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>H

e

时为堰流。 闸底坎为曲线型堰时：

75.0≤H

e 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

δ

，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<<

H

δ

，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

/30

2

/30

01010221)1(21

H g mb H g b k gH b

kH bV kH Q =-=-+==ξϕξς

α

式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。2

/30

H 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。 一、矩形薄壁堰流

量精度最高。

要满足：A 堰宽与上游渠宽相同；B 于堰顶（保证自由出流）；C H>2.5cm （以免除表面张力的影响）；D 气相通（避免形成真空）。

流量公式为：02

/302m H g mb Q ==量系数，

H

P H m 0007

.0053

.0403.010++=，单位全部用米，1P 为上游堰高。适用条件为：m H 025.0≥

，

m P P H

3.0,211

≥≤。 二、直角三角形薄壁堰流

用于流量较小时。流量公式：2

/50H C Q =

210)09.0)(2.014.0(004.0354.1-+++

=B

H

P H C ，流量以s m /3计，其余以米计。

适用范围：3/;26.007.0;75.01.0;2.15.01B H m H m m P m m B m ≤≤≤≤≤≤≤。 粗略计算时取：4.10=C 。

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 由四段组成：图8-5

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。 下游直线段CD ：其坡度也是由坝体的稳定和强度要求选定。

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。

反弧半径：H

较大

)

)(0.1~5.0(max z H r d +=;H 较小

))(5.0~25.0(max z H r d +=

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。 曲线BC 与薄壁堰自由出流的水舌下缘吻合，水舌不受堰面形状影响，堰面压强为大气压；

曲线BC 突出于水舌下缘，堰面将顶托水流，水舌不能保持原有形状，堰面压强大于大气压，过水能力降低；

曲线BC 低于水舌下缘，脱离处空气被水流带走，堰面形成负压区，过水能力增大。 二、工程中常用的曲线型实用堰 1、克-奥堰

2、WES 堰（图8-7） WES 堰的标准剖面 WES 堰的堰顶下游：85

.1)(5.0)(

d

d H x H y =， d H 为设计水头。 堰顶上游由三段复合圆弧组成。

设计水头：max )95.0~75.0(H H d =，其原则是有较大的流量系数，又没有过大的负压。

三、WES 堰的剖面设计

1、首先确定剖面设计水头H d ，堰高P 1，P 2，堰下游的坡比m c ，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。

由85

.1)(5.0)(

d

d H x H y =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。

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：

177

.1096.1c d

c m H x =

177

.2592.0c d

c m H y =

4、确定下游直线段与反弧段的切点D 的坐标

()ααsin 21802R Rctg y P m x x C c C D -⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-+-+= αcos 2R R P y D +-=

5、反弧段与河床的切点E 的坐标：

()⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-+-+=21802α Rctg y P m x x C c C E 6、反弧段圆心O ’的坐标：

E O x x ='

R P y o -=2'

四、WES 堰的水力计算 1、流量系数 （1）

33.11

≥d

H P 时，称为高堰 0.10

=d

H H ，502.0=d m 0.10d

H H

，d m m >；m 具体由图8-8中的a 线确定。 （1）

33.11

H P 时，称为低堰 m 由图8-8中的b 、c 、d 、e 线确定。