8堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算

第八章 堰流、闸孔出流和桥、涵过 流的水力计算
8-1 堰流的分类及水力计算基本公式 8-2 薄壁堰流的水力计算 8-3 实用堰流的水力计算 8-4 宽顶堰流的水力计算 8-5 闸孔出流的水力计算
第八章 堰流及闸孔出流
水利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。
其次，这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。 其出流过程的能量损失主要是局部损失。
闸底坎平顶堰时 e 0.65 为闸孔出流；
H
e 0.65 为堰流；
H
闸底坎为曲线型堰流时 e 0.75 为闸孔出流；
H
e 0.75 为堰流；
2 0.8
b'
b' )
2 0.8
2
因b' 未知，故计算只能按试算法进行。
设 nb＝' 9m，则 由此可求得 b' 9 3m
3
1'
1
3
0.1 0.2
7
4
3 31
(1
3) 31
0.985
2
1"
1
3
0.1 0.2
7
4
3
3 2 0.8
(1
3
3) 2 0.8
0.980
2
则
1
(3 1) 0.985 3
计算公式为
'
Qmb
3
2gH0 2
式中，b= nb' =4×14=56m；
m ' 应为包括侧收缩影响的各孔流量系数的加权平均值。
H≥0.025米，H P1
≤2及P1≥0.3米条件下。
二 直角三角形薄壁堰流
当所需测量的流量较小（例如Q＜0.1米3/秒）时，若 应用矩形薄壁堰流则水头过小，误差增大。 一般可改用直角三角形薄壁堰（图8-6），其计算公式为
Q C0 H 5/ 2
（8-7）
式中，C0为直角三角形薄壁堰的流量系数，可按下式计算
(
y Hd
)
k(
x Hd
)n
式中：系数
k
Hd
4 cos2 u 2
；指数 n =2。
2g
我国采用的剖面有： 1．克里格－奥菲采洛夫（过去常用） 2．渥奇 3．美国水道试验站WES型（现在常用）
WES剖面如图
二、WES剖面型实用堰的流量系数m
实验研 究表明，曲 线型适用堰 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。
过去，有采用C0=1.4
8-3 实用堰流的水力计算
作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型 例子。
低溢流堰常用石料砌筑成折线形，较高的溢流坝为 大过流能力，一般作成曲线形，即所谓的折线型实用堰 和曲线型实用堰。
3
Q smB 2g H0 2
一、曲线型实用堰的剖面形状
曲线型实用 堰比较合理的剖 面形状应当具有 下列几个优点：
σs 0.84 0.82 0.78 0.74 0.70 0.65 0.59 0.50 0.40
例8-5 今拟在某拦河坝上游设置一灌溉进水闸如图8-27所示。
已知，进闸流量Q为41m3/s，引水角θ为450，闸下游渠道中 水深h1为2.5m，闸前水头H为2m，闸孔数n为3，边墩进口 处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为1m，边墩的 计算厚度Δ为0.8m，闸底坎进口为圆弧形，坎长δ为6m， 上游坎高P1为7m，下游坎高P2为0.7m，拦河坝前河中流 速v0为1.6m/s。求所需的堰孔净宽b。
n
" 1
式中： n为孔数；
（8-18）
' 1
为中孔侧收缩系数，按（8-17）式计算时，可取
b
b' ；
b' 为单孔净宽；B b' d ，d为闸墩厚；
来自百度文库" 1
为边孔侧收缩系数，用(8-17)式计算时，可取：b b'
；
b' 为边孔净宽；B b' 2 ，Δ为边墩计算厚度，是边墩
边缘与堰上游同侧水边线间的距离。
三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数
宽顶堰的淹没条件（取平均值）为 hs 0.8H0
宽顶堰的淹没系数
hs/H0 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
σs 1.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87 hs/H0 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98
上式的应用条件为： b 0.2 P1 3
B
H
当
b B
0.2
时，应采用
b B
0.2
；
当 P1 3 时，应采用 P1 3 。
H
H
1．对单孔宽顶堰（无闸墩）
式中 b采用两边墩间的宽度； B可采用堰上游的水面宽度。
2．对多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）
侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：
1
(n
1)1'
实际计算中用淹没系数 s来综合反映下游水位及护 坦高程对过水能力的影响。 s 决定于 hs / H0 和P2/H0。
淹没系数 s
可查下图：
当 hs / H0 ≤0.15
和P2/H0≥2时出 流不受下游水位 及护坦高程的影 响称为自由出流
s 1
8-4 宽顶堰流的水力计算
当堰顶水平且厚度 2.5 / H 10 ，在进口处形成
部为半圆形，墩厚d为5m，闸室上游翼墙为八字形，收缩 角θ为300，翼墙计算厚度Δ为4m；上游河道断面近似矩形， 河宽B为79m；闸室下游边一陡坡渠道坡度i为2％，闸底高 程为100m。试计算闸门全开，上游水位高程为111.0m时
的流量。
解：因闸室下游为陡坡渠道，下游为急流。故闸门全开时 通过闸室的水流应为多孔无坎宽顶堰自由出流。
a0 v0 2 2gH
3/ 2
b
2g H 3/2
令
m0
m1
a0 v0 2 2gH
3/ 2
则得
Q m0b 2g H 3/2
（8-3）
式中，包括行近流速影响的流量系数m0可按下列经验 公式计算
m0
0.403
0.053
H P1
0.0007 H
（8-4）
式中P1为上游堰高，H及P1 均以米计。上式用于
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，这种 水流状态叫做闸孔出流。
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，水流从建筑物顶 部自由下泄，这种水流 状态称为堰流。
堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。
堰流与闸孔出流也存在着许多共同点:
首先，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。
水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行堰顶的渐变流 动即为宽顶堰流。
流量计算公式为：
Q s1mnb 2gH03/ 2
(a)
(b)
(c)
一、流量系数m
对堰顶入口为直角的宽顶堰
3 P1
m 0.32 0.01
H
0.46 0.75 P1
H
对堰顶进口为圆角的宽顶堰
3 P1
m 0.36 0.01
薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此， 常作为水力模型试验或外测量中一种有效的量水工具。
有些临时性的挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄 壁堰流计算。
另外，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缘曲线设计。
所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。
常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或 三角形，分别称为薄壁堰或三角形薄壁堰。
图8-5是实验室中测得的无测收缩，非淹没矩形薄壁堰 自由出流的水舌形状。
无测收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量按（8-1）式计算
即
Q mb 2g H03/2
为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写（8-1） 式，把行近流速的影响包括在流量系数中去：
Q mb
2g
H
a0 v0 2 2g
3/ 2
m1
，从表8-10查得 s
0.953
4．侧收缩系数 1
1
(n
1)
' 1
n
1
对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的
宽顶堰，（8-17）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数
1"
1
3
0.1 0.2
7
4
b' (1 b' ) b' 1 b' 1
2
边孔侧收缩系数
" 1
1
3
0.1 0.2
7
4
b'
b'
(1
三、侧收缩系数
侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。
可由下面经验公式计算：1
1
2Ka
(n
1)KP
H0 nb'
式中：
n为堰孔数；
H0为堰顶全水头； Ka为边墩形状系数； KP为闸墩形态系数。
四、曲线型实用堰的淹没系数
试验研究表明:
(1)当下游水位高 过堰顶至某一范围 时堰下游形成淹没 水跃，过堰水流受 到下游水位的顶 托，降低了过水能 力即为淹没出流； (2)当下游护坦高程较高，过堰水流受下游护坦的影响， 也会产生类似淹没的效果而使流量系数降低。
cos 450
2.1m
2．流量系数m
当P1＝7m，HP1
7 2
3.5
时，
对堰顶入口为圆弧形的宽顶堰，流量系数m=0.36。
3．淹没系数 s
由 hs h1 P2 2.5 0.7 1.8m
0.8H0 0.8 2.1 1.68m
因为 hs 0.8H 0 ，故为淹没出流。
根据
hs H0
1.8 0.857 2.1
0.98
0.983
将各已知值代入堰流计算基本公式的右端，当所
得值等于已知流量时，所假定的 nb' 即为所求：
3
Q 0.983 0.953 0.36 9 4.43 2.1 2
41m3 / s
故所需的堰孔净宽b=9m，分三孔（n=3）
每孔净宽b '=3m。
例8-6 某泄洪排沙闸共四孔，每孔净宽 b '为14m；闸墩头
(1) 过水能力大
(2) 堰面不出现 过大的负压 (3) 经济、稳定
堰顶曲线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。
国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲 线段BC如何确定。
(a)
(b)
(c)
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。
薄壁堰自由出流时，水舌下缘曲线的特性
H
1.2 1.5 P1
H
二、侧收缩系数
1 1
3
a0 0.2
P1
4
b (1 b ) BB
H
（8-17）
式中： a0为考虑墩尖及堰顶入口形状的系数。
当闸墩（或边墩）头部为矩形，堰顶为直
角入口边缘时a0＝0.19；当闸墩（或边墩） 头部为圆弧形，堰顶入口边缘为直角或圆
弧形时a0=0.10；
b为溢流孔净宽； B为上游引渠宽。
如图所示矩形薄壁堰自由出流，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方向大流速分量
等于 ux u cos , u y u sin
则在水舌下缘最高点时有 ux u, uy 0
经时刻t后，液体质点的坐标值为：
x
u y
xt
1
2
ut c gt 2
os
消去t后，两端用 Hd
整理后得
H
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
8-1 堰流的分类及水力计算基本公式
一、堰流的分类
水利工程中 常根据不同 的建筑材料 和使用要求 作成不同的 堰。 堰坎外形及 厚度不同其 能量损失及 过水能力也 会不同。
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：
1．薄壁堰流：即 2．实用堰：即 3．宽顶堰流：即
C0
1.354
0.004 H
0.14
0.2 P1
H B
2
0.09
其中， Q为流量，以米3/秒（m3/s）计； H为堰顶水头；
P1为上游堰高； B为堰上游引渠宽均以米（m）计。
在下述范围内，上式的误差＜（±1.4%）
0.5m≤B≤1.2m 0.07m≤H≤0.26m
0.1m≤P1≤0.75m H≤B/3
解：因为 6 3 ，2.5 10
H2
H
故闸孔全开时为宽顶堰流，其计算公式为
Q 1 s mnb'
3
2gH0 2
现分别计算式中各项：
1．闸前全水头H0
由于行近流速v0的方向与进水轴线交角为θ＝450，故全 水头H0可以下列公式计算
H0
H
a0v02 2g
cos
2 11.62 2 9.8
0.67 H
0.67 2.5
H 2.5 10
H
二、堰流水力计算的基本公式
3
Q smB 2g H0 2
8-2 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。
常用的薄壁堰顶部过水断面常作成矩形或三角 形，分别称为：
一、矩形薄壁堰流
一、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：
1.堰上水头不宜过小（一般应使H>2.5厘米），否则溢 流水舌受表面张力作用，使出流很不稳定。
2.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。