第八章 堰流与闸孔出流

2.侧收缩堰
Q m0b 2g H
3 2
Let: m0 mc
Q mc b 2g H
3 2
当b<B时， 即堰宽小于引水 渠道宽度，堰流 发生侧向收缩， 同等b、p1、H下， 流量减小。
mc— 有侧收缩时的流量系数
mc (0.405 0.0027 Bb b H 2 0.03 ) [1 0.55( ) 2 ( ) ] H H B Hp
Q mb 2g H 0
2
或
Q mb 2 g ( H
m0 m(1
2 0 v0
2 0 v0
2g
) m(1
3 2
2 0 v0
2 gH
) b 2g H
3 2
3 2
3 2
Let:
2 gH
)
3 2
Q m0 b 2 g H
以上推导是无侧收缩、无淹没的情况。 考虑侧向收缩和淹没影响
" hs h， c 收缩断面
宽顶堰流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。
宽顶堰流水力计算的基本公式为
Q s mb 2 g H 0
3 2
二、流量系数
直角进 m 0.32 口边缘
H 3
Q mb 2 g H 0 2
取决于堰顶的进口 形式和上游堰高与 堰前水头的比值
p 3 H
8-3-3
3.淹没堰 判别公式：
z z或 k
z z ( )k p p 必要条件：堰下游水位要高于堰顶。
z为上下游水位差； 充分条件：堰下游发生淹没式水跃。
p 为下游堰高。
Q m0 b 2 g H
3
2
z k 为临界水跃时上下游水位差；
m0： 8-3-1， 8-3-2
：8-3-4
③当hs>hk，从hc~ hs 发生水跃 （超过幅度不大）。当水跃还没 hc 仍不变， 有淹没收缩断面时，
此时Q仍不受 下游水位影响， 仍为自由出流。 图c
②下游水位上升 达到Ｋ－Ｋ线堰 上水流仍属于急 流，hc与下游水 位无关，堰出口 没有水面跌落， 仍为自由出流。 图b
④下游水位再升高至 被淹没，水跃消失，堰上水流为缓流， Q减小，变为淹没出流。图d
1 v0
1
0
堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受 堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力， 0 但影响还不大，水流主要还是重力作用下的自由跌落。
0 H 1 v0
P1
0 δ 1 0 H
v1
折线型实用堰
P2
δ 1 v0 1
曲线型实用堰
0
堰坎继续加厚，这时 0 堰坎厚度对水流的作 1 用已经非常明显，进 v1 H 入堰顶的水流受到堰 v0 顶垂直方向的约束， P P1 过水断面减小，流 2 1 速加大，由于动能增 δ 0 加，势能必然减小， 再加上水流进入堰 此后，由于堰顶对水流的顶托 顶时产生局部能量 作用，有一段水面与堰顶几乎 损失，所以进口处 平行。当下游水位较低时，出 堰水流又形成第二次水面跌落。 形成水面跌落。
— S 淹没系数
Q s mb 2g H 0
3
2
—
侧收缩系数
m — 流量系数
b — 堰宽
H0 — 堰上水头
— S 淹没系数, 如下游水位较高形成淹没，受下游
水位的顶托影响，过流能力降低，用淹没系数反 映其影响。
0 1 H P1 0 v0
S 1
S
S
v1
P2 1 δ
—
侧收缩系数，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，相当于 堰顶过流的有效宽度降低，局部阻力增加，降低 过流能力，用侧收缩系数ε反映其影响。
本章重点
堰流、闸孔出流的水流特点及其分类；
堰流的基本公式； 闸孔出流的水力计算。
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、无压涵洞进口。
堰和闸是水利工程中常见的用来引水、 泄洪、调节流量或水位的水工建筑物。
第一节 堰流的特点及其分类
3
b b (1 ) B B
为墩形系数
矩形边缘 0.19 圆形边缘 源自 0.1当宽顶堰溢流宽 度较大时，同样需设 臵闸墩和边墩，产生 侧收缩使Ｑ减小。
四、淹没条件及淹没系数

当下游水位低于堰顶临界水深 线k-k时，无论下游水位是否高 于堰顶，都是自由出流。（a）

因为在此情况下，堰 k-k 当下游水位继续上升至高于 顶收缩断面下游继 线时，堰顶将产生水跃，水跃 位臵随下游水深增加而向上游 续保持急流状态， 移动。 （ b） 堰下游水位变化不
因水舌被大气包围， 1-1 断面的 p1 / 0
v H 0 (1 ) 2g 1 Let: 1
2 1
v1
1
1
2 gH0
2 流速系数
3 水舌厚度
v1 2 gH0
Let:
e kH 0
w1 kbH0
Q kb 2g H
3
3 2 0
Let: m k 4 流量系数
3.从堰宽b和河宽B的大小 4.从水流方向
有侧收缩堰： B>b 正堰：堰与水流方向正交。 无侧收缩堰：B=b 侧堰：堰与水流方向平行。 斜堰：堰与水流方向不正交。
第二节 堰流的基本公式
基本公式是指薄壁 堰、实用堰和宽顶 堰都适用的普遍公 式。以自由出流、 无侧收缩、矩形、 薄壁堰为例推导。
0 H δ 1 v0 P1 1 v1
0′
0′
P2
0
对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程 通过堰顶的水平面作为基准面，1-1断面的中心 点恰好位于基准面上。
v H 1 2g 2g 2g
0 v0 2
p1
1v1 2
2
0 H δ
Let: H
v
2 0 0
2g
H0
1
1
v0 1 v1
0′
P1
0
0′
P2
堰上水头
当 14 时，流量系数 mt 不随H及b变化，且约为0.42。
第五节 宽顶堰
有坎宽顶堰流：由于存在底坎引起水流在垂直方向 产生收缩而形成进口水面跌落的水流现象。 无坎宽顶堰流：由于侧向收缩的影响，形成进口水 面跌落，产生宽顶堰的水流状态，比如水流经桥墩 之间、隧洞或涵洞进口。
自由式出流：进口前为缓流，在进口处由于断面收缩 根据下游水位高低 形成水面跌落，堰顶水深略小于临界水深，堰顶水流 为急流，当下游水位较低时，过堰后的水流会出现第 二次水面跌落。
2g 2g 2g
1
2g
v

2 g ( H 0 h1 )
v
1

2 g ( H 0 h1 )
1
Let：

v 2g (H 0 h1 )
桥下矩形过水断面的宽度为b，当水流发生侧向收缩时 有效水流宽度为b

k
第三节 薄壁堰
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、野外量测及小型渠道中的一 种有效量水工具。由于堰壁较薄，难以承受过大 的水压力，故上游水头过大时不易使用。
H
也
P1
三角形堰
B
薄壁堰按照堰 口形状的不同， 可分为矩形堰、 三角形堰和梯 形堰等。三角形 堰多用于量测小 流量，矩形堰和梯 形堰用于量测较 大流量。
淹没式出流：进口前水流也为缓流，进口处也存在水 面跌落，但堰顶水流受下游水位影响，为缓流，水深 略大于临界水深。
一、宽顶堰的特点
hK ① hs 垂直收缩的影响，流线收缩，水面下降， 在Ｃ－Ｃ断面达最小值（2Ｈ处）， hc， 以后水 hK 受阻力影响，水面微微上升，下游水位较低时产 生第二次跌落。Ｃ－Ｃ断面以后属急流渐变流， Ｑ不受下游水位影响，自由出流。图a
梯形堰
B b
无侧收缩矩形堰
有侧收缩矩形堰
一、矩形堰
1.完全堰
B
条 件
1、渠宽与堰宽相同。 2、下游水位低于堰顶。 3、堰上水头不宜过小（H>2.5cm），否则受表 面张力作用。 4、水舌下面的空间应与大气相通。
3 2
Q m0 b 2 g H
一般通过试 验确定
巴赞公式 8-3-1
雷布克公式 8-3-2
B

C： 8-3-8
三、梯形堰
堰流过水断面为 梯形的薄壁堰
当所需测流量较大，大于三角形堰的量程(Q > 50l/s)， 而又不能使用无侧收缩的矩形堰时，可以采用梯形堰。
梯形堰流量
中间矩形 堰流量
MH 2gb
两侧 合成的 三角形堰流量
)b 2 g H 1.5 mt b 2 g H 1.5
Q m0 b 2 g H 1.5 MH 2.5 (m0
3
p
圆角进 口边缘
m 0.36
0 p
直角进 m 0.32 0.01 p （8-5-1） 口边缘 0.46 0.75
H 3
H
圆角进 口边缘
m 0.36 0.01
3
p H
p 1.2 1.5 H
（8-5-2）
三、侧收缩系数
1
a 0.2 p H
4
Q mb 2 g H 0 2
第八章
堰流及闸孔出流
本章纲要：

第一节 堰流的特点及分类


第二节 堰流的基本公式
第三节 薄壁堰
第四节 实用堰
第五节 宽顶堰 第六节 小桥孔径的水力计算 第七节 闸孔出流
本章学习指导
★堰流和闸孔出流是水利工程中常见的的水流现象。本章