闸孔出流计算

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。

第二节堰流的类型及水力计算公式

一、堰流的类型

常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力计算时，并不按堰的用途分类，而是按堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小来划分堰流类型，即按堰的相对厚度对堰流进行分类。

（1）薄壁堰流：

67

.0

<

H

δ

。此时越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水

舌下缘与堰顶只呈线的接触，水面为单一的降落曲线。由于薄壁堰常将堰顶做成锐缘，故薄壁堰也称为锐缘堰。

（2）实用堰流：

5.2

67

.0<

≤

H

δ

。水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的

约束和顶托，但这种影响还不是很大，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下的自由跌落。

（3）宽顶堰流：

10

5.2<

≤

H

δ

。此时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，过水断面减小，流速增大，加之水流进入堰顶时存在局部水头损失，因此，在进口处形成了水面跌落。然后水面几乎与堰顶保持平行，当下游水位较低时，流出堰顶的水流又会产生第二次水面跌落。

当

10

>

H

δ

时，沿程水头损失已不能忽略，此时的水流特性不再属于堰流，

而应该按明渠水流处理。对同一个堰而言，堰坎厚度δ是一定的，但堰上水头H 却是随水流状况变化的。

堰流的类型虽然有以上几种，但其水流的运动却有着共同的规律。比如，水流在趋近堰顶时，由于流线收缩，流速增大，溢流自由水面均有明显的降落；从作用力方面来讲，重力作用是主要的；从水流的流线变化情况来看，堰流都属于明渠急变流，离心惯性力的影响比较显著，有时还存在表面张力的影响；从能量方面讲，都是势能转换为动能，而且水流运动过程中以局部水头损失为主。既然如此，堰流问题就可以用同一个公式来描述。

二、堰流的基本公式

堰流水力计算的基本公式 23012H g mb Q s εσ=

式中，流量系数) , , (ξφk f m =，所有这些影响堰流过流能力的因素除与堰上水头H 有关外，还与堰高、堰顶边缘的进口形状等边界条件有关。因此，不同类型、不同高度的堰其流量系数m 是不尽相同的。

下游水位过高，以致影响了堰的过流能力，这时的堰流就称为淹没出流；反之，称为自由出流。其影响以淹没系数s σ

闸墩及边墩的存在会引起水流的侧向收缩，降低过流能力，这种堰称为有侧收缩堰；反之，称为无侧收缩堰，其影响以侧收缩系数1ε来反映。

若堰顶有n 孔闸门，上式中的堰顶宽度可表示为b n b '=，其中b '为单孔净宽。

上述堰流水力计算的基本公式对于过水断面为矩形断面的薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流都是适用的，只是堰流类型不同，其流量系数、侧收缩系数、淹没系数的确定方法与计算公式不同，这是值得特别关注的问题。

第三节 薄壁堰流的水力计算

薄壁堰流具有稳定的水头和流量关系，因此薄壁堰常用作实验室模型试验或野外量测流量的量水工具。工程实际中广泛采用的曲线型实用堰和隧洞进口曲线等也常根据薄壁堰流水舌下缘曲线来构制。常见的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和抛物线形。

一、矩形薄壁堰