项目七 闸孔出流水力分析与计算
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1
图 7-1
实际工程中，对同一建筑物而言，如建在实用堰或宽顶堰的堰顶上的水闸，在某些
条件下为闸孔出流，当条件变化就可能属于堰流，堰流和闸孔出流在一定条件下是可以
互相转化的。如闸孔出流的闸门的开启高度 e 增大到一定值时，闸前水面下降而不受闸
门底缘约束，则水流就由闸孔出流转化为堰流；反之，如原为堰流，当闸门的开启高度
为闸孔出流；
Hale Waihona Puke Baidu
e
> 0.75,
H
为堰流。
闸孔出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闸孔出流过流能
力的计算，下面介绍闸孔出流的过流能力计算公式并讨论其影响因素。
2 闸孔出流水力计算公式
实际工程中水闸的闸底坎一般为宽顶堰（包括无坎宽顶堰）或曲线型实用堰；闸门
2
型式主要有平板闸门和弧型闸门两种类型。闸孔出流时，如果闸前水头 H 和闸门的开启 高度 e 不随时间而变，闸孔出流的流速和流量不随时间变化，即为恒定闸孔出流，否则 为非恒定闸孔出流；当下游水位不影响过闸泄流量，称为闸孔自由出流，否则为闸孔淹 没出流。
项目七 闸孔出流水力分析与计算
水闸主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物。是水利工程中常见的典型建 筑物，主要用于拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。
闸孔出流水力分析与计算项目的主要任务是掌握闸孔出流与堰流关系、闸孔出流情 况判别、闸孔出流水力计算公式及影响因素分析，平板闸门、弧形闸门流量系数确定方 法；会结合工程资料进行闸孔出流水流现象分析，能进行平板闸门、弧形闸门闸孔出流 的过流能力计算。
从上面的分析可以看出，判断闸孔自由出流或淹没出流，须先求出收缩断面水深 hc 和它相应的共轭水深 hc”，然后将 hc”和下游水深 ht 比较，即可判别闸孔出流情况。
上述判别条件对不同闸门类型的无底坎或有底坎宽顶堰型闸孔出流都适用。 （1）底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算
3
如图 7-2a 所示，收缩断面 c-c 上的流线近似为平行直线，c-c 断面可以认为是渐变流 矩形断面。以闸底板为基准面，取闸门上游距闸门（3~4）H 符合渐变流条件的 0-0 断面 与下游 c-c 收缩断面列能量方程
H0 代入上式,整理可得
vc
1
2g(H 0 hc ) 2g(H 0 hc )
（7-1）
式（7-1）中： 1 ，称为流速系数。
根据连续方程：Q=Acvc=Bhcvc 式中：B—为闸孔过水净宽，若闸门孔数为 n，每孔净宽为 b 时，B=nb，则：
Q nbhc 2g(H 0 hc )
任务一 闸孔出流水力分析
1 闸孔出流水力现象
在水利工程中为了控制和调节河渠中的水位和流量，常修建水闸水工建筑物。水流 由闸门或胸墙底缘和闸底板之间的孔口流出，水面受到闸门或胸墙控制，呈不连续自由 水面，这种水流现象称为闸孔出流，见图 7-1。
闸孔出流与堰流有密切联系但又是两种不同的水流现象，堰流水面因不受约束，水 面线为一光滑降落的曲线；闸孔出流水面因受闸门的控制，闸孔上、下游是不连续、折 断的水面线。由于堰流及闸孔出流边界条件的差异，它们的泄流特征及过流能力不相同， 但从研究过水能力及其影响因素来说，闸孔出流与堰流有共同点：首先，堰流与闸孔出 流都是在一定的水头 H 作用下形成的，其泄流过程都是势能转化为动能的过程；其次， 这两种水流都在较短距离内流线发生急剧弯曲，属于明渠急变流动，其流动过程的水头 损失主要是局部水头损失。
闸孔出流水力计算的目的是：恒定闸孔出流时，研究分析过闸泄流量与闸门的开启 高度、闸孔尺寸、闸门类型、闸底坎型式、上下游水位及闸孔出流情况等的关系，并给 出相应的水力计算公式。下面分别进行讨论。 2.1 底坎为宽顶堰型的闸孔出流
图 7-2
如图 7-2 为闸孔恒定出流，闸底坎为无坎宽顶堰，闸门为平板闸门，e 为闸门开启高 度，H 为闸前水头。水流由闸门底缘流出时，由于受闸门的约束，流线发生急剧弯曲收 缩，出闸后由于惯性的作用流线继续收缩，大约在距闸门（0.5~1）e 处为水深最小的收 缩断面 c-c。收缩断面 c-c 处的水深 hc 一般小于临界水深 hk，水流为急流状态。而闸孔下 游渠槽中的水深 ht 一般大于临界水深 hk，水流呈缓流状态，因此闸后水流从急流到缓流 要发生水跃。水跃位置随下游水深 ht 变化而变化，下游水深增大水跃向上游移动，下游 水深减小水跃向下游移动，水跃发生的位置不同对闸孔出流泄流能力的影响不一样，从 而使闸孔出流可分为自由出流和淹没出流。设收缩断面水深 hc 所对应的共轭水深为 hc”， 当 hc”>ht 时水跃发生在收缩断面下游，称为远驱水跃（如图 7-2a），当 hc”=ht 时水跃发生 在收缩断面处，称为临界式水跃（如图 7-2b），这两种情况下水跃对应的下游水位都不影 响闸孔的过流能力称为闸孔的自由出流； 当 hc”<ht 时水跃发生在收缩断面上游，称为淹 没水跃（图 7-2c）。此时下游水位使闸孔的过流能力减小，称为闸孔淹没出流。
令： h c ' ，ε’ 称为垂向收缩系数，则： e
hc=ε’e
Q nbe 2g(H 0 hc )
令：μ=φε’，则上式可写成：
Q nbe 2g(H 0 hc )
（7-2）
式（7-2）中：μ—闸孔出流的基本流量系数，是综合反映闸底坎型式、闸门型式和闸 门相对开启度对泄流量的影响系数。
H
v02 2g
hc
c vc2 2g
hw
式中 ：hw —水流从 0-0 断面到 c-c 断面的水头损失，由于 0-0 到 c-c 断面的距离很
短水流为急变流，因而只计局部水头损失，即 hw
vc2 2g
。
令： H 0
H
v02 2g
，H0
称为包括流速水头在内的闸前总水头，将 hw
vc2 2g
及
减少，闸门底缘对水流起控制作用时，水流则转化为闸孔出流（见图 7-1）。堰流与闸孔
出流两种流态相互转化的条件，除与闸门的相对开启高度 e/H 有关外，还和闸底坎型式
等有关。一般采用下列判别式来区分堰流和闸孔出流：
当闸底坎为宽顶堰时， e ≤0.65， H
为闸孔出流；
e > 0. 65， H
为堰流。
当闸底坎为曲线堰时， e ≤0. 75， H
图 7-1
实际工程中，对同一建筑物而言，如建在实用堰或宽顶堰的堰顶上的水闸，在某些
条件下为闸孔出流，当条件变化就可能属于堰流，堰流和闸孔出流在一定条件下是可以
互相转化的。如闸孔出流的闸门的开启高度 e 增大到一定值时，闸前水面下降而不受闸
门底缘约束，则水流就由闸孔出流转化为堰流；反之，如原为堰流，当闸门的开启高度
为闸孔出流；
Hale Waihona Puke Baidu
e
> 0.75,
H
为堰流。
闸孔出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闸孔出流过流能
力的计算，下面介绍闸孔出流的过流能力计算公式并讨论其影响因素。
2 闸孔出流水力计算公式
实际工程中水闸的闸底坎一般为宽顶堰（包括无坎宽顶堰）或曲线型实用堰；闸门
2
型式主要有平板闸门和弧型闸门两种类型。闸孔出流时，如果闸前水头 H 和闸门的开启 高度 e 不随时间而变，闸孔出流的流速和流量不随时间变化，即为恒定闸孔出流，否则 为非恒定闸孔出流；当下游水位不影响过闸泄流量，称为闸孔自由出流，否则为闸孔淹 没出流。
项目七 闸孔出流水力分析与计算
水闸主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物。是水利工程中常见的典型建 筑物，主要用于拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。
闸孔出流水力分析与计算项目的主要任务是掌握闸孔出流与堰流关系、闸孔出流情 况判别、闸孔出流水力计算公式及影响因素分析，平板闸门、弧形闸门流量系数确定方 法；会结合工程资料进行闸孔出流水流现象分析，能进行平板闸门、弧形闸门闸孔出流 的过流能力计算。
从上面的分析可以看出，判断闸孔自由出流或淹没出流，须先求出收缩断面水深 hc 和它相应的共轭水深 hc”，然后将 hc”和下游水深 ht 比较，即可判别闸孔出流情况。
上述判别条件对不同闸门类型的无底坎或有底坎宽顶堰型闸孔出流都适用。 （1）底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算
3
如图 7-2a 所示，收缩断面 c-c 上的流线近似为平行直线，c-c 断面可以认为是渐变流 矩形断面。以闸底板为基准面，取闸门上游距闸门（3~4）H 符合渐变流条件的 0-0 断面 与下游 c-c 收缩断面列能量方程
H0 代入上式,整理可得
vc
1
2g(H 0 hc ) 2g(H 0 hc )
（7-1）
式（7-1）中： 1 ，称为流速系数。
根据连续方程：Q=Acvc=Bhcvc 式中：B—为闸孔过水净宽，若闸门孔数为 n，每孔净宽为 b 时，B=nb，则：
Q nbhc 2g(H 0 hc )
任务一 闸孔出流水力分析
1 闸孔出流水力现象
在水利工程中为了控制和调节河渠中的水位和流量，常修建水闸水工建筑物。水流 由闸门或胸墙底缘和闸底板之间的孔口流出，水面受到闸门或胸墙控制，呈不连续自由 水面，这种水流现象称为闸孔出流，见图 7-1。
闸孔出流与堰流有密切联系但又是两种不同的水流现象，堰流水面因不受约束，水 面线为一光滑降落的曲线；闸孔出流水面因受闸门的控制，闸孔上、下游是不连续、折 断的水面线。由于堰流及闸孔出流边界条件的差异，它们的泄流特征及过流能力不相同， 但从研究过水能力及其影响因素来说，闸孔出流与堰流有共同点：首先，堰流与闸孔出 流都是在一定的水头 H 作用下形成的，其泄流过程都是势能转化为动能的过程；其次， 这两种水流都在较短距离内流线发生急剧弯曲，属于明渠急变流动，其流动过程的水头 损失主要是局部水头损失。
闸孔出流水力计算的目的是：恒定闸孔出流时，研究分析过闸泄流量与闸门的开启 高度、闸孔尺寸、闸门类型、闸底坎型式、上下游水位及闸孔出流情况等的关系，并给 出相应的水力计算公式。下面分别进行讨论。 2.1 底坎为宽顶堰型的闸孔出流
图 7-2
如图 7-2 为闸孔恒定出流，闸底坎为无坎宽顶堰，闸门为平板闸门，e 为闸门开启高 度，H 为闸前水头。水流由闸门底缘流出时，由于受闸门的约束，流线发生急剧弯曲收 缩，出闸后由于惯性的作用流线继续收缩，大约在距闸门（0.5~1）e 处为水深最小的收 缩断面 c-c。收缩断面 c-c 处的水深 hc 一般小于临界水深 hk，水流为急流状态。而闸孔下 游渠槽中的水深 ht 一般大于临界水深 hk，水流呈缓流状态，因此闸后水流从急流到缓流 要发生水跃。水跃位置随下游水深 ht 变化而变化，下游水深增大水跃向上游移动，下游 水深减小水跃向下游移动，水跃发生的位置不同对闸孔出流泄流能力的影响不一样，从 而使闸孔出流可分为自由出流和淹没出流。设收缩断面水深 hc 所对应的共轭水深为 hc”， 当 hc”>ht 时水跃发生在收缩断面下游，称为远驱水跃（如图 7-2a），当 hc”=ht 时水跃发生 在收缩断面处，称为临界式水跃（如图 7-2b），这两种情况下水跃对应的下游水位都不影 响闸孔的过流能力称为闸孔的自由出流； 当 hc”<ht 时水跃发生在收缩断面上游，称为淹 没水跃（图 7-2c）。此时下游水位使闸孔的过流能力减小，称为闸孔淹没出流。
令： h c ' ，ε’ 称为垂向收缩系数，则： e
hc=ε’e
Q nbe 2g(H 0 hc )
令：μ=φε’，则上式可写成：
Q nbe 2g(H 0 hc )
（7-2）
式（7-2）中：μ—闸孔出流的基本流量系数，是综合反映闸底坎型式、闸门型式和闸 门相对开启度对泄流量的影响系数。
H
v02 2g
hc
c vc2 2g
hw
式中 ：hw —水流从 0-0 断面到 c-c 断面的水头损失，由于 0-0 到 c-c 断面的距离很
短水流为急变流，因而只计局部水头损失，即 hw
vc2 2g
。
令： H 0
H
v02 2g
，H0
称为包括流速水头在内的闸前总水头，将 hw
vc2 2g
及
减少，闸门底缘对水流起控制作用时，水流则转化为闸孔出流（见图 7-1）。堰流与闸孔
出流两种流态相互转化的条件，除与闸门的相对开启高度 e/H 有关外，还和闸底坎型式
等有关。一般采用下列判别式来区分堰流和闸孔出流：
当闸底坎为宽顶堰时， e ≤0.65， H
为闸孔出流；
e > 0. 65， H
为堰流。
当闸底坎为曲线堰时， e ≤0. 75， H