浸过堰顶的宽度(桥B≠b)
1．薄壁堰溢流
矩形薄壁堰自由式溢流
Q m0b 2 g H 0 2
0.0027 H
3
m0计入行进流速水头的影响，采用巴赞公式
m0 (0.405
)[1 0.55(
2 H H P
) ]
公式适用范围：b≤2m，p≤1.13m，H≤1.24m 出现侧收缩可用修正的巴赞公式
2 b 2 0 . 0027 B b H m0 (0.405 0.03 )[1 0.55( ) ( ) ] H B H P B 14
流量加大，坝底处会形成真空，引起坝基 振动，故对大型水坝底部要进行消能处理。
17
1、在所有堰流中，哪种堰流的流量系数最大，哪种堰流 的流量系数最小？ 实用堰流量系数最大，宽顶堰流量系数最小。 2、堰壁的厚度对堰流有何影响？ 堰壁的厚度与堰上水头比值的大小决定了水流溢流的 流动图形。 3、薄壁堰、实用堰、宽顶堰的淹没出流判别条件有什么 区别？ 三者淹没出流的必要条件相同：堰下游水位高出堰顶标 高；但充分条件不同，薄壁堰、实用堰是：下游发生淹 没式水跃衔接。宽顶堰是：下游水位影响到堰上水流由 急流变为缓流即hs>0.8H。 4、堰流流量公式中的流量系数m和m0有什么区别？ Q mb 2 g H 0 3 / 2 m没有计及行近流速 19 3/ 2 m0考虑了行近流速的影响 Q m0b 2 g H
堰流和闸孔出流课件
0 .6 7 2 .5H
2.510
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
2、根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系：
堰 侧收缩堰（b<B）
B
无侧收缩堰（b=B）
3、根据堰与水流方向的交角：
正堰 堰 侧堰
b
斜堰
L=(3~5)H
4、堰顶厚度 ；
5、上、下水位差 Z；
6、堰前行近流速v0。
H
P1
v0
水舌 P2
2
Z h
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
3
第一节 堰流的分类及水力计算基本公式
1、根据堰壁厚度 与水头 H 的关系：
4545二无压涵洞的水力计算二无压涵洞的水力计算涵洞涵洞1111定义定义1212涵洞中的水流流态涵洞中的水流流态1313确定涵洞中水流流态的因素确定涵洞中水流流态的因素实用堰ogeewei宽顶堰broadcrestwei46本章小结本章小结一堰流特点及分类一堰流特点及分类堰流是明渠水流受竖向或侧向收缩而引起雍高而后跌落或二堰流是明渠水流受竖向或侧向收缩而引起雍高而后跌落或二次跌落的局部水流现象在堰上游积聚的势能于跌落中转化为动能次跌落的局部水流现象在堰上游积聚的势能于跌落中转化为动能在计算中不考虑沿程水头损失
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
10
薄壁堰主要用途：用作量水设备。
薄壁堰口的横断面形状不同，相应的流量系数也
水力学第8章 堰流闸孔出流
9
1、薄壁堰
0.67
H
H
0.67H
薄壁堰
堰顶水舌形状不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与 堰顶只有线的接触，水面呈单一的自由降落曲线。
10
2、实用堰 0.67 2.5
H
H
H
实用堰
过堰水流主要受重力作用自由跌落。水舌下缘 与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的顶托。
11
3、宽顶堰 2.5 10
0 cVc2
2g
Vc2 2g
Vc
1
c
2gH0 hc
44
1
Vc c 1 c
2gH0 hc
流速系数
Q b2e 2gH0 2e
0 2 流量系数
Q 0be
1 2e
H0
2gH0
0
1 2e
H0
流量系数
Vc 2gH0 hc
Q AVc A bhc
2
hc e
垂向收缩系数
H
过堰水流在垂直方向上收缩。
hs
ht
31
无坎宽顶堰
H
过堰水流在水平方向上（侧向）收缩。
32
宽顶堰流量公式：
Q s1mnb 2g H03/2 一、流量系数 m
1、对直角进口堰
P1
•当0 P1 / H 3 时，
m 0.32 0.01 3 P1 / H 0.46 0.75P1 / H
•当 P1 / H 3 时，
H
H
（2）平底上的弧形闸孔
e
0.97
0.81
180
0
0.56
0.81
180
0
e H
其中，cos c e
R
适用：0 e 0.7 ，250 900
1、薄壁堰
0.67
H
H
0.67H
薄壁堰
堰顶水舌形状不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与 堰顶只有线的接触，水面呈单一的自由降落曲线。
10
2、实用堰 0.67 2.5
H
H
H
实用堰
过堰水流主要受重力作用自由跌落。水舌下缘 与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的顶托。
11
3、宽顶堰 2.5 10
0 cVc2
2g
Vc2 2g
Vc
1
c
2gH0 hc
44
1
Vc c 1 c
2gH0 hc
流速系数
Q b2e 2gH0 2e
0 2 流量系数
Q 0be
1 2e
H0
2gH0
0
1 2e
H0
流量系数
Vc 2gH0 hc
Q AVc A bhc
2
hc e
垂向收缩系数
H
过堰水流在垂直方向上收缩。
hs
ht
31
无坎宽顶堰
H
过堰水流在水平方向上（侧向）收缩。
32
宽顶堰流量公式：
Q s1mnb 2g H03/2 一、流量系数 m
1、对直角进口堰
P1
•当0 P1 / H 3 时，
m 0.32 0.01 3 P1 / H 0.46 0.75P1 / H
•当 P1 / H 3 时，
H
H
（2）平底上的弧形闸孔
e
0.97
0.81
180
0
0.56
0.81
180
0
e H
其中，cos c e
R
适用：0 e 0.7 ，250 900
8 堰流及闸孔出流课件
宽顶堰流
2.5
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跌落 有一段水流与堰顶几乎平行 下游水位较低时，出堰水流二次水面跌落
如果堰顶宽度继续增加，即δ/H>10，则沿程水头损
失不能忽略，水流特性不再属于堰流，而是明渠流。
按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响 自由堰流 淹没堰流
堰上水头不宜过小（应大于2.5cm）；
水舌下面的空间与大气相通。
图8.5是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。
无侧收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量计算公式：
Q m0b 2 g H
伯克（T.Rehbock）公式计算
3/ 2
（8.2）
式中， m0为包括行近流速影响的流量系数，可按雷
0
堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面
实验资料表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度δ
与堰顶水头H之比δ/H 而变。 工程上，按δ 与 H 的大小将堰流分为 薄壁堰流 实用堰流
H
0.67
0.67
H
2.5
曲线形 折线形 有坎
宽顶堰流
2.5
H
10
无坎
薄壁堰流
薄壁堰流
折线形实用堰流
8 堰流及闸孔出流
8 堰流及闸孔出流
水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求， 溢流坝、 水闸底槛、桥孔、无压涵洞进口。
需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，
堰：既能挡水，又能过水的水工建筑物，称为堰。
0 H e b
0
H e
0
宽顶堰流的水力计算(1)PPT课件
实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线型实 用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。
损失系数为:
0
(1 Ac ) 1 A2
所以
hw
(
带1) v入c2
2g
H2 0vg02H12 cvgc2(1)v 2cg 2
z0z20vg02 HH120vg02
(b)
所以流量公式为: QA 2gz0
.
淹没出流中的流量系数,一般与自由出流的流量系数 相同。
例：有一直径d=20cm的圆形锐缘孔口，其中心在水下的
解（1）求孔口出流的流量 d 0.020.010.1，为小孔口
H2
孔口流量系数取0.62，作用水头为2m
则：
QA2gH 01.2L 2/s
（2）管嘴出流流量
取管嘴出流的流量系数为0.82，则
QnA2g0 H 1.6L 1/s
（3）管嘴处收缩断面真空高度
hv0.7H 501.5m2O H
.
8-3 闸孔出流的水力计算
第八章 堰流及闸孔出流
8.1 概述 在容器壁上开孔,液体经过孔口泄流的水力现象,称为孔 口出流。若孔口上加设短管，而且壁厚或短管长度是孔口 尺寸的3~4倍，这段短管称为管嘴。经过管嘴的泄流，称 为管嘴出流。
.
水利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。
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，这种水流状态 叫做闸孔出流。 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， 水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
.
对断面1-1：z1
H,
p1
0
对 c-c 断面
zc
损失系数为:
0
(1 Ac ) 1 A2
所以
hw
(
带1) v入c2
2g
H2 0vg02H12 cvgc2(1)v 2cg 2
z0z20vg02 HH120vg02
(b)
所以流量公式为: QA 2gz0
.
淹没出流中的流量系数,一般与自由出流的流量系数 相同。
例：有一直径d=20cm的圆形锐缘孔口，其中心在水下的
解（1）求孔口出流的流量 d 0.020.010.1，为小孔口
H2
孔口流量系数取0.62，作用水头为2m
则：
QA2gH 01.2L 2/s
（2）管嘴出流流量
取管嘴出流的流量系数为0.82，则
QnA2g0 H 1.6L 1/s
（3）管嘴处收缩断面真空高度
hv0.7H 501.5m2O H
.
8-3 闸孔出流的水力计算
第八章 堰流及闸孔出流
8.1 概述 在容器壁上开孔,液体经过孔口泄流的水力现象,称为孔 口出流。若孔口上加设短管，而且壁厚或短管长度是孔口 尺寸的3~4倍，这段短管称为管嘴。经过管嘴的泄流，称 为管嘴出流。
.
水利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。
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，这种水流状态 叫做闸孔出流。 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， 水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
.
对断面1-1：z1
H,
p1
0
对 c-c 断面
zc
第八章.堰流与闸孔出流
精选完整ppt课件
E
P2
25
2 反弧段： 使直线CD与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床
Hd
B C
P1
m
O
r
D
A
α
E
精选完整ppt课件
P2
26
2 反弧段： r： 一般情况下：对于非基岩上、高度不大的坝
H 5 m r ( , 0 ~ 1 .2 .H d 0 5 z m ))( a
Hd
式中，Hd 溢流坝剖面设计水头；
精选完整ppt课件
33
• 近年来多采用WES剖面， 美国陆军工程兵团水道试验站的标准剖面。
WES剖面用曲线方程表示，便于控制； 堰剖面较瘦可节省工程量；
精选完整ppt课件
34
下面看重介绍 WES
0.282Hd 0.276Hd
0.175Hd O
R3
x
x y
y/Hd=0.5(x/Hd)1.85
y 精选图完整8pp-t1课1件 WES 剖面
Kp：闸墩系数与下列因素有关： 闸墩头部形状；
HO/Hd ；
精选完整ppt课件
9
§8-1 堰流的类型及计算公式
在水利工程中，常根据不同建筑条件及使用要求，将堰作成
不同类型。 例如，溢流坝常用混凝土或者石料作成厚度较大的曲线型或
者折线型； 实验室使用的量水堰一般用钢板或者木板作成很薄的堰壁。 显然，堰坎外形及厚度不同，其能量损失以及过水能力不同。
精选完整ppt课件
Ka
Ka 增大 ， ε越小，对过流能力影响越大。
对于圆弧形边墩： 当行进水流正向进入溢流堰时，
Ka ＝ 0.1 对于与混凝土非溢流坝段邻接的高溢流堰 0.2 对于与土坝邻接的高溢流堰
8明渠流动、堰流和渗流.ppt
23
8.2 明渠均匀流
（2）确定渠道底坡 己知渠道断面尺寸、粗糙系数、通过流量或流速，设 计渠道的底坡。即己知Q ，求 i 。求解中需要先计算 出K 值。如对于排水管渠，为避免沉积淤塞，要求按 “自清”流速设计底坡。对于兼作通航的渠道，则由 要求的流速来设计底坡。 （3）确定渠道断面尺寸 己知渠道输水量Q 、渠道底坡 i 、粗糙系数 n及边坡 系数 m，求渠道断面尺寸b 和 h 。从基本公式 Q AC Ri f (m, b, h, n, i) 看到，六个量中己知四个量， h 需求解 和 b两个未知量，而在一个方程中要求解两 个未知量则有多组解，因此要得到唯一解，就必须根 据工程要求和经济要求附加一定的条件，下面分四种 情况说明求解方法。 24
a ctg h
(式8.4)
A b m hh 2 x b 2h 1 m A R x
B b 2m h
图8.10梯形断面
20
8.2 明渠均匀流
8.2.3.1明渠均匀流基本公式 明渠均匀流水力计算的基本公式是如式（8.6）所示的 谢才公式。 （式8.6） v C RJ 这一公式是均匀流的通用公式，既适用于有压管道均 匀流，也适用于明渠均匀流。由于明渠均匀流中，水 力坡度J等于渠底坡度i，故谢才公式亦可写成 v C Ri （式8.7） 由此可得流量公式 Q Av AC Ri K i （式8.8）
16
8.2 明渠均匀流
在明渠均匀流中，水流重力沿流向分量G sin 与水流所 受的边壁阻力F是平衡的。当G sin F 时，明渠水流 必然为非均匀流。平坡棱柱体明渠中，水体重力沿流 向分量G sin 0 ；逆坡棱柱体明渠中，水体重力沿流 向分量G sin 0 ，其方向与边界阻力F相同。在这两种 情况下，都不可能形成均匀流。在非棱柱形渠道中， 由于断面形状、尺寸等沿程发生变化，水流速度、水 深会沿程改变，显然也不可能满足G sin F 这个条件， 也不能形成均匀流。可见，明渠恒定均匀流只可能发 生在正坡棱柱体明渠中。
8第八章 堰流
H
δ
二、堰的分类
以堰顶的厚度δ与堰上水头H的比值分类： 薄壁堰
H
v
/ H 0.67
0.67 / H 2.5
实用堰
宽顶堰
2.5 / H 10
当δ/H>10时,为明渠流
其它分类(补充)
按下游水位是否影响堰流性质分: 自由式出流——当下游水深较小而不影响堰顶正 常出流； 淹没式出流——当下游水深较大且已经影响到了 堰顶的正常出流。 按上游渠道宽度B与堰宽b的相互大小分： 无侧收缩堰——上游渠道宽度B等于堰宽b； 有侧收缩堰——渠宽B大于堰宽b。 按水流与堰的流动方向分： 正堰——水流方向与堰正交； 斜堰——水流方向与堰非正交； 侧堰——水流方向与堰平行。
H p L' vo c hco hc c p'
3
v
δ
出 流 形 式——自由式
• 流量公式:
流量系数: 矩形直角进口
3/ 2 Q mb 2g H o
0
p 3.0时，m 0.32 0.01 H
3
p H p H
0.46 0.75
p 3 .0 H
m=0.32
p 3 H
矩形圆弧进口
小桥孔径为：
b
Qg 3 v k
自由式出流计算
1. 选定标准孔径 b‘ vk 2. 计算取用标准值后的流速 v‘k：
vk
3
b b
3. 再计算相应桥孔b‘中的水深h’k，判定所选 2 v 标准孔径b‘中的水流出流形式 hk k
g
4. 将其与H2作比较，如果是淹没式，则应按 淹没式重新计算。如果仍是自由式，可继 续计算桥上游壅水深度H。 5. 壅水深度H： H v h v v h v
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Q2 mb 2gH02 0.3466 1.28 19.6 0.89 2 1.65m3 / s
3 2 3
（5）第三次近似计算流量
2 2 V02 Q2 1.652 H 03 H H 0.85 0.90m 2 2 2g 2 gA0 19.6 (1.28 1.35)
前进
都江堰
鱼嘴(分水堤)、飞沙 堰(溢洪道)、宝瓶口 (引水口) 鱼嘴与金刚堤：内 江和外江 ；“四六 分水”； 飞沙堰：排洪排沙， 挡水；“低作堰” “深淘滩”
在环境工程领域内的应用
沉淀池的出口一胶采用溢流堰， 堰前应加设挡板，挡板淹没深度 不小于0.25m，距出水口为 0.25～0.5m。溢流堰大多数采用 锯齿形堰，易于加工及安装，更 易保证出水均匀 。这种出水堰常 用钢板制成，齿深50mm，齿距 200mm，直角，用螺栓固定在出 口的池壁上。
底坎为曲线形 e/H≤0.75 e/H > 0.75
堰流的分类
堰宽b 堰顶水头H 堰高P1 堰高P2 δ 堰顶厚度 H H δ 堰顶厚度
堰顶厚度δ
堰的外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同 δ/H<0.67 薄壁堰流
曲线形
按δ/H分类
0.67<δ/H<2.5 实用堰流
宽顶堰流
折线形 有坎
2.5<δ/H<10
0.3466
（3）第一次近似计算流量 设H01=H=0.85m
Q1 mb 2gH0 2 0.3466 1.28 19.6 0.85 2 1.54m3 / s
3 3
前进
（4）第二次近似计算流量
2 V01 Q12 1.542 H 02 H H 0.85 0.89m 2 2 2g 2 gA0 19.6 (1.28 1.35)
三角形薄壁堰适用于小流量的 量测 直角三角形薄壁堰的计算公式 可简化为 5
Q C0 H
2
返回
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 H > 2.5 cm ，否则堰下形成贴壁流，出流不稳 定 水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不 稳定
无压缓流越过障壁产生的局部水力现象称为堰流， ① ③ ② 障壁称为堰（既能挡水，又能过水的水工建筑物）。
堰流:顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部自 由下泄。 闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与 闸门下缘间的孔口流出。
第 一 节 堰 流 的 定 义 及 其 分 类
• 薄壁堰在形成淹没溢流时，下游水面波 动较大，溢流很不稳定。所以，一般情 况下量水用的薄壁堰不宜在淹没条件下 工作。
二、三角形薄壁堰
• 在H＜0.05m，流量小于100l /s时，宜采 用三角形薄壁堰作为量水堰
dQ m0 2g dbx h
3/ 2
bx tan H h 2
4 5/ 2 Q m0 2 g tan H 5 2
• 根据汤姆逊(P.W.Thomson)的实验，在 H=0.05～0.25m时，m0=0.395。因此 θ=90°的三角形薄壁堰的流量公式为
Q 1.4H
5/ 2
• 金(H. W. King)根据实验提出，在H=0.06～ 0.55m条件下，流量公式为
Q 1.343H 2.47
• 两式中单位，H 用m，Q 用 m3/s。
2 Q3 mb 2gH03 0.3466 1.28 19.6 0.90 2 1.68m3 / s 3 3
Q3 Q2 1.68 1.65 1.79% Q3 1.68
符合要求
hs h P t 2 0.689 0.8 H 03 H 03
前进
（6）验证出流形式
仍为自由出流，故所求流量为1.68m3/s。
第 五 一、闸孔出流的基本公式 节 闸 孔 Q s be 出 流 的 淹 流 闸闸 过 水 没 量 宽门 闸 力 系 系 开 流 计 数 数 启 量 算 高 度
H
e
ht
2 gH 0
闸 孔 全 水 头
H0 H
V02
2g
取决于闸底坎的形式、闸门的 类型和闸孔的相对开度e/H值。
H
5 5.88 0.85
所以该堰为宽顶堰
B b 1 1
m 0.32 0.01 3 P 1 H
（2）确定系数
P 0.5 1 0.59 3 H 0.85
hs hs ht P2 0.73 0.8 s 1 H0 H H
P 0.46 0.75 1 H
返回
二、底坎为宽顶堰型的闸孔出流 Q be 2 gH s 0
自由出流——水跃在临界式或远离式位置处 淹没出流——水跃在淹没式位置处
K K ht i1=0
c c
平板闸门 0.60 0.176 流量系数
e H
e 弧形闸门 (0.97 0.81 ) (0.56 0.81 ) 180 180 H
Q m0 2gbH
2 m0 m(1 0 v0 / 2gH)3 / 2
3/ 2
• 堰流基本公式适用于各种形式的堰流，只是流量
系数不同而已。
Q s1mb 2g H0 2
3
过 堰 流 量
淹 没 系 数
侧 收 缩 系 数
流 堰 量 宽 系 数
堰 顶 全 水 头
H0 H
V02
堰
流
闸孔出流
堰流不受闸门控制 水面为一条光滑的 曲线，而闸孔出流 受闸门的控制水面 在闸门处不连续。
都是上游壅水，水 流在重力作用下运动， 将势能转化为动能的 过程；
都是急变流，能量 损失主要是局部水头 损失。
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堰、闸孔出流的判别
• 闸孔出流与堰流在一定条件下可互相转化。
• 底坎为宽顶堰： • 闸孔出流 e/H≤0.65 • 堰流 e/H > 0.65
流量公式为：
0
Q mb 2 g H m b 2 g H
3/ 2 0 0
3/ 2
m ——包含行近流速影响在内的流量系数
无侧向收缩影响的流量系数 流量系数采用巴赞公式(1898)
2 0.003 H m0 0.405 1 0.55 H H P
无坎
前进
按下游水位是否对过堰 水流有顶托阻水的影响
自由堰流 淹没堰流
无侧收缩堰流 b=B 按有无侧向收缩 有侧收缩堰流b≠B
返回
第二节 堰流的基本公式
• 用能量方程式来推求 • 堰流计算的基本公式
Pa 0V02 P V12 H 1 (1 ) g 2g g 2g
第四节 宽顶堰流的水力计算
Q s1mb 2gH0
3 2
流量系数
m 0.32 0.01
3
P 1 H P 1 1 3, 1 3时, m 0.32 H H P 3 1 H m 0.36 0.01 P 1.2 1.5 1 H P P 0 1 3, 1 3时, m 0.36 H H
沉淀池入流区和出流区的设计
平流式沉淀池
锯齿形出水堰
浮渣槽
辐流式沉淀池
出水槽 出水堰
辐流式沉淀池
周边进水，中心出水辐流式沉淀池
主要内容
8-1 堰流的定义及其分类 8-2 堰流基本公式 8-3 薄壁堰流的水力计算 8-4 宽顶堰流的水力计算
8-5 闸孔出流的水力计算
结束
本章重点掌握
– – – – 堰流的定义 堰的分类 堰流的基本计算公式 堰流与闸孔出流的关系
淹没条件 侧收缩系数
1 1
3
hs 0.8H 0
0
0.2 P 1 H
4
b b (1 ) B B
返回
例题1：如图所示直角进口堰，堰顶厚度δ=5m，堰宽与 上游矩形渠道宽度相同，b=1.28m，求过堰流量。 解：（1）判别堰型
H=0.85m P1=0.5m ht=1.12m
适用范围 ： H≤1.24m，b≤2m，P≤1.13m
• 有侧向收缩影响的流量系数
2 b H2 0.0027 0.003 1 0.55 m0 0.405 2 B ( H P) H 1 b / B0 0
• 令
H0 H
0V0 2
2g
•
1 v1 1
2 gH 0
流速系数
1 1
V1 2 gH 0
b：堰宽
Q AV1 be 2 gH 0 1
e： 断面1-1上水舌厚度
令e=kH0
Q kb 2gH01.5 mb 2gH01.5
堰流基本 公式
淹没系数
查图
前进
三、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流
Q be 2 gH 0
H e
平板闸门 0.65 0.186 流量系数 弧形闸门 查表
e e (0.25 0.375 ) cos H H
前进
2g
s 1 1 1
计算过堰流量Q 水力计算类型 计算堰上水头H
V0
H
设计堰宽b
返回
第三节 薄壁堰流的水力计算
薄壁堰流具有稳定的水头和流量的关系，常作为 水力模型或野外测量中一种有效的量水工具。
H
当矩形薄壁堰无侧收缩，自由 出流时，水流最为稳定，测量精 度也较高； 堰上水头不宜过小（应大于 2.5m）； 水舌下面的空间通气良好；