水力学——堰流和闸孔出流
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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
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： •
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
水力学-第九章 堰流及闸孔出流
（1）计算流量系数
Q m0 B 2 g H
3/ 2
（2）计算淹没系数 判别淹没水跃的条件： Z 为上下游水位差，a1为下游堰高， H 为上游水头
( z )c a1
z z ( )c a1 a1
淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值
hs z 3 1.05(1 0.2 )( ) a1 H
1
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 水头变化，量测精度高,适合Q <0.1 m3/s
Q 1.4 H 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
32
9.5 实用堰的水力计算
1、曲线型实用堰的剖面形状
(9.24)
1 1 e / H
4、实用堰闸孔出流
自由出流： 1eB 2 gH 0 Q •
(9.25)
e e 1 0.65 0.186 (0.25 0.375 ) cos H H
10-5、闸孔出流的水力计算
4、实用堰闸孔出流
淹没出流：Q 1 eB 2 g ( H 0 hs ) •
水面连续变化的光滑曲面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
第9章
9.1 概述
1、堰流及闸孔出流
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。
Q m0 B 2 g H
3/ 2
（2）计算淹没系数 判别淹没水跃的条件： Z 为上下游水位差，a1为下游堰高， H 为上游水头
( z )c a1
z z ( )c a1 a1
淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值
hs z 3 1.05(1 0.2 )( ) a1 H
1
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 水头变化，量测精度高,适合Q <0.1 m3/s
Q 1.4 H 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
32
9.5 实用堰的水力计算
1、曲线型实用堰的剖面形状
(9.24)
1 1 e / H
4、实用堰闸孔出流
自由出流： 1eB 2 gH 0 Q •
(9.25)
e e 1 0.65 0.186 (0.25 0.375 ) cos H H
10-5、闸孔出流的水力计算
4、实用堰闸孔出流
淹没出流：Q 1 eB 2 g ( H 0 hs ) •
水面连续变化的光滑曲面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
第9章
9.1 概述
1、堰流及闸孔出流
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。
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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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：
x E
x C
m P
c
2
y C
Rctg180
2
6、反弧段圆心O’的坐标：
x' x
O
E
y' P R
o
2
四、WES堰的水力计算
1、流量系数
（1） （2）
P 1
1.33 时，称为高堰
H
d
H 0
1.0
m 0.502
H
d
d
H 0
1.0
m具体由图8-8中的a线确定。
H
d
P 1
1.33
时，称为低堰
H
d
m由图8-8中的b、c、d、e线确定
（一）平板闸门下的自由出流
hc e
Q 0Be 2g(H0 hc )
0
由表8-4查得
流速系数
表达式一
Q Be 2gH0
0.60 0.18 e
H
0.1 e 0.65 H
表达式二
（二）弧形闸门下的自由出流
Q Be 2gH0
(0.97 0.81 ) (0.56 0.81 ) e
粗略计算时取： C 1.4 0
第四节 实用堰流的水力计算 一、曲线形实用堰的剖面组成及其设计
1、上游直线段AB：常是垂直的，有时也是倾斜的。 其坡度由坝体的稳定和强度要求选定。
2、堰顶曲线段BC：对水流特性的影响最大，是设 计曲线型实用堰剖面的关键。 3、下游直线段CD：其坡度也是由坝体的稳定和强 度要求选定。 4、反弧段DE：使直线段CD与下游河底平滑连接，避免 水流直冲河床；并有利于下游的消能。
2、侧收缩系数
1 0.2 n 1 H0
1
k
0 nb
式中 k ——边墩形状系数；
0
——中墩形状系数。
淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，
f(
h s
P , )2
s
HH
0
0
，查图8-10。
式中hs为从堰顶算起的下游水深；P2为下游堰高。
第五节 宽顶堰的水力计算
流量公式 : Q mb 2gH 3/2
Q kH bV kH b 1
2gH (1 ) k 1 b 2g H 3/2 mb 2gH 3/2
0
1
0
0
0
0
1
堰流流量公式： Q mb 2gH 3/2
s1
0
第三节 薄壁堰流的水力计算 一、矩形薄壁堰流
流量公式为： Q mb 2gH 3/2 m b 2gH 3/2
0
0
m ——包含行近流速影响在内的流量系数 0
0.67
H
0.67 2.5
H
2.5 10
H
二、堰流的基本公式
列堰前断面与堰顶断面的能量方程：
V2
H 0 0
(z
p) (
)
V 1
2
2g
1
2g
V2
H H 0 0
(z p) H
0
2g
0
H
H
(
)
V 1
2
0
0
1
2g
V 1 2gH (1 )
1
0
1
堰顶宽度为b，水舌厚度为
kH（0 k为堰顶水流垂向收缩系数），
180
180 H
250 900
0 e 0.65 H
二、平顶坎上的闸孔淹没出流
Q S Be 2gH0
淹没系数 s 由
e 及 z 查图8-10得到 HH
s1
0
一、有坎宽顶堰流的水力计算
1、流量系数3Biblioteka P 1(1)直角进口：
m 0.32 0.01
H
0.46
0.75
P 1
P
H
适用于：
0 1 3
H
3
P 1
(2)圆角进口： m 0.36 0.01
H
1.2
1.5
P 1
适用于：
0
P 1
3
H
H
2、侧收缩系数 (1)对单孔宽顶堰 (2)对于多孔宽顶堰
1
0
3、堰流和闸孔出流的转化：
e 闸底坎为平顶堰时： H
0.65
e 0.65 H
闸底坎为曲线型堰时： e 0.75 H e 0.75 H
闸孔出流 堰流 闸孔出流 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
1．薄壁堰流： 2．实用堰流： 3．宽顶堰流：
d
max
三、WES堰的剖面设计
1、首先确定剖面设计水头Hd，堰高P1，P2， 堰下游的坡比mc，及其夹角α，反弧半径R。
2、以堰顶最高点为坐标原点O，Ox水平轴以指向 下游为正，Oy铅垂轴以向下为正。计算出堰顶曲 线OC段的坐标，可以点绘出堰面曲线；根据图8-7 的数据，绘出堰顶上游段BO的三段复合圆弧及垂 直堰墙。
反弧半径：
H较大 r (0.5 ~ 1.0)(H z )
d
max
H较小 r (0.25 ~ 0.5)(H z )
d
max
二、工程中常用的曲线型实用堰——WES堰
WES堰的堰顶下游：
( y ) 0.5( x )1.85
H
H
d
d
堰顶上游：由三段复合圆弧组成。
设计水头：
H (0.75 ~ 0.95)H
4 b (1 b )
1
3
0.2
P 1
B
B
H
(n
1) 1
1
1
n
3、宽顶堰的淹没条件及淹没系数
淹没条件：h 0.8H
s
0
淹没系数： 查表8-2。
第三节 闸孔出流的水力计算
一、平顶堰上的闸孔自由出流
闸孔自由出流:
ht hc "
远离式水跃
ht hc " 临界式水跃
闸孔淹没出流:
ht hc " 淹没式水跃
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：
x E
x C
m P
c
2
y C
Rctg180
2
6、反弧段圆心O’的坐标：
x' x
O
E
y' P R
o
2
四、WES堰的水力计算
1、流量系数
（1） （2）
P 1
1.33 时，称为高堰
H
d
H 0
1.0
m 0.502
H
d
d
H 0
1.0
m具体由图8-8中的a线确定。
H
d
P 1
1.33
时，称为低堰
H
d
m由图8-8中的b、c、d、e线确定
（一）平板闸门下的自由出流
hc e
Q 0Be 2g(H0 hc )
0
由表8-4查得
流速系数
表达式一
Q Be 2gH0
0.60 0.18 e
H
0.1 e 0.65 H
表达式二
（二）弧形闸门下的自由出流
Q Be 2gH0
(0.97 0.81 ) (0.56 0.81 ) e
粗略计算时取： C 1.4 0
第四节 实用堰流的水力计算 一、曲线形实用堰的剖面组成及其设计
1、上游直线段AB：常是垂直的，有时也是倾斜的。 其坡度由坝体的稳定和强度要求选定。
2、堰顶曲线段BC：对水流特性的影响最大，是设 计曲线型实用堰剖面的关键。 3、下游直线段CD：其坡度也是由坝体的稳定和强 度要求选定。 4、反弧段DE：使直线段CD与下游河底平滑连接，避免 水流直冲河床；并有利于下游的消能。
2、侧收缩系数
1 0.2 n 1 H0
1
k
0 nb
式中 k ——边墩形状系数；
0
——中墩形状系数。
淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，
f(
h s
P , )2
s
HH
0
0
，查图8-10。
式中hs为从堰顶算起的下游水深；P2为下游堰高。
第五节 宽顶堰的水力计算
流量公式 : Q mb 2gH 3/2
Q kH bV kH b 1
2gH (1 ) k 1 b 2g H 3/2 mb 2gH 3/2
0
1
0
0
0
0
1
堰流流量公式： Q mb 2gH 3/2
s1
0
第三节 薄壁堰流的水力计算 一、矩形薄壁堰流
流量公式为： Q mb 2gH 3/2 m b 2gH 3/2
0
0
m ——包含行近流速影响在内的流量系数 0
0.67
H
0.67 2.5
H
2.5 10
H
二、堰流的基本公式
列堰前断面与堰顶断面的能量方程：
V2
H 0 0
(z
p) (
)
V 1
2
2g
1
2g
V2
H H 0 0
(z p) H
0
2g
0
H
H
(
)
V 1
2
0
0
1
2g
V 1 2gH (1 )
1
0
1
堰顶宽度为b，水舌厚度为
kH（0 k为堰顶水流垂向收缩系数），
180
180 H
250 900
0 e 0.65 H
二、平顶坎上的闸孔淹没出流
Q S Be 2gH0
淹没系数 s 由
e 及 z 查图8-10得到 HH
s1
0
一、有坎宽顶堰流的水力计算
1、流量系数3Biblioteka P 1(1)直角进口：
m 0.32 0.01
H
0.46
0.75
P 1
P
H
适用于：
0 1 3
H
3
P 1
(2)圆角进口： m 0.36 0.01
H
1.2
1.5
P 1
适用于：
0
P 1
3
H
H
2、侧收缩系数 (1)对单孔宽顶堰 (2)对于多孔宽顶堰
1
0
3、堰流和闸孔出流的转化：
e 闸底坎为平顶堰时： H
0.65
e 0.65 H
闸底坎为曲线型堰时： e 0.75 H e 0.75 H
闸孔出流 堰流 闸孔出流 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
1．薄壁堰流： 2．实用堰流： 3．宽顶堰流：
d
max
三、WES堰的剖面设计
1、首先确定剖面设计水头Hd，堰高P1，P2， 堰下游的坡比mc，及其夹角α，反弧半径R。
2、以堰顶最高点为坐标原点O，Ox水平轴以指向 下游为正，Oy铅垂轴以向下为正。计算出堰顶曲 线OC段的坐标，可以点绘出堰面曲线；根据图8-7 的数据，绘出堰顶上游段BO的三段复合圆弧及垂 直堰墙。
反弧半径：
H较大 r (0.5 ~ 1.0)(H z )
d
max
H较小 r (0.25 ~ 0.5)(H z )
d
max
二、工程中常用的曲线型实用堰——WES堰
WES堰的堰顶下游：
( y ) 0.5( x )1.85
H
H
d
d
堰顶上游：由三段复合圆弧组成。
设计水头：
H (0.75 ~ 0.95)H
4 b (1 b )
1
3
0.2
P 1
B
B
H
(n
1) 1
1
1
n
3、宽顶堰的淹没条件及淹没系数
淹没条件：h 0.8H
s
0
淹没系数： 查表8-2。
第三节 闸孔出流的水力计算
一、平顶堰上的闸孔自由出流
闸孔自由出流:
ht hc "
远离式水跃
ht hc " 临界式水跃
闸孔淹没出流:
ht hc " 淹没式水跃