水力学堰流及闸孔出流2015
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。
第八章：堰流和闸孔出流
堰顶 O 点上游可采用三种曲线连接：
三段复合圆弧型曲线
堰剖面的定型设计水头 Hd的确定： 高堰：P1≥1.33 Hd， Hd=（0.75—0.95）Hmax 低堰：P1<1.33 Hd， Hd=（0.65—0.85）Hmax Hmax-----校核流量下的堰上水头。
第三节 实用堰
二、流量公式
的梯形堰作自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩 14
形堰的流量。
注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流。
第二节 薄壁堰
15
第三节
实用堰流的水力计算
折线型实用堰 曲线型实用堰 复合型实用堰
实用堰的主要用途：用作蓄水建筑物——坝， 或净水建筑物的溢流设备。
实用堰(0.67</H<2.5）
9
第二节
薄壁堰流 的水力 计算
一、矩形薄壁堰
二、三角形堰 三、梯形薄壁堰
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
不同。
一、矩形薄壁堰 基本公式
Q m0 b 2g H
3/ 2
11
•
无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：
m0 采用巴赞公式计算：
2 m0 (0.405 0.0027 )[1 0.55( H ) ] H H P1 公式适用范围：b 2.0m，P 1.13m，H 1.24m，式中H、
2.5 10
4
2、根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系： 侧收缩堰（b<B） 堰 无侧收缩堰（b=B） 3、根据堰与水流方向的交角：
B
H b
正堰 堰 侧堰 斜堰
4、按下游水位是否影响堰流性质： 堰 自由式堰流（不影响）
第八章 堰流和闸孔出流
第八章 堰流和闸孔出流第一节 概述一、堰流及闸孔出流的概念堰流：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。
二、堰流及闸孔出流的水流状态比较1、堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。
由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。
2、堰流和闸孔出流的相同点：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一种水流运动，都是从势能转化为动能的过程。
都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。
3、堰流和闸孔出流的转化： 闸底坎为平顶堰时：65.0≤H e 时为闸孔出流；65.0>He时为堰流。
闸底坎为曲线型堰时：75.0≤He 时为闸孔出流；75.0>H e时为堰流。
式中，e 为闸孔开度；H 为从堰顶算起的闸前水深。
第二节 堰流的类型及水力计算公式一、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。
堰前断面距上游壁面的距离：H l )5~3(= 1．薄壁堰流：67.0<Hδ，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。
此时堰顶常为锐缘形。
2．实用堰流：5.267.0<<Hδ，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。
常用曲线形或折线形。
H 01V 堰顶宽度为b ，水舌厚度为0kH （k 为堰顶水流垂向收缩系数），则：2/302/3001010221)1(21H g mb H g b k gH bkH bV kH Q =-=-+==ξϕξςα式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。
2/30H Q ∝。
流量系数：),,(ξϕk f m =，还与堰的边界条件有关。
自由出流/淹没出流； 有侧收缩堰/无侧收缩堰。
则：2/3012H g mb Q s εσ=第三节 薄壁堰流的水力计算一般用作量水工具。
水力学堰流及闸孔出流
水流产生侧面收缩 Q mc b 2 g H 3 2
mc -- 侧收缩系数 由（8-9)式确定
在b、P和H相同的情况下,流量要小于完全堰流量. 二. 三角堰与梯形堰 (堰口的形状为三角形或梯形) 1.三角堰 采用
P1
15 ~ 90
0
2.5
0
θ θ
流量公式 Q MH
M值查手册
最常用的H为 0.05 ~ 0.25m, 90 0
3. 几何参数 （1）骨架 –土壤颗粒组成的结构。 （2）孔隙率 m
V 1.0 V0
即孔隙所占的体积V与岩土总体积V0之比。
孔隙率反映岩土的密实程度，土壤孔隙率越大，透水性越好。 d （3）不均匀系数 η 60 d10 d 60 占60%重量的土粒能通过的筛孔孔径。
d10 占10%重量的土粒能通过的筛孔孔径。
H 一. 无侧收缩宽顶堰 (b=B)
(2.5
10)
1.自由出流 特征:水面二次跌落
Q mb 2 g H
2.淹没出流 条件:
3/ 2
P 1 3 H P 1 3 H
时 直角进口 m=0.32 圆角进口 m=0.36
时 直角进口 (8-19) 圆角进口 (8-20)
hs 0
则计算公式
一. 矩形薄壁堰 堰口为矩形的堰称为矩形堰.它又分为完全堰和侧收缩堰.
1.完全堰 (B=b)
无侧收缩,渠宽等于堰宽.则流量
m0为流量系数 m0 0.403 0.053 P1 为上游堰高 2. 侧收缩堰
Q m0b 2 g H 3 2
H 0.0007 P H 1
δ
H V0
(b B)
其流量
Q 1.343 H
堰流及闸孔出流
常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰 常见闸门型式： 平板闸门，弧形闸门
26
按照出流形式可分
自由出流 淹没出流
实际工程中，为几种型式的组合
5、闸孔出流水力计算的主要任务
在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的 泄流量。
根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。
27
6、底坎为宽顶堰型的闸孔出流 淹没问题:
接光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其
反弧半径应结合消能形式统一考虑。
15
二、实用堰剖面的种类
克里格－奥菲采洛夫剖面
我国多采用，剖面肥大，施工难度大。 渥奇剖面 美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝 高对剖面影响 WES剖面 流行采用
16
8.4
宽顶堰的水力计算
堰流
水流进入宽顶堰后，出现两次跌落的水力现象， 一般发生在堰坎处，但流经桥墩，渡槽，涵洞 的建筑物时也具有这种水流现象，又为无坎宽顶 堰，按宽顶堰计算；公式依旧采用基本公式。
直角进口
圆弧进口
m与宽顶堰的进口形式，水头 H，堰高 P有关，可以 由经验公式或表查取；理论最大值m=0.385。
18
二、侧收缩系数ε 堰宽小于渠道宽度的宽 顶堰流将发生倾向收缩， 使主流的实际宽度 bc 小于 堰宽b，水流阻力也因此增 大，泄流能力变小。
溢流宽度
用ε来反映侧收缩影响。
24
（ 2 ）堰和闸都是属于控制建筑物，都属于急变
流，其能量损失以局部水头损失为主。
区别：
堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连
续光滑的； 闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截 断，闸孔上、下游水面是不连续的。
水力学第9章-堰流及闸孔出流-2015
3 流量系数
Q mB
1.别列辛斯基的经验公式
3 a
直角进口m
0.32
0.01 0.46
H 0.75
a
H
3 a
圆弧形进口m
0.36 0.01 1.2
H 1.5
a
H
2g
H
3 0
/
2
2.上游堰面倾斜时，流量系数m的经验数据
堰上游面倾斜时，其m值可根据 a 及上游堰面倾角查表9.4
H
无坎宽顶堰的流量系数m可按不同的进口形式查表9.5得到，并且已
包含侧收缩的影响。
4 侧收缩系数
1
0.2 (n
1) 0
k
H0 nb
无坎宽顶堰无需再考虑侧收缩系数。
2、堰流和闸孔出流的界限
实用堰
e 0.75 H
闸孔出流
e 0.75 H
堰流
宽顶堰
e H
0.65
闸孔出流
e H
0.65
堰流
式中：e为闸孔开度；Ｈ为从堰顶算起的闸前水深． 堰流及闸孔出流计算的主要任务是研究其过水能力．
11.47(m)
坝顶高程 上游水位 Hd 37.0 11.47 25.53(m)
0.9032 (m)
Q2 mB
2g
H 1.5 01
1.0 1.0 0.49 5.0
29.810.90321.5 9.315(m3 / s)
v0
Q2 A0
9.315 (6.5 0.9) 5.0
0.2518 (m/s)
H 02
H
v02 2g
0.9
0.2518 2 2 9.81
0.9032 (m)
第9章 堰流及闸孔出流
堰流闸孔出流的水力计算
0
δ
H
1
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 和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。
0
H v0
P1
1
v1
P2
δ
0
1
折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形
宽顶堰：2.5＜δ/ H ＜10
0 1
H v0
v1
P1
P2
1
0
δ
0 1
H v0
v1
P1
P2
1
0
δ
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
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
0
H
v0
P1
δ 1
1
v1
P2
0
当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降
0
H
v0
P1
δ H
1
v0
P1
1
v1
P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
k 反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH）
0
δ H
1
v0
P1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
v1
P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
0
δ H
堰流与闸孔出流
H0
P1
V0
0 H0
V0
0
hs P2 ht
淹没出流对过流能力旳影响用淹没系数σs表达。
淹没系数σs：取决于hs/H0 和P2/H0
hs/H0 （hs从堰顶算起旳下游水深）
这是明显旳。 因为hs越大，下游水位旳顶托作用越大， 对过流能力影响越大
淹没出流对过流能力旳影响用淹没系数σs表达。
淹没系数σs：取决于hs/H0 和P2/H0
式中：e为闸孔开度；H 0
H
b
e
0 图 8-1 a 堰流及闸孔出流
堰流及闸孔出流是水利工程中常见旳水流现象， 其水力计算旳主要任务是研究过水能力。
本章将应用水力学旳基本原理， 分析堰闸出流旳水力特征，
§8-1 堰流旳类型及计算公式
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旳曲线型或
1
1
V1
α1 ， α2 ：动能修正系数
P2
ζ：局部阻力系数
Q v1 A
kH 0b
1
2g(H0 H0 )
k
1
3
1 b 2gH02
令： 流速系数
1
1
流量系数
m k
1 k 1
1
则堰流计算旳基本公式：
3
Q mb 2 g H 0 2
影响流量系数旳主要原因：
, k , m m( , k , )
0
δ
H
1
V0
1
0
图8-2 d 曲线型实用堰
2 实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5 因为堰顶厚度继续加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触， 水舌受到堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰旳过流能力。
堰流及闸孔出流
P P 48 − 38.5 1 = = 0.78 < 1.33 属于低堰，∴ md = 0.4988 × ( 1 )0.0241 = 0.4988 × 0.780.0241 = 0.4958 H d 12.2542 Hd
由
H0 m = 1 ，查 P197 图 9-13，则 = 0.98 ⇒ m = 0.98 × 0.4958 = 0.4859 Hd md
第九章 堰流与闸孔出流
9 堰流与闸孔出流
9-1 有一无侧收缩的矩形薄壁堰，上游堰高 P1＝0.5m，堰宽 b＝0.8m，堰顶水头 H＝0.6m，下游水 位不影响堰顶出流。求通过堰的流量。 解：已知 P1＝0.5m，b＝0.8m，H＝0.6m 对于无侧收缩的矩形薄壁堰有： Q = m0 b 2 g H 2
Q δ 2.5 = = 1.25 ，该堰为折线型实用堰 2 H
P 4 1 = = 2 ，查 P199 表 9-3，则 m＝0.36 H 2
P P 4 1 = 2 = = 2 , hs = 3.5 − 4 = −0.5 < 0 ∴取σs＝1.0 H H 2
没有闸墩， ζ 0 = 0 ，取 ζ k = 1.0 ，∴ ε = 1 − 0.2 ×1.0 ×
-2-
第九章 堰流与闸孔出流
∴ Q = σ s εmnb 2 g H 0 2 = 0.98667 × 0.84524 × 0.4694 × 5 × 10 × 19.6 × 7.3 2 = 1709.4 m 3 /s
3
3
9-6 为了灌溉需要，在某河修建溢流坝一座。溢流坝堰顶采用上游为三圆弧段的 WES 型实用堰剖 面。坝顶无闸门及闸墩，边墩为圆弧形，坝的设计洪水流量为 540m3/s，相应的上下游设计洪 水位分别为 50.7m 和 48.1m，坝址处上下游河床高程均为 38.5m，坝前河道过水断面面积为 524m2，根据灌溉水位要求，已确定坝顶高程为 48.0m，求坝的溢流宽度。 解：已知为 WES 型实用堰，坝顶无闸门及闸墩，边墩为圆弧形，Qd＝540m3/s，A＝524m2
水力学第8章 堰流闸孔出流
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
第八章 堰流及闸孔出流
2、薄壁圆形小孔口的恒定自由 出流流量公式
• • • • • • •
依据：恒定流的能量方程式 Q 公式： = µ A 2 gH o （8-1） 式中： µ = εϕ , µ 称为流量系数，其中 ϕ = 1 称为流量系数， 1+ ζ 称为流速系数。 称为流速系数。 称为包含行近流速水头在内的全水 HO = H + α v 2g 头。 实测资料表明：充分收缩的圆形锐缘小孔口出流 时 ε = 0.64 , ζ = 0.06 , ϕ = 0.97 故流量系数 µ = εϕ = 0.62 。
取孔口流量系数
Q = µA
µ = 0.62 H o ≈ H = 2m
2 gH
o
= 0 . 62 ×
π
4
× (0 . 02
)2
×
2 × 9 . 8 × 2 = 1 . 2 2(L/s)
（2）求管嘴出流的流量 取圆柱形外管嘴的流量系数 即流量
µ n = 0 . 82
π
4 × (0.02) 2 2 × 9.8 × 2 = 1.61( L / s )
第八章 堰流及闸孔出流
第一节
概述
一、出流分类
• 1、孔口出流
在容器上开孔，液体 在容器上开孔， 经孔口泄流的水力现 称为孔口出流。 象，称为孔口出流。 如图8 如图8-1（a） 2、管嘴出流 液体经过管嘴的泄流， 液体经过管嘴的泄流， 称为管嘴出流。 称为管嘴出流。 如 图8-1（b）
•
1.闸孔出流 闸孔出流 闸孔出流——水流受闸门或胸墙的 闸孔出流 控制，闸前水位抬高，水由闸门底缘 和底板的闸孔流出。 特点: 水流经过闸孔流出时，其自由 水面不连续。 其实质：是大的孔口出流。
• 解：由于： •
第九章堰流与闸孔出流
第九章 堰流与闸孔出流9.1堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？答：堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。
薄壁堰流的特点：当水流趋向堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状，不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线。
实用堰流的特点：由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。
宽顶堰流的特点：堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显。
进入堰顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过流断面逐渐减小，流速增大，在进口处形成水面跌落。
此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行。
9.2堰流计算的基本公式及适用条件？影响流量系数的主要因素有哪些？答：堰流计算的基本公式为23s H g 2mb Q εσ=，适用于矩形薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流。
影响流量系数m 的主要因素有局部水头损失、堰顶水流垂向收缩的程度、堰顶断面的平均测压管水头与堰上总水头之间的比例关系。
9.3 用矩形薄壁堰测量过堰流量，如何保证较高的测量精度？ 答：（1）上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶；（2）堰顶水头不宜过小，一般应使H>2.5m ，否则溢流水舌受表面张力作用，使得出流不稳定；（3）水舌下面的空气应与大气相通，否则溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，会导致出流不稳。
9.4 基本的衔接与消能措施有哪几种？各自的特点是什么？ 答：基本的衔接与消能措施有底流消能，挑流消能，面流消能。
底流消能：底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃的发生位置，通过水跃产生的表面旋滚的强烈紊动以达到消能的目的。
挑流消能：在泄水建筑物末端设置挑流坎，因势利导将水股挑射入空气中，使水流扩散并与空气摩擦，消耗部分动能，然后当水股落入水中时，又在下游水垫中冲击、扩散，进一步消耗能量。
面流消能：当下游水深较大而且比较稳定时，可将下泄的高速水流导向下游水流的表层，主流与河床之间被巨大的底部旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷。
水力学
5、只要下游水位超过宽顶堰的堰顶，一定产生淹没出流。
（
）
6、在无坎宽顶堰的计算中没有侧收缩系数，是因为没有侧收缩影响。
（）
7、推导闸孔出流公式时，沿程水头损失可以忽略不计。 （ ）
8、当堰上水头为2米，堰宽为30米时，该堰为宽顶堰。（ ）
9、小桥过流的淹没出流条件
与宽顶堰的淹没出流条件
不同。（ ） 10、对于闸孔出流，当闸门开度
正确的划“√”，错误的划“×” 1、在静止或平衡液体中等压面就是等势面（ ） 2、N-S方程为理想流体运动的微分方程。（ ） 3、涡流是指流体质点在运动中不绕自身轴旋转的流动. ( ) 4、无旋流就是无涡流。 5、拉格朗日积分要求流动为无旋，但可以是非恒定流动，而柯西—伯 努利积分不仅要求流动为无旋，且要求为恒定流动。（ ） 6、如果某流动区域的流线是直线，则流动不可能是有旋运动。（ ） 7、有旋运动是指流动过程中液体微团有绕自身轴旋转的流动。（ ） 8、N-S方程即适用于层流也适用于紊流。（ ） 9、已知平面不可压缩流体的速度分量为ux=1-y，uy=t，当t=0时，过 （0，0）点的流线和此时此地的质点所通过的迹线相重合。（ ） 10、理想液体属于势流，实际液体都是有涡流。（ ） 11、有涡流必是紊流，无涡流必是层流。（ ） 12、速度势函数存在的必要条件是平面运动。（ ） 13、实际液体的流场中总是存在流函数和速度势函数。（ ） 14、若液体质点作圆周运动，流线为同心圆，则此类流动一定为有涡
）
10、物理方程量纲的和谐性是指方程中每一物理量具有相同的量纲。
（）
11、不同的量纲的物理量可以相乘或相除，但不能相加或相减。（
）
12、物理量的量纲就是物理量的单位。（ ）
13、牛顿相似定律就是相似液流的牛顿数必相等。（ ）
水力学
堰流与闸孔出流1、区别薄壁堰、实用堰和宽顶堰，只取决于堰壁厚度δ。
（ ）2、其它条件相同时，实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数。
（ ）3、对于实用堰与宽顶堰，只要下游水位不超过堰顶时，就一定是自由出流。
（ ）4、堰顶厚度δ与堰上水头H 0之比满足0.67＜0H δ＜2.5时的堰流为实用堰流 。
（ ）5、只要下游水位超过宽顶堰的堰顶，一定产生淹没出流。
（ ）6、在无坎宽顶堰的计算中没有侧收缩系数，是因为没有侧收缩影响。
（ ）7、推导闸孔出流公式时，沿程水头损失可以忽略不计。
（ ）8、当堰上水头为2米，堰宽为30米时，该堰为宽顶堰。
（ ）9、小桥过流的淹没出流条件k t h h '≥3.1与宽顶堰的淹没出流条件08.0H h s ≥不同。
（ ）10、对于闸孔出流，当闸门开度e 与上游水深H 之比75.0>H e 时，闸孔出流转化为堰流。
（ ）11、对于薄壁堰，在堰宽b 、堰高P 和堰上水头H 相同的情况下，完全堰的过流能力比侧收堰的过流能力大。
（ ）12、当其它条件相同时，薄壁堰的流量大于实用堰的流量。
（ ）13、当无侧收缩薄壁堰下游无通气孔时，其流量小于有通气孔的情况。
（ ）14、当实用堰上游面坡度改变时，其流量系数不变。
（ ）15、当堰上水头为2米，堰宽为1.0米时，该堰为薄壁堰。
（ ）正确的划“√”，错误的划“×”泄水建筑物下游的水流衔接与消能1、底流消能消力池深度是以通过的最大流量作为设计流量的（ ）2、底流消能设计中，取最大流量作为设计流量时，消力池的深度也最大。
（ ）3、底流消能设计中，取最大流量作为设计流量时，消力池的长度也最大。
（ ）4、设计消力墙时，若选用的坝面流速大于实际的，则计算得到的消力墙高度偏安全。
（ ）5、底流式消力池池深和池长的设计流量都采用最大流量。
（ ）6、底流式消能和挑流式消能是常见的消能方式。
（ ）正确的划“√”，错误的划“×”1、在静止或平衡液体中等压面就是等势面（ ）2、N-S 方程为理想流体运动的微分方程。
堰流及闸孔出流
第八章 堰流及闸孔出流堰流：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。
堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。
由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。
堰流和闸孔出流的共同点：A 都是在重力作用下形成的水流运动，都是势能转化为动能的过程；B 流线急剧弯曲，离心惯性力对压强分布及过水能力有一定影响，都是急变流，局部水头损失占主导地位。
堰流和闸孔出流的转化：闸底坎为平顶堰时：65.0≤He 时为闸孔出流；65.0>He 时为堰流。
闸底坎为曲线型堰时：75.0≤He 时为闸孔出流；75.0>He 时为堰流。
式中，e 为闸孔开度；H 为从堰顶算起的闸前水深。
8-1 堰流的类型及计算公式一、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。
堰前断面距上游壁面的距离：H l )5~3(= 1．薄壁堰流：67.0<Hδ，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。
此时堰顶常为锐缘形。
2．实用堰流：5.267.0<<Hδ，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。
常用曲线形或折线形。
3．宽顶堰流：105.2<<Hδ，堰坎厚度对水流的顶托非常明显，进口处水面形成跌落，堰顶有一段水面与堰顶几乎平行，在出口处形成第二次水面跌落。
但仍以局部水头损失为主。
当10>Hδ时，沿程水头损失不能忽略，水流不属于堰流，而是明渠水流。
二、堰流的基本公式用能量方程求解。
列堰前断面与堰顶断面的能量方程：gV pz g V H 2)()(221120ςαγα+++=+，令gV H H 2200α+=为堰上全水头。
0)(H pz ξγ=+则：gV H H 2)(21100ςαξ+=-， 即：)1(21011ξςα-+=gH V堰顶宽度为b ，水舌厚度为0kH （k 为堰顶水流垂向收缩系数），则：2/302/3001010221)1(21H g mbH g b k gH bkH bV kH Q =-=-+==ξϕξςα式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。
内科大水力学课件09堰流及闸孔出流
hs＜0
hs＞0，且有顶托作用， 形成淹没式水跃。
按有无侧向收缩
无侧收缩堰流 b=B 有侧收缩堰流b＜B
返回
堰流的基本公式
应用能量方程式可推得
Q s mb
H
V0
2
g
H3 0
2
过
淹
堰
没
流
系
量
数
s 1
侧 流堰 收 量宽 缩系 系数 数
1 1
水力计算类型
计算过堰流量Q 计算堰上水头H
设计堰宽b
堰
顶 全 水
长研Ⅰ型剖面堰——中国长江水利委员会研制的， 该剖面是在有闸墩的情况下得出的。其剖面曲线方程
x 为： 1.8 2.1Hd 0.8 y 。
WES剖面堰——美国陆军兵团水道实验站研制的， 该剖面曲线用方程表示，便于控制，堰剖面较瘦，节省 工程量，且堰面压强分布比较理想，负压也不大，对安 全有利，所以近年来多采用WES剖面作为溢流坝。
前进
WES剖面堰的水力设计
0v02
2g
vo
Q smnb
2g
H
3 2
θ
u o ux
x
B
P1 H0 Hd
y
在o点处uy＝0，ux＝ucosθ，经过t时刻流体质点的坐标为：
用 与 要xy 通在矩 由过流形u12Hxy实于体 薄tgd验工t质壁2研程点堰4消究中上自c去得溢的由ostH出流力出2 不d水也流y同舌不水u条2下仅舌12件缘仅并gH下的是不x的d重完压uxk强力全x2值相并，2和同不所同n值等以。时H。于工因除yd大程此以气中工设k压溢程计强水流中H头水通，xdH舌常作dn
实验研究表明，曲线型适用断面堰的流量系数主要取决
课件：第七章 水跃、堰流及闸孔出流
水跃函数：当流量Q、渠道断面形状尺寸 一定时，J 为水跃函数
Q2 gA hc A J (h)
J h 水跃方程可化为
1
J h2
棱柱体水平明渠中，跃前和跃后水深不相等，但其水
跃函数值相等，h1 h2 互称为共轭水深 h1
h2
水跃函数曲线
当断面形状尺寸、
流量Q一定时，绘 h J(h)曲线
（2）确定流量系数 0.60 0.176 e 0.56
H
（3）设下游为自由出流，计算过闸流量
H0
H
V02 2g
0.82 5
19.6
5.03m
Q eb 2gH0 0.5613 19.65.03 16.68m3 / s
（4）判别出流是否淹没
由
e 0.2 H
查表8.8得 2 0.620
则收缩断面水深 hc 2 e 0.621 0.62m
Hd
4cos2
u2
;n 2
2g
uy
u
Bθ
ux
x
P1 y 克里格——奥菲采洛夫剖面
WES剖面
渥奇剖面
WES剖面的水力设计方法
1.85
y Hd
0.5
x Hd
Hd 0.75~ 0.95Hmax
曲线形实用堰系数
Q s1mb
2g
H3 2 0
WES堰 md=0.502； 克—奥堰 md=0.49；
1
1
B
H
b B
0.2,
b B
0.2
P1
H
3,
P1 H
3
(1)对单孔宽顶堰 b
边墩间宽度, B
堰上游水面宽度
(2)对于多孔宽顶堰
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。
第八章堰流及闸孔出流4
2
1 2e
H0
流速系数见第 九章表9－1
表8-12 平板闸门垂直收缩系数
cos c e R
e H 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
Байду номын сангаас
2 0.615 0.618 0.620 0.622 0.625 0.628 0.630 0.638 0.645 0.650 0.660 0.675 0.690 0.705
计算收缩断面水深 hc
计算共轭水深
hc''
h〔c 2
1 8Fr2c
1〕
与下游实际水深 ht 比较，
hc" ht 淹没出流
●淹没系数 s
潜流比 图8－27
二、实用堰型闸孔出流
水流特点： 过闸水流收缩充分，无收缩断面C-C，1-1为急变流断面。
能量方程
H
00
z
p
1v12
2g
hj
Q be 2gH
H
弧形闸门 (0.97 0.81 ) (0.56 0.81 ) e
180
180 H
cos c e
R
适用范围
25 90
0 e 0.65 H
3、淹没系数 s
●淹没条件： 形成淹没水跃
当下游水深 ht 大于收缩断面水深 hc 的共轭水深 hc 时，闸孔为淹没出流
●淹没出流判别：
一、宽顶堰型闸孔出流
1、水力计算基本公式
能量方程
H
0 0v02
2g
hc
0 cvc2
2g
hj
H0
hc
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9.2 堰的分类
薄壁堰
0.67H
实用堰：曲线型和折线型
0.67H 2.5H
宽顶堰
2.5H 10H
薄壁堰（Sharp-crested weir)
由于堰壁没有触及到水舌的下缘，其堰壁厚度对水流没有构成影响，这是 薄壁堰堰顶水流的特点。
0.67H
实用堰（Spillway)
堰顶水流沿着溢流面流动，堰顶厚度和形状 影响到水流，堰顶对水流产生阻力。
流量系数m
H =2
H =2～1
H =1～0.5
0.43-0.42 0.40-0.38 0.36-0.35
1.0
0
0.44
0.42
0.40
2.0
0
0.43
0.41
0.39
0
1
0.42
0.40
0.38
0
2
0.40
0.38
0.36
3
0
0.42
0.40
0.38
4
0
0.41
0.39
0.37
5
0
0.40
0.38
侧收缩流：
当溢流宽度小（等）于上游渠道的宽度
水跃的三种形式
h '' c0
ht
远离水跃
h '' c0
ht
临界水跃
h '' c0
ht
淹没水跃
h '' c0
hc0 ht
hc0 hc0
h '' c0 ht
h '' c0 ht
•
堰流及闸孔出流
本章内容：
1、堰的分类 2、堰流的基本公式 3、不同堰型的水力计算
第9章 堰流及闸孔出流
9.1 概述
1、堰流及闸孔出流
堰：顶部溢流的泄水建筑物称为堰
堰流：（outflow weirs of spilling） 经过堰的水流，没有受到闸门控制时是堰流。
闸孔出流：（outflow from sluice gate） 经过堰的水流受到闸门控制时就是闸孔出流，简称为孔流。
水头变化，量测精度高,适合Q <0.1 m3/s
Q 1.4H 5 2
梯形薄壁堰：
H 越大，水面B越宽，适合量测稍大的
流量，如Q >0.1 m3/s
Q 1.856 bH 3 2
9.5 实用堰的水力计算
1、曲线型实用堰的剖面形状
克里格尔- -奥菲采洛夫剖面，简称克- -奥剖面。
长研型剖面 WES(Waterw ays Experiment Station)剖面
堰流及闸孔出流的水流特点：
闸孔出流—— 水面被断开而不连续 堰流 —— 水面连续变化的光滑曲面 共同点：
堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑壅高 了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。出流过程 的能量损失主要是局部损失。
闸孔出流
堰流
3 淹没出流和自由出流（以堰流为例）：
堰淹没出流条件为：①下游水位超过堰顶 ②发生淹没水跃
2.实用堰的水力计算
Q mB
2g
H
3/ 0
2
（1）流量系数确定
Hd (0.75 ~ 0.95)Hmax
H Hd m md 0.502
H Hd H Hd
m md m md
上 游 堰 面 铅 直 ， 堰 顶 上游 为 三 圆 弧 段 的WES剖 面 ，
当 a 3时，流量系数m与 H0 的关系曲线。
0.36
10
0
0.38
0.36
0.35
0
3
0.39
0.37
0.35
0
5
0.37
0.35
0.34
0
10
0.35
0.34
0.33
9.6 宽顶堰的水力计算
1 宽顶堰的流量公式 取1-1和2-2断面
Q mB
2g
H
3/ 0
2
Q Bh 2g(H0 h)
据巴赫米切夫最小能量假设，万
物在重力场的作用下，总要跌至
hc 1 2 2 H 0
若不计阻力，
1, h hc
2 3
H0
若考虑水流阻力，
1,
堰顶水深略小于2 3
H0
3.宽顶堰的淹没条件
Q mB
0.67H 2.5H
宽顶堰（Broad-crested weir)
宽顶堰的堰顶一般为水平面，堰顶水流在进口处有明显收缩，并在堰顶出现一 段近似水平的流段。
2.5H 10H
9.3 堰流的基本公式
以矩形薄壁堰自由出流为例
H
V02
V2
V2
2g 2g 2g
v 1
2gH0 2gH0
A BkH0 Q vA BkH0 2gH0 mB 2g H03/2
Q Bhc 2g(H0 hc )
能量最小的地方。堰顶为水平时 E=Es, Esmin 对应临界水深，因
Q Bhc
vc
2g(H0 hc )此堰顶水深h为hc.
vc2 2 2g(H0 hc )
vc2 2g
2(H0
hc )
临界流
vc2 hc 2g 2
则
hc 2 2 (H 0 hc ) 2 2
雷保克（ T.Rehbock) 公式
m0
0.4034 0.0534
H a
1
1610H
4.5
适用条件： H 0.025 m, H 2a, a 0.3m
薄壁堰有侧收缩时，将其影响并入
B0
流量系数中
B
巴辛公式
m0
0.405
0.0027 H
0.03
B0 B0
B
1
0.55( H H
)2 ( a
B B0
)
2
（2）计算淹没系数
判别淹没水跃的条件：
z a1
z ( a1
)c
Z 为上下游水位差，a1为下游堰高， H 为上游水头
z ( a1 )c
z 在曲线下方时为淹没水跃 a1
淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值
1.05(1 0.2
hs
)(
z
1
)3
a1 H
三角形薄壁堰（三角堰）： 水头水面宽很小时，流量的微小变化引起较大的
A BkH0 K为垂向收缩系数
Q vA BkH0
2gH0 mB
2
g
H
3/ 0
2
式中 m k
为流量系数
考虑侧收缩和淹没出流的堰流的基本公式
Q mB 2g H03/2
9.4 薄壁堰的水力计算
薄壁堰可分为：
矩形薄壁堰的流量计算：
将行进流速放在流量系数 内考虑
Q m0B
2gH 3/2
（1）计算流量系数
H
Hd
（2）侧收缩系数
1 0.2(n 1) 0
k
H0 nb
n 为溢流孔数 b 为每孔宽度
如果 H0 1 按 H0 1计算
b
b
为闸墩系数（查表
0
9.1）
为边墩系数（查表
k
9.2）
表9.1
为闸墩系数
0
n 为溢流孔数
b 为每孔宽度
为闸墩系数（查表
0
9.1）
为边墩系数（查表
k
9.2）
如果 H0 1 按 )淹没系数
实用堰发生淹没出流的条件 （1）下游水位高于堰顶； （2）堰下游发生淹没水跃
淹没出流的条件
hs 0.15 及 a1 2.0
H0
H0
（二）折线型实用堰
a H
m 0.33 ~ 0.43
3～5
测收缩系数和淹没系数
近似按曲线型实用堰计算。 2～3
1～2
边坡系数
cotθ1 0.5
cotθ2 0.5