第七章 堰闸流动

Q H0 2
3
影响流量系数的主要因素是： 、k 和 。 即
m f , k ,
主要反映局部水头损失的影响；
k 反映堰顶水流垂直收缩程度；
为堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头间的比例系数。
这些因素除与堰顶水头 H 有关外，还与堰的边界条件，如上 游堰高 P1 以及堰顶进口边缘的形状等有关 。不同类型、不 同高度的堰，其流量系数各不相同。
y x n ( ) k( ) Hd Hd
Hd 4 cos2 u 2g
2
1 2 gt 2
消去 t ，且两端同时除以设计水头 Hd ，整理后得：
k
n2
工程设计中需根据实验确定 k 和 n 的取值。
EXIT
23
工程中常采用的剖面形状有：
克－奥剖面（过去常用）：略肥大，施工中不易控制。
渥奇（Ogee）剖面：标准剖面，适用于各种上游坝高。 WES 剖面（现在常用）： 工程量省且易于施工控制， 堰面压强分布合理，负压不 大，利于安全。 WES 剖面堰顶 O 点下游曲线的 取值为：k=0.5，n=1.85。上游曲 线采用三段复合圆弧相接，以使 堰顶曲线与堰上游面平滑连接， 改善堰面压强分布，减小负压。
实测表明：堰前断面距堰迎水壁面的距离约为 (3~5)H。
EXIT
8
工程上通常按照堰坎厚度δ 与堰上水头 H 的比值大小及水流 的特征将堰流分作： 薄壁堰流：即

H
0.67
实用堰流：即 0.67

H
2.5 10
宽顶堰流：即

H
2.5

H
10 时，沿程水头损失不
能忽略，应按明渠水流处理。
当顶部闸门完全开启，闸 门下缘脱离水面，闸门对 水流不起控制作用时，水 流自由下泄，称为堰流。
EXIT
3
堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。
堰流由于闸门对水流不起控制作用，水面线为一条光滑的降 落曲线；闸孔出流由于受到闸门的控制，闸孔上、下游的水 面是不连续的,两者存在边界条件的差异，过流能力不同。
堰面与 水舌下 缘吻合
堰面突出 于水舌下 缘，顶托 水流，将 降低过水 能力
堰面低于 水舌下缘 时，脱离 堰面并形 成真空
堰面空蚀且水 流不稳定
(a)
(b)
(c)
理想的剖面形状是使堰面曲线与薄壁堰水舌下缘吻合。受壁 面粗糙度的影响，且上游水头及水舌形状不会绝对稳定，实 际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。
p v12 H z 1 2g g 2g
EXIT
10
2 0 v0
堰顶全水头 H0等于堰顶水头与堰前 断面流速水头之和，即：
H0 H
2 0v0
2g
p z H 0 ，ξ为修正系数。则有： 令 g v12 H 0 H 0 1 2g
堰流与闸孔出流也存在着许多共同点： 堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游 水位，在重力作用下形成的水流运动，势能转化成动能； 两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯 性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一 定影响，均属于明渠急变流。 出流过程的能量损失主要是局部损失。
EXIT
7 堰流及闸孔出流
7.1 堰流的类型及计算公式 7.2 薄壁堰流的水力计算
7.3 实用堰流的水力计算
7.4 宽顶堰流的水力计算
7.5 闸孔出流的水力计算
EXIT
堰：挡水的堤坝。闸：拦住水流的建筑物，可以随时开关。
工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以 控制河流或渠道的水位及流量。 水流受闸门控制而从建筑 物顶部与闸门下缘间孔口 流出时，称为闸孔出流。
EXIT
9
7.1.2 堰流的基本公式
对堰前断面 0-0 与堰顶断面 1-1 列 出能量方程，取通过堰顶的水平面 作为基准面。 0-0 断面为渐变流，1-1 断面由于流 线弯曲水流属急变流，过水断面上 测压管水头不是常数。 采用
p z g
表示1-1断面上的测压管水头平均值。
Q kH 0bv1 kH 0b 1 1
3
2 gH 0 (1 )
3
k 1 b 2g H0 2 mb 2 g H 0 2
式中：
1 1
称为流速系数；k 1 m 为流量系数。
上式即为堰流计算的基本公式，适用于堰顶过水断面为矩形 的薄壁堰、实用堰和宽顶堰。由上式可见，
r (0.5 ~1.0)(Hd zmax )
对于岩基上的高坝，水头 H<5 m 时，可取：
r (0.25 ~ 0.5)( Hd zmax )
Hd 为设计水头，zmax 为最大上下游水位差。
堰顶曲线段 BC 对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰 剖面形状的关键。 堰剖面形状设计方法的主要区别在于曲线段 BC 的确定。
7.2 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，因此常作为水力模型 试验或野外测量中一种有效的量水工具。 有些挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄壁堰流计算。 工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁 堰流水舌下缘曲线设计。 常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或三角形， 分别称为矩形薄壁堰或三角形薄壁堰。
EXIT
22
薄壁堰自由出流时，水舌下缘曲线的特性 针对矩形薄壁堰自由出流进行分析。 设堰顶 B 点处水流质点流速 u 与水平 方向相交成θ 角，则 x、y 方向的流 速分量为： u x u cos , u y u sin 则在水舌下缘最高点时有 ux u, u y 0
经时刻 t 后，质点的坐标值为： x u xt ut cos , y
Q C0 H 5/2
C0 为直角三角形薄壁堰的流量系数，一般取1.4。 当 H>0.25m 时，直角三角形薄壁堰的 流量计算式为：
Q 1.343H 2.47
EXIT
7.3 实用堰流的水力计算
溢流坝是实用堰的典型例子。低溢流堰常用石料砌筑成折线 形，称为折线形实用堰；较高的溢流坝为了增大过流能力， 一般设计成曲线形，称曲线形实用堰。 存在闸墩和边墩时， 水流发生侧向收缩， 局部水头损失增加， 过流能力将减小，需 在流量公式中引入侧 收缩系数ε 1。 淹没出流时，还需引入淹没系数 ζS 来考虑淹没的影响。于是 有： 3 Q 1 s mnb ' 2 g H 0 2
EXIT
24
堰剖面的坐标值（大小）取决于设计水头 Hd。实用中堰顶水 头在 Hmin~Hmax 之间变化。 如何合理选择设计水头 Hd ，使所设计的堰剖面在已知的水 头变化范围内工作时， 既有较大的流量系数， 又不致使堰面 产生过大的负压，是剖面设计中应高度重视的问题。 若 Hd = Hmax ，实际工作水头总小于 Hd ，堰面压强高于大气 压强，流量系数减小；且堰面偏肥，不经济。 若 Hd = Hmin ，实际工作水头总大于 Hd ，虽然可以得到较为 经济的剖面，但堰面会产生较大负压，可能危及坝的安全。
P 对 WES 剖面， 时， 1 / Hd 1.33 行近流速加大，流量系数 m 随 P1 / Hd 减小而减小。
第七章 闸孔流动
本章学习基本要求： 掌握堰流与闸孔出流特点及其转化判别；
掌握堰的分类及总的堰流计算公式与该公式在各类堰中的 应用； 掌握平顶与曲顶上闸孔出流的水力计算公式与应用； 掌握实用堰的剖面设计及宽顶堰和闸孔出流的水力计算； 掌握闸孔出流水力计算基本公式的应用； 掌握平顶堰上的闸孔与曲顶堰上的闸孔过流特点。
工程中常采用的设计水头为：
Hd 0.75 ~ 0.95 Hmax
7.3.2 曲线形实用堰的流量系数
实验研究表明，曲线形实用堰的流量系数主要决定于上游堰 高与设计水头之比 P1 / Hd ，堰顶全水头与设计水头之比 H0 / Hd， 以及上游面的坡度。 对WES剖面， P1 / Hd 1.33 时称高 堰，可不计行近流速水头。若 H0 / Hd 1 ，流量系数 md 0.502。 H0 / Hd 1, m md；H0 / Hd 1, m md。
即
1 v1 1
2 g H 0 H 0
α 0、α 1分别为堰前、堰顶断面的动能修正系数；ζ 为两断面 之间的局部水头损失系数。
堰顶过水断面面积一般为矩形，设断面宽度为 b ；1-1 断面 的水舌厚度表示为 kH0，k 为堰顶水流垂直收缩系数。则1-1 断面的过水面积为 kH0b ；通过的流量为：
叠梁门 三角形薄壁堰
EXIT
14
7.2.1 矩形薄壁堰流
实验证明：当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由出流时，水流 最为稳定，测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应 使上游梁宽与堰宽相同；下游水位低于堰顶。 此外为了保证堰为自由出流，还应满足： 堰上水头不宜过小（一般应使H >2.5cm），否则溢流水舌 受表面张力作用，使出流很不稳定。
EXIT
5
对于明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在某种条 件下出流属于堰流，在另外的条件下也可以变成闸孔出流。 水流的转化条件除与闸孔的 相对开度 e 有关外，还与 闸底坎及闸门（或胸墙）的 型式有关。 上游来流是涨水或降水也影 响流态转换的界限值。
EXIT
Hale Waihona Puke Baidu
H
6
闸底坎平顶堰时
e 0.65 H e 0.65 H
a0 v0 Q mb 2 g H 2 g
2
3/ 2
a0 v0 m 1 2 gH
2
3/ 2
b 2 g H 3/ 2
EXIT
令
a0v0 m0 m 1 2 gH
2
3/ 2
则得
Q m0b 2gH 3/2
包括行近流速影响的流量系数 m0 可按下列经验公式计算：
EXIT
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曲线形实用堰的上游直线段 AB 常设计成垂直直线（或倾斜 直线）。上游直线 AB 和下游直线 CD 的坡度主要根据坝体 的稳定和强度要求选定。 反弧段 DE 的作用是使直线 CD 与下游河床平滑连接，避免 水流直冲河床，并利于消能。 反弧半径 r 应结合消能型式综合确定： 对于非岩基上的低坝，水头 H 较大时，可取：
H 0.0007 m0 0.403 0.053 P H 1
式中 P1 为上游堰高，H 及 P1 均以 m 计。
H 适用于 H≥0.025m， P ≤2 及 P1≥0.3m 。 1
EXIT
7.2.2 直角三角形薄壁堰流
当所需测量的流量较小（Q＜0.05m3/s）时，若应用矩形薄壁 堰流则水头过小，误差增大。可采用直角三角形薄壁堰。 直角三角形薄壁堰的流量计算公式为：
EXIT
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7.3.1 曲线形实用堰的剖面形状
实用堰设计的核心内容是其剖面形状。曲线形实用堰的剖面 由上游的直线段 AB、堰顶曲线段 BC、下游直线段 CD（坡 度 m α = cot α ）以及反弧段 DE（与下游河床连接）。 好的剖面形状应具有 如下优点： 过水能力大； 堰面不出现过大 的负压； 经济、稳定。
闸孔出流
堰流
闸底坎为曲线型堰时
e 0.75 H e 0.75 H
闸孔出流 堰流
e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。 堰流及闸孔出流水力计算的主要任务是过水能力的计算。
EXIT
7
7.1 堰流的类型及计算公式
7.1.1 堰流的类型
工程中常根据不同的建筑条件和使用要求做成不同的堰。
堰坎外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同。 水流接近堰顶时，由于流线收缩，流速加大，自由表面将逐 渐降落。 堰前断面：堰前水面无明显下降的断面。 堰顶水头 H：堰前断面堰顶以上的水深。 堰前流速 v0：堰前断面的断面平均流速。
水舌下面的空间与大气相通，否则由于溢流水舌把空气带 走，压强降低，水舌下面形成局部真空。这种出流也是不 稳定的。
EXIT
实验室中测得的无侧收缩、非淹 没矩形薄壁堰自由出流的水舌形 状如右图。 无侧收缩、非淹没矩形薄壁堰的 流量可采用堰流基本公式计算：
即
Q mb 2gH03/2
为了便于根据直接测出的水头来计算流量，改写上式，把行 近流速的影响包括在流量系数中去：