水力学堰流及闸孔出流
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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）
水力学——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。
m 0.403 0.053 H 0.0007
0
PH
1
适用条件为：
H 0.025m
H 2, P 0.3m
P
1
1
二、直角三角形薄壁堰流
流量公式为： Q C H 5/2 0
C 1.354 0.004 (0.14 0.2 )(H 0.09)2
0
H
PB
1
适用范围：
0.5m B 1.2m; 0.1m P 0.75m; 0.07m H 0.26m; H B / 3 1
3、确定堰顶下游曲线段与直线段的切点C的坐标， 按下式计算：
1.096H
x
d
c
m1.177
c
0.592H
y
d
c
m 2.177
c
4、确定下游直线段与反弧段的切点D的坐标
x D
x C
m P
c
2
y C
Rctg180
2
Rsin
y P R Rcos
D
2
5、反弧段与河床的切点E的坐标：
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。
m 0.403 0.053 H 0.0007
0
PH
1
适用条件为：
H 0.025m
H 2, P 0.3m
P
1
1
二、直角三角形薄壁堰流
流量公式为： Q C H 5/2 0
C 1.354 0.004 (0.14 0.2 )(H 0.09)2
0
H
PB
1
适用范围：
0.5m B 1.2m; 0.1m P 0.75m; 0.07m H 0.26m; H B / 3 1
3、确定堰顶下游曲线段与直线段的切点C的坐标， 按下式计算：
1.096H
x
d
c
m1.177
c
0.592H
y
d
c
m 2.177
c
4、确定下游直线段与反弧段的切点D的坐标
x D
x C
m P
c
2
y C
Rctg180
2
Rsin
y P R Rcos
D
2
5、反弧段与河床的切点E的坐标：
第八章 堰流及闸孔出流 8.1-8.2
2、不同点:
堰流: 上部无约束，水面连续,
过流能力大
闸孔出流: 四周均有约束，水
面断开, 过流能力小
三、堰流和闸孔出流的判别 平顶堰:
e H e H 0 . 65 0 . 65
—闸孔出流 —堰流
曲线堰:
e H e H
0 . 75 0 . 75
闸孔出流 堰流
8.1
堰流的类型及计算公式
二、三角形薄壁堰
Q C0H
5/2
式中，C0为直角三角形薄壁堰的流量系数， 可按下式计算：
2 H 0 . 004 0 .2 0 . 14 C 0 1 . 354 0 . 09 H P1 B
第八章
堰流及闸孔出流 (Weir flow and sluice flow)
一、定义
堰流～通过横向边界有约束的堰顶， 自由下泄的水流。
闸孔出流～ 由闸门孔口泄出的水流
实用堰流
弧型闸门闸孔出流
二、堰闸出流特点 1、共同点:
(1) 横向边界有约束 (2) 重力使水流流动
(3) 急变流 (4) 以局部水头损失为主
2、流量计算公式
Q m 0b 2 g H
3/2
流量系数m计算公式：
m 0 0 . 403 0 . 053 H P1 0 . 0007 H
式中P1为上游堰高，H及P1均以米计。上式用于 H≥0.025米， H ≤2及P1≥0.3米条件下。
P1
3、水舌形状特点
①在距堰壁上游3H处，水面降落0.003H， ②在堰顶上，水舌上缘降落了0.15H。 ③水舌下缘在离堰壁0.27H处升得最高，高出堰顶 0.112H，此处水舌的垂直厚度为0.668H。 ④距堰壁0.67H处，水舌下缘与堰顶同高.
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。
第八章 堰流及闸孔出流
le t: A1 kH0 b : k coe 1 ffice n t kH0 b Q v1 A 1 1
v0
P1
2 gv( H 0 H 0 )
1
k
le t:
0
1 1 k
P2
1
1 b
le t: m
1
3 2
1 k 1
v0
1
0
曲线型实用堰外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设
计。因此，研究薄壁堰是具有重要的实际意义。
0.010H
0.003H
0.040H
0.150H 0.22H
H
0.112H
0.669H
通气管
贴壁流动 P1
0.67H
H 3H
H
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。
Q mb 2 g H 0 Q H0
3 2
0 δ
H 1 v0 P1 1 v1 P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
m 主要反映局部水头损失的影响的系数
0 δ
H 1 v0 P1 1 v1 P2
m m( , k, ) , k,
ξ 相对测压管水头 反映堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
8.2
薄壁堰流的水力计算
8.2.1 矩形薄壁堰流 8.2.2 直角三角形薄壁堰流
H
也
P1
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、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时挡水
建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。
0
H
δ 1
v0
P1
2 gv( H 0 H 0 )
1
k
le t:
0
1 1 k
P2
1
1 b
le t: m
1
3 2
1 k 1
v0
1
0
曲线型实用堰外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设
计。因此，研究薄壁堰是具有重要的实际意义。
0.010H
0.003H
0.040H
0.150H 0.22H
H
0.112H
0.669H
通气管
贴壁流动 P1
0.67H
H 3H
H
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。
Q mb 2 g H 0 Q H0
3 2
0 δ
H 1 v0 P1 1 v1 P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
m 主要反映局部水头损失的影响的系数
0 δ
H 1 v0 P1 1 v1 P2
m m( , k, ) , k,
ξ 相对测压管水头 反映堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
8.2
薄壁堰流的水力计算
8.2.1 矩形薄壁堰流 8.2.2 直角三角形薄壁堰流
H
也
P1
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、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时挡水
建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。
0
H
δ 1
堰流和闸孔出流
第十章 堰流和闸孔出流
第一节 概述 在水力学中，把顶部溢流的水工建筑物 称为堰。溢流坝和水闸坎肩就是堰。流经 堰的水流，当没有受到闸门控制时就是堰 流；当受到闸门控制时就是闸孔出流，简 称孔流。 堰流和闸孔出流分为自由出流和淹没出流。
1
第二节 堰的分类
• 按堰壁厚度与水头的相对大小，即按堰的 水力特性，将堰分为薄壁堰、实用堰、宽 顶堰三类。
26
第六节 宽顶堰
• 一、宽顶堰的流量公式
• 以堰顶为基准面，列1.2的能量方程
27
• 化简为
• 由此解得
• 式中
为流速系数。
28
• 过水面积A=Bh，得宽顶堰的流量公式为
• 合并系数，又因为流速水头可以忽略不计， H-h=z，上式可写为
• 上两式是宽顶堰自由出流的公式，在淹没出 流的情况下，同时要考虑淹没系数。
2
3
一、薄壁堰
• 当水流趋向薄壁堰流时，堰顶下泄的水 流形如舌状。当堰壁的厚度较小，堰壁没 有触及到水舌的下缘，其厚度对水舌形状 没有影响时，这种堰称为薄壁堰或锐缘堰。 根据实验，堰顶至水舌下缘之间的水平距 离约为0.67H，故在设计中，把厚度小于 0.67H的堰称为薄壁堰。
4
二、实用堰
• 当堰壁厚度影响到水舌形状，水流即受 到堰顶的阻力。把厚度处于0.67H到2.5H之 间的堰称为实用堰。为了减小水流阻力， 某些大型的溢流坝，其剖面形状常做成曲 线形，使堰形状尽量与水舌相吻合，以减 少阻力，称为曲线形实用堰。
29
• • • •
二、流量系数及侧收缩系数 1 流量系数 别列辛斯基的经验公式 直角形进口
• 圆弧形进口
30
• 三、淹没系数 • 宽顶堰的淹没条件
• 淹没系数近似查下表
第一节 概述 在水力学中，把顶部溢流的水工建筑物 称为堰。溢流坝和水闸坎肩就是堰。流经 堰的水流，当没有受到闸门控制时就是堰 流；当受到闸门控制时就是闸孔出流，简 称孔流。 堰流和闸孔出流分为自由出流和淹没出流。
1
第二节 堰的分类
• 按堰壁厚度与水头的相对大小，即按堰的 水力特性，将堰分为薄壁堰、实用堰、宽 顶堰三类。
26
第六节 宽顶堰
• 一、宽顶堰的流量公式
• 以堰顶为基准面，列1.2的能量方程
27
• 化简为
• 由此解得
• 式中
为流速系数。
28
• 过水面积A=Bh，得宽顶堰的流量公式为
• 合并系数，又因为流速水头可以忽略不计， H-h=z，上式可写为
• 上两式是宽顶堰自由出流的公式，在淹没出 流的情况下，同时要考虑淹没系数。
2
3
一、薄壁堰
• 当水流趋向薄壁堰流时，堰顶下泄的水 流形如舌状。当堰壁的厚度较小，堰壁没 有触及到水舌的下缘，其厚度对水舌形状 没有影响时，这种堰称为薄壁堰或锐缘堰。 根据实验，堰顶至水舌下缘之间的水平距 离约为0.67H，故在设计中，把厚度小于 0.67H的堰称为薄壁堰。
4
二、实用堰
• 当堰壁厚度影响到水舌形状，水流即受 到堰顶的阻力。把厚度处于0.67H到2.5H之 间的堰称为实用堰。为了减小水流阻力， 某些大型的溢流坝，其剖面形状常做成曲 线形，使堰形状尽量与水舌相吻合，以减 少阻力，称为曲线形实用堰。
29
• • • •
二、流量系数及侧收缩系数 1 流量系数 别列辛斯基的经验公式 直角形进口
• 圆弧形进口
30
• 三、淹没系数 • 宽顶堰的淹没条件
• 淹没系数近似查下表
水力学第八章2-文档资料
宽顶堰的侧收缩系数
与实用堰相同
1 0.2 cr
n
1
0
H0 nb
宽顶堰的淹没溢流的判别
▪ 当下游水位较低时(低于K-K线)，堰顶收缩水 深hc小于临界水深hcr，堰顶水流为急流，下游 水深不影响堰的过水能力，为自由溢流。
K H p1
hc
hcr
(a)
K hs
▪ 当下游水位稍高于k-k线时，堰顶出现波状水跃， 此时hc仍小于hcr，下游水深仍不影响堰的过水能 力。
§8-1 概 述
堰 从顶部溢流而水面不受约束的壅水建筑物。 闸 由闸门控制水流的泄水建筑物。 通过堰的水流称为堰流； 通过闸孔的水流称为闸孔出流。
1 He
1 (a)
H e
(c)
H
e
2
2
(b)
H e
(d)
堰流、闸孔出流的特点
▪ 从水流现象来看
1）堰、闸的存在使得河渠中的水位被壅高，上 游水流是缓流；
C c
ht
e
hc vc
ht
1
c
(b) 弧形闸门
当下游水位较高，使闸孔下游发生淹没式水跃， 以至影响闸孔出流时，为淹没出流。
5
图 8.2.12
下游水位与堰顶齐平，故过闸水流为无坎宽顶堰自由 溢流，无坎宽顶堰侧收缩系数已计入在流量系数内。
用H代替H0
Q(1) mnb 2g H03/2 0.3688 2810 29.8 43/2 3657.35m3 / s
v0
Q A
3657.35 327 4
2.80m
/
s
H0
H
v02 2g
m0
0.405
0.0027 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
3 2
Q 4 s 4 m b 2 g H 0 32 0 .8 2 0 .3 4 6 6 1 .2 8 1 9 .6 0 .8 8
Q4 Q3 Q4 1 .3 3 1 .3 3 1 .3 3 0
1 .3 3 m / s
3
符合要求，故所求流量为1.33m3/s。
前进
（4）判别出流是否淹没 由 则收缩断面水深 hc的共轭水深
e H
0 .2
查表8.7得 2 0 .6 2 0
h c 2 e 0 .6 2 1 0 .6 2 m
h c hc 2 0 .6 2 2 ( 1 8q
2 3
1)
2 3
g hc ( 1
8 5 .5 6
前进
主要内容
堰流与闸孔出流 堰流与闸孔出流的判别 堰流的分类 堰流的基本公式 薄壁堰流的水力计算 实用堰流的水力计算 宽顶堰流的水力计算 堰流水力计算实例 闸孔出流的基本公式 底坎为宽顶堰型的闸孔出流 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 闸孔出流水力计算实例
结束
既能挡水，又能过水的水工建筑物，称为堰。
（2）判别堰闸出流
（3）确定系数
e H
1 5
0 .2 0 .7 5
由表8.9查得闸孔流量系数 0.667
（4）计算过闸孔流量
Q b e 2 g H 0 .6 6 7 5 7 1 1 9 .6 5 2 3 1m / s
3
所以该工况下，通过闸孔的流量为231m3/s。 水库调度图 水库放水时间计算
2 g A0
1 9 .6 (1 .2 8 1 .3 5)
0 .8 8 m
hs H 03
Q 4 s 4 m b 2 g H 0 32 0 .8 2 0 .3 4 6 6 1 .2 8 1 9 .6 0 .8 8
Q4 Q3 Q4 1 .3 3 1 .3 3 1 .3 3 0
1 .3 3 m / s
3
符合要求，故所求流量为1.33m3/s。
前进
（4）判别出流是否淹没 由 则收缩断面水深 hc的共轭水深
e H
0 .2
查表8.7得 2 0 .6 2 0
h c 2 e 0 .6 2 1 0 .6 2 m
h c hc 2 0 .6 2 2 ( 1 8q
2 3
1)
2 3
g hc ( 1
8 5 .5 6
前进
主要内容
堰流与闸孔出流 堰流与闸孔出流的判别 堰流的分类 堰流的基本公式 薄壁堰流的水力计算 实用堰流的水力计算 宽顶堰流的水力计算 堰流水力计算实例 闸孔出流的基本公式 底坎为宽顶堰型的闸孔出流 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 闸孔出流水力计算实例
结束
既能挡水，又能过水的水工建筑物，称为堰。
（2）判别堰闸出流
（3）确定系数
e H
1 5
0 .2 0 .7 5
由表8.9查得闸孔流量系数 0.667
（4）计算过闸孔流量
Q b e 2 g H 0 .6 6 7 5 7 1 1 9 .6 5 2 3 1m / s
3
所以该工况下，通过闸孔的流量为231m3/s。 水库调度图 水库放水时间计算
2 g A0
1 9 .6 (1 .2 8 1 .3 5)
0 .8 8 m
hs H 03
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
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： •
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。
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
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 渗流的基本定律
一.渗流模型 假定渗流区是流体在充满包括土粒骨架在内的整个空间内的连续流动. 此种虚拟的渗流,称为渗流模型.
Q u mA 其中: ΔQ – 微小过流断面的流量.
实际渗流中平均流速
'
m -- 孔隙率
ΔA -- 由骨架和孔隙组成的微小过水断面面积
按渗流模型概念,将渗流视为流体在包括骨架在内的整个空间的连续流动. 则渗流流速 u 因此
二. 侧收缩宽顶堰 (B>b) 1.自由出流 2. 淹没出流
2 Q mb 2 g H 0 / 3
ε -- 侧收缩系数
2 Q mb 2 g H 0 / 3 ζ - 淹没系数(与hs/H0有关见表8-1)
ε 与堰宽和渠(槽)宽的比值b/B、边墩的形状、进口形式有关.见(8-23)
8.6 闸孔出流
流量
0.67
Q mb 2 g H 3 2
m -- 流量系数
曲线形堰 m= 0.45~0.52
折线形堰 m= 0.35~0.42
曲线形堰又分为
真空堰—坝面曲线与水舌间有一定空间形成一定真空度 非真空堰-- 坝面曲线深入水舌内部
坝面曲线与水舌间有一定空间形成一定真空度，其目的是提高过流能力。
8.2. 恒定均匀流
9.3 恒定均匀渗流与非均匀渐变渗流
v=u=kJ -- 裘皮幼公式(杜比公式) v -- 平均流速 u -- 点流速
裘皮幼公式与达西公式形式虽然相同,但仍有以下不同: 1.达西公式用于均匀流,裘皮幼公式适用于渐变流 2.在均匀渗流场内,渗流区内任意点的渗流速相等.在渐变流中,只是同一过流 断面上的各点渗流速度相等.
hs 0.8H 0 3 Q mb 2 g H 0 2
( 必要条件)
( 充分条件)
m值采用式(8-19) 、式(8-20)计算;ζ 为淹没系数,根据表 8-1 选取.
ΔZ
H
K
hk
hs P2
K
P1
宽顶堰淹没出流与自由出流的水力特征不同: 当下游水位继续升高,堰顶上水流受顶托作用,堰顶水流呈缓流,水位超 过K—K线,在跌坎以下过水断面变大,流速变小动能变化为压能.出现 动能恢复ΔZ.此时才是典型的宽顶堰淹没出流现象.
其流量
Q 1.343 H
2.47
(L / S )
三角形堰所测量的流量一般要小于0.05 m3/s 2. 梯形堰 对流量略大,三角堰不适用时采用梯形堰 其流量
Q m0b 2 g H 1.5 MH 2.5
2.5
为矩形堰与三角堰流量之和.
8.3 实用断面堰
H 水流量较大,因结构要求将堰加厚做成折线形堰和曲线形堰称为实用断面堰.
水闸的作用是通过闸门开启来控制流
量及水位. 闸门部分开启部分的孔口出流称为闸
H
e hc
孔出流.
闸孔出流的特征量
e -- 闸门开度
hc -- 收缩断面水深
0
-- 收缩断面的收缩系数 ( 见表8-4 )
当 e/ H
0.75
时，闸孔出流转化为堰流。
闸孔出流分为自由出流和淹没出流.闸孔出流为急流,当下游水流为缓流时发
0
P2
P1 – 上游堰高 h1-- 下游水深
hs – 下游水深超过堰顶的高度 hs =h1-P2 可以大于0,也可以小于0.
二.堰的类型 1.薄壁堰 2.实用断面堰
H
0.67 H 2 .5
δ– 堰的厚度 H– 堰上水头
0.67 2 .5
3.宽顶堰
三.堰流的基本公式
H
10
堰流种类多，但水力特征相似可统一用一个基本公式. 0V02 32 Q mb 2 g H 0 其中 H 0 H 为作用水头或总水头
2g
m -- 流量系数 m=f (φ,k,ξ) 为流速系数，水舌垂直收缩系数,修正系数的.
函数.
8.2 薄壁堰
H– 堰上水头
( H 0.67) (常用于做量水工具)
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)
第八章
堰流及闸孔出流
堰流—在明渠中,无压缓流从建筑物障壁顶部溢流至下游,上游水位壅高, 而后水面跌落的局部水力现象. 闸孔出流—闸门部分开放,水流从建筑物与闸门下缘间的孔口流出的水力现象. 堰流与闸孔出流在边界条件上的区别在于闸孔上下游水面线是不连续的. δ 8.1 堰的类型及堰流的基本公式 H 一.堰流的特征量 堰流的特征量如下: B – 渠宽 P2-- 下游堰高 δ-- 堰顶厚度 b – 堰宽 H – 堰上水头 V-- 行进流速 P1 V
流
孔隙介质是指由固体颗粒构成具有无数孔隙的物质.
9.1 岩土渗流特性
一. 岩土的分类 1. 均质岩土 – 指渗流性质和渗流场与空间点的位置无关,即岩土的组成在空 间点上分布相同. 按渗流性质均质岩土又分为:
(1) 各向同性岩土,即渗流性质与方向无关,如沙土.
(2) 各向异性岩土,即渗流性质与方向有关,如黄土、沉积岩等。 2. 非均质岩土 –指岩土的组成在空间上的分布不相同，其渗流性质和渗流 场与空间点的位置有关。
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。
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
生水跃.形成远趋式水跃为自由出流,形成淹没式水跃为淹没出流. 闸孔自由出流的水利计算
1 Q be 2 g H 0 / 2
μ – 流量系数
0.60 0.176 e / H
闸孔淹没出流的水利计算
s
Qs s be 2gH0
-- 淹没系数(查资料确定)
第九章 渗
液体在孔隙介质中的流动称为渗流
一般η 值大于1.0，η 值越大，表示土粒越不均匀。
二. 岩土的渗流特性
1。透水性 – 指岩土的透水能力。 2。容水度 – 岩土能容纳最大水体与岩土总体积之比。（数值上与m相等）
3. 持水度 – 在重力作用下岩土仍能保持的水体与岩土总体积之比.
4. 给水度 --在重力作用下岩土能释放的水体与岩土总体积之比.在数值上它等 于容水度减去持水度.
Q A
u mu '
m 1, u u
'
二.渗流达西定律
k -- 渗流系数( 量纲 LS 渗流流量 Q kA
1
)
H kAJ l
A -- 过水断面面积 J -- 水力坡度
则平均流速V=kJ
.渗流达西定律的适用范围:
1.
Re 1 ~ 10
v – 渗流流速 cm/s
渗流雷诺数 Re d 取 d10