水力學(xué)堰流及閘孔出流2015

1、閘孔出流閘孔出流 堰流堰流 堰流及閘孔出流的水流特點：堰流及閘孔出流的水流特點： 閘孔出流閘孔出流 水面被斷開而不連續(xù)水面被斷開而不連續(xù) 堰流堰流 水面連續(xù)變化的光滑曲面水面連續(xù)變化的光滑曲面 共同點：共同點： 堰流和閘孔出流都是因水閘或溢流壩等建筑堰流和閘孔出流都是因水閘或溢流壩等建筑壅高壅高 了上游水位，在了上游水位，在重力重力作用下形成的水流運動。出流過程作用下形成的水流運動。出流過程 的能量損失主要是的能量損失主要是局部損失局部損失。 3 3 淹沒出流和自由出流（以堰流為例）：淹沒出流和自由出流（以堰流為例）： 堰淹沒出流條件為：下游水位超過堰頂堰淹沒出流條件為：下游水位超過堰頂 發(fā)生

2、淹沒水躍發(fā)生淹沒水躍 側(cè)收縮流：側(cè)收縮流： 當(dāng)溢流寬度小（等）于上游渠道的寬度當(dāng)溢流寬度?。ǖ龋┯谏嫌吻赖膶挾?tc hh 0 遠(yuǎn)離水躍遠(yuǎn)離水躍 tc hh 0 臨界水躍臨界水躍 tc hh 0淹沒水躍淹沒水躍 0c h t h 0c h 0c h t h 0c h 0c h t h 0c h 水躍的三種形式水躍的三種形式 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 1 1、堰的分類、堰的分類 2 2、堰流的基本公式、堰流的基本公式 3 3、不同堰型的水力計算、不同堰型的水力計算 堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流 薄壁堰薄壁堰實用堰：曲線型和折線型實用堰：曲線型和折線型 寬頂堰寬頂堰 H67. 0 HH105 . 2

3、 HH5 . 267. 0 9.2 9.2 堰的分類堰的分類 0 .6 7 H Sharp-crested weir)薄壁堰（ 由于堰壁沒有觸及到水舌的下緣，其堰壁厚度對水流沒有構(gòu)成影響，這是 薄壁堰堰頂水流的特點。 0.672.5HH Spillway)實用堰（ 堰頂水流沿著溢流面流動，堰頂厚度和形狀 影響到水流，堰頂對水流產(chǎn)生阻力。 2.510HH Broad-crested weir)寬頂堰（ 寬頂堰的堰頂一般為水平面，堰頂水流在進口處有明顯收縮，并在堰頂出現(xiàn)一 段近似水平的流段。 2/3 000 0 22HgmBgHBkHvAQ BkHA 00 22 1 gHgHv g V g V g

4、 V H 222 222 0 9.3 9.3 堰流的基本公式堰流的基本公式 為流量系數(shù)為流量系數(shù)式中式中 k m HgmBgHBkHvAQ BkHA 2/3 000 0 22 K為垂向收縮系數(shù)為垂向收縮系數(shù) 以矩形薄壁堰自由出流為例以矩形薄壁堰自由出流為例 2/3 0 2 HgmBQ 考慮側(cè)收縮和淹沒出流的堰流的基本公式考慮側(cè)收縮和淹沒出流的堰流的基本公式 薄壁堰可分為：薄壁堰可分為： 9.4 9.4 薄壁堰的水力計算薄壁堰的水力計算 2/3 0 2 HgBmQ 矩形薄壁堰的流量計算：矩形薄壁堰的流量計算： 將行進流速放在流量系數(shù)將行進流速放在流量系數(shù) 內(nèi)考慮內(nèi)考慮 （1 1）計算流量系數(shù)）計

5、算流量系數(shù) 薄壁堰有側(cè)收縮時，將其影響并薄壁堰有側(cè)收縮時，將其影響并 入入 流量系數(shù)中流量系數(shù)中 0 B B 2 0 2 0 0 0 )()(55. 0103. 0 0027. 0 405. 0 B B aH H B BB H m 巴辛公式巴辛公式 5 . 41610 1 0534. 04034. 0 0 Ha H m m3 . 0,2m,025. 0aaHH適用條件： 公式雷?？耍═.Rehbock) )( 11 c a z a z （2 2）計算淹沒系數(shù)）計算淹沒系數(shù) c a z )( 1 判別判別淹沒水躍淹沒水躍的條件：的條件： Z Z 為上下游水位差，為上下游水位差，a a1 1為下游

6、堰高，為下游堰高， H H 為上游水頭為上游水頭 1 z a 在曲線下方時為淹沒水躍 3 1 1 )(2 . 01 (05. 1 H z a hs 淹沒系數(shù)：淹沒系數(shù)： hs 為下游水位高于堰頂?shù)臄?shù)值為下游水位高于堰頂?shù)臄?shù)值 三角形薄壁堰三角形薄壁堰（三角堰）：（三角堰）： 水頭水面寬很小時，流量的微小變化引起較大的水頭水面寬很小時，流量的微小變化引起較大的 水頭變化，量測精度高水頭變化，量測精度高, ,適合適合Q Q 0.1 m 0.1 mQ 0.1 m3 3/s/s 25 4 . 1 HQ 23 856. 1bHQ 9.5 9.5 實用堰的水力計算實用堰的水力計算 1 1、曲線型實用堰的剖

7、面形狀、曲線型實用堰的剖面形狀 奧剖面?？藠W菲采洛夫剖面，簡稱克里格爾- 剖面Station) Experiment aysWES(Waterw 型剖面長研 max )95. 075. 0(HH d dd mmHH dd mmHH 502. 0 dd mmHH 2.實用堰的水力計算實用堰的水力計算 （1 1）流量系數(shù)確定）流量系數(shù)確定 2/3 0 2 HgmBQ 的的關(guān)關(guān)系系曲曲線線。與與時時，流流量量系系數(shù)數(shù)當(dāng)當(dāng) 剖剖面面，游游為為三三圓圓弧弧段段的的上上游游堰堰面面鉛鉛直直，堰堰頂頂上上 d H H m H a 0 3 WES （2）側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù) 為溢流孔數(shù)n 0 0 10.2 (

8、1) k H n nb 為每孔寬度b ）為閘墩系數(shù)（查表 .19 0 ）為邊墩系數(shù)（查表 .29 k 計算按如果 1 1 00 b H b H 計算按如果 1 1 00 b H b H 為溢流孔數(shù)n 為每孔寬度b ）為閘墩系數(shù)（查表 .19 0 ）為邊墩系數(shù)（查表 .29 k 為閘墩系數(shù)表 0 .19 (3)淹沒系數(shù)淹沒系數(shù) 實用堰發(fā)生淹沒出流的條件實用堰發(fā)生淹沒出流的條件 （1 1）下游水位高于堰頂；）下游水位高于堰頂； （2 2）堰下游發(fā)生淹沒水躍）堰下游發(fā)生淹沒水躍 淹沒出流的條件淹沒出流的條件 0 . 2 15. 0 0 1 0 H a H hs 及 （二）折線型實用堰 a H H H

9、 H 0.330.340.35100 0.340.350.3750 0.350.370.3930 0.350.360.38010 12 0.360.380.4005 0.370.390.4104 0.380.400.4203 0.360.380.4020 0.380.400.4210 23 0.390.410.4302.0 0.400.420.4401.0 0.36-0.350.40-0.380.43-0.420.50.5 35 =10.5=21=2 cot2cot1 流 量 系 數(shù) m 邊 坡 系 數(shù) 43. 033. 0m 算。近似按曲線型實用堰計 和淹沒系數(shù)測收縮系數(shù) 1 1 寬頂堰的流

10、量公式寬頂堰的流量公式 取取1-11-1和和2-22-2斷面斷面 9.6 9.6 寬頂堰的水力計算寬頂堰的水力計算 2/3 0 2 HgmBQ )(2 0 hHgBhQ )(2 )(2 )(2 0 22 0 0 cc cc c cc hHgv hHgv Bh Q hHgBhQ )( 2 0 2 2 c c hH g v 臨界流臨界流 22 2 cc h g v 0 2 2 0 2 21 2 )(2 Hh hHh c cc 則則 據(jù)巴赫米切夫最小能量假設(shè)，萬據(jù)巴赫米切夫最小能量假設(shè)，萬 物在重力場的作用下，總要跌至物在重力場的作用下，總要跌至 能量最小的地方。堰頂為水平時能量最小的地方。堰頂為水

11、平時 E=Es, EsE=Es, Esmin min 對應(yīng)臨界水深，因?qū)?yīng)臨界水深，因 此此堰頂水深堰頂水深h h為為hchc. . 0 3 2 ,1Hhh c 若不計阻力， 0 3 2 , 1H堰頂水深略小于若考慮水流阻力， 3.3.寬頂堰的淹沒條件寬頂堰的淹沒條件 8 . 0 67. 0 67. 0 3 2 , 0 00 00 H h H h H h HHh hh s cs c cs 實驗測定實驗測定 因此因此 而而 淹沒出流時淹沒出流時 2/3 0 2 HgmBQ 值寬頂堰淹沒系數(shù)表.69 0 H hs 0 H hs 8 . 0 1.0 0.9 0.84 0.81 0.995 0.91

12、0.81 0.82 0.99 0.92 0.78 0.83 0.98 0.93 0.74 0.84 0.97 0.94 0.70 0.85 0.96 0.95 0.65 0.86 0.95 0.96 0.59 0.87 0.93 0.97 0.50 0.88 0.9 0.98 0.4 0.89 0.87 3 0.320.01 0.460.75 a H m a H 直角進口 3 0.360.01 1.21.5 a H m a H 圓弧形進口 別列辛斯基的經(jīng)驗公式. 1 3 流量系數(shù) 的經(jīng)驗數(shù)據(jù)系數(shù)上游堰面傾斜時，流量m. 2 .49查表及上游堰面傾角值可根據(jù)堰上游面傾斜時，其 H a m 9.5

13、m無坎寬頂堰的流量系數(shù) 可按不同的進口形式查表得到，并且已 包含側(cè)收縮的影響。 2/3 0 2 HgmBQ 4 側(cè)收縮系數(shù) 0 0 10.2 (1) k H n nb 無坎寬頂堰無需再考慮側(cè)收縮系數(shù)。 2 2、堰流和閘孔出流的界限、堰流和閘孔出流的界限 65. 0 H e 65. 0 H e 75.0 H e 75.0 H e 式中：式中：e e為閘孔開度；為從堰頂算起的閘前水深為閘孔開度；為從堰頂算起的閘前水深 堰流及閘孔出流計算的主要任務(wù)是研究其過水能力堰流及閘孔出流計算的主要任務(wù)是研究其過水能力 閘孔出流閘孔出流 實用堰實用堰 堰流堰流 寬頂堰寬頂堰 閘孔出流閘孔出流 堰流堰流 9.7

14、9.7 閘孔出流的水力計算閘孔出流的水力計算 1 1、閘孔出流的分類閘孔出流的分類 （1 1） 閘門的分類閘門的分類 弧型閘門弧型閘門 平板閘門平板閘門 )22. 9(2 01 gHeBQ自由出流： 0 1 /1He 3 3、寬頂堰閘孔出流、寬頂堰閘孔出流 為垂向收縮系數(shù)為垂向收縮系數(shù) 有實驗確定 )32 . 9()(2 0t hHgeBQ淹沒出流： )24. 9(2 01 gHeBQ自由出流： 4 4、實用堰閘孔出流、實用堰閘孔出流 cos)375. 025. 0(186. 065. 0 1 H e H e 900,75. 005. 0 H e )26. 9()(2 01s hHgeBQ淹沒

15、出流： cos)375. 025. 0(186. 065. 0 1 H e H e m. m,aa.5m,.1 1 2 . 0 5 . 009 H B 堰上水頭堰上水頭 上下游堰高上下游堰高堰，堰寬堰，堰寬有一矩形無側(cè)收縮薄壁有一矩形無側(cè)收縮薄壁例例 薄壁堰的流量。薄壁堰的流量。 時通過時通過及及求下游水深分別為求下游水深分別為mm,6 . 04 . 0 tt hh 解：解： 為自由出流。為自由出流。的流量。的流量。）求）求（mamm 1 5 . 04 . 04 . 01 tt hh 428. 0 5 . 42 . 01610 1 5 . 0 2 . 0 0534. 0403. 0 5 . 4

16、1610 1 0534. 0403. 0 0 Ha H m )/(0848. 02 . 081. 925 . 0428. 02 5 . 15 . 1 0 sHgBmQ 3 m 公式雷?？耍═.Rehbock) 時的流量。時的流量。求求m6 . 0)2( t h 下游水位高于堰頂。下游水位高于堰頂。m,m5 . 06 . 0 1 aht 2 . 0 5 . 0 6 . 02 . 05 . 0 1 1 1 a hHa a z t 為淹沒出流。為淹沒出流。得得查圖查圖由由, 2 . 076. 0)(9, 4 . 0 5 . 0 2 . 0 111 a z a z a H c .5 867. 0 2

17、. 0 1 . 0 ) 5 . 0 5 . 06 . 0 2 . 01 (05. 1)0151 33 1 H z a hs .2.0（ )/m(0735. 00848. 0867. 02 35 . 1 0 sHgBmQ c a z )( 1 式水躍，求過堰流量。設(shè)泄流時下游發(fā)生遠(yuǎn)離 堰寬與渠寬相同設(shè)計流量系數(shù) ，堰的設(shè)計水頭某曲線型實用堰，堰高例 m.0 . 5,49. 0 m9 . 0m,5 . 6.29 bm Ha d d 解：解： .0.011，由題給條件由題給條件 HH 0 設(shè)設(shè) )/m(266. 99 . 081. 920 . 549. 00 . 10 . 12 35 . 15 .

18、1 1 sHgmBQ m/s)(2504. 0 0 . 5)9 . 05 . 6( 266. 9 0 1 0 A Q v m)(9032. 0 81. 92 2504. 0 9 . 0 2 22 0 01 g v HH )/m(315. 99032. 081. 920 . 549. 00 . 10 . 12 35 . 15 . 1 012 sHgmBQ m/s)(2518. 0 0 . 5)9 . 05 . 6( 315. 9 0 2 0 A Q v m)(9032. 0 81. 92 2518. 0 9 . 0 2 22 0 02 g v HH 圓形，邊墩為圓弧形圓形，邊墩為圓弧形型剖面，閘

19、墩頭部為半型剖面，閘墩頭部為半某溢流壩采用某溢流壩采用例例WES.39 河床高程見圖所示。河床高程見圖所示。，上下游設(shè)計水位，及，上下游設(shè)計水位，及壩的設(shè)計流量壩的設(shè)計流量sQ/5500 3 m 。求：。求：流量流量根據(jù)地質(zhì)條件選用單寬根據(jù)地質(zhì)條件選用單寬上游河道寬為上游河道寬為sq/80160 2 m.0m. ）壩頂高程。）壩頂高程。；（；（）壩的溢流寬度和孔數(shù)）壩的溢流寬度和孔數(shù)（21 解：解： ）壩壩的的溢溢流流寬寬度度和和孔孔數(shù)數(shù)（ 1 m)(8 .68 80 5500 q Q B 則溢流孔數(shù)則溢流孔數(shù)選用每孔凈寬選用每孔凈寬m,10b 88. 6 10 8 .68 b B n m)(

20、70, 7nbBn則壩的溢流寬度則壩的溢流寬度實際選用溢流孔數(shù)實際選用溢流孔數(shù) 70. 0,45. 0)75. 0, 7 0 0 0 k s H h nH可可查查得得流流（按按半半圓圓形形墩墩頭頭和和自自由由出出值值及及已已知知的的溢溢流流孔孔數(shù)數(shù)將將此此 903. 0 7 1 7 . 045. 0) 17(2 . 01) 1(2 . 01 0 0 nb H n k )m(53.11) 81. 9270502. 0903. 0 5500 ( 3 2 0 H 值。值。不再變化，可作為正確不再變化，可作為正確及及認(rèn)為認(rèn)為 0 H )m(580)0 . 40 .37(160 2 0 A m/s)(0

21、4. 1 5280 5500 0 0 A Q v m)(06. 0 81. 92 04. 10 . 1 2 22 0 g v m)(47.1106. 053.11 2 2 0 0 g v HHd 堰上設(shè)計水頭堰上設(shè)計水頭 m)(53.2547.110 .37 d H上游水位上游水位壩頂高程壩頂高程 是是正正確確的的。故故以以上上按按自自由由出出流流計計算算，滿滿足足自自由由出出流流條條件件，低低于于堰堰頂頂高高程程下下游游設(shè)設(shè)計計水水位位m.5.2m32521 ）壩頂高程）壩頂高程（2 m)(6 .11) 81. 9270502. 09 . 00 . 1 5500 () 2 ( 3 2 3 2

22、 0 gmB Q H 斜角邊墩。采用尖圓形閘墩，上游引水渠寬為某干渠為寬頂堰式水閘例45.0m30.49 孔數(shù)。求閘的溢流寬度和溢流量為其它高程見圖，設(shè)計流./m120 3 s 解：先判別寬頂堰出流情況 m)(0 . 45 .1015 .105H )m(165)0 .1005 .105(30)( 2 0 HaBA m/s)(727. 0 165 120 0 A Q v m)(03. 4027. 00 . 4 2 2 0 0 g v HH m)(7 . 35 .1012 .105 s h 故為淹沒出流。8 . 0918. 0 03. 4 7 . 3 0 H hs 86.70.69查得由表 0 1

23、.0m0.20.2 4.030.806m, 9.16 rH閘坎進口為圓弧形，且選用 （）計算流量系數(shù)。 4 側(cè)收縮系數(shù) 0 0 10.2 (1) k H n nb 0 0.8 s h H 67. 0,67. 0 3 2 , 00 00 H h H h HHhhh cs ccs 據(jù)上分析，淹沒出流時 沒條件為根據(jù)實驗，寬頂堰的淹 5 淹沒系數(shù) 無坎寬頂堰無需再考慮側(cè)收縮系數(shù)。 3.3.寬頂堰的淹沒條件寬頂堰的淹沒條件 8 . 0 67. 0 67. 0 3 2 , 0 00 00 H h H h H h HHh hh s cs c cs 實驗測定 因此 而 淹沒出流時 2/3 0 2 HgmBQ

24、 8 . 0 0 H hs 3.3.寬頂堰的淹沒條件寬頂堰的淹沒條件 8 . 0 67. 0 67. 0 3 2 , 0 00 00 H h H h H h HHh hh s cs c cs 實驗測定實驗測定 因此因此 而而 淹沒出流時淹沒出流時 2/3 0 2 HgmBQ 9.5 9.5 實用堰的水力計算實用堰的水力計算 1 1、曲線型實用堰的剖面形狀、曲線型實用堰的剖面形狀 )23. 9(2 01 gHeBQ自由出流：自由出流： He/1 1 3 3、寬頂堰閘孔出流、寬頂堰閘孔出流 2.510HH Broad-crested weir)寬頂堰（ 寬頂堰的堰頂一般為水平面，堰頂水流在進口處有

25、明顯收縮，并在堰頂出現(xiàn)一 段近似水平的流段。 2/3 0 2 HgBmQ 矩形薄壁堰的流量計算：矩形薄壁堰的流量計算： 將行進流速放在流量系數(shù)將行進流速放在流量系數(shù) 內(nèi)考慮內(nèi)考慮 （1 1）計算流量系數(shù)）計算流量系數(shù) )(2 )(2 )(2 0 22 0 0 cc cc c cc hHgv hHgv Bh Q hHgBhQ )( 2 0 2 2 c c hH g v 臨界流臨界流 22 2 cc h g v 0 2 2 0 2 21 2 )(2 Hh hHh c cc 則則 據(jù)巴赫米切夫最小能量假設(shè)，萬據(jù)巴赫米切夫最小能量假設(shè)，萬 物在重力場的作用下，總要跌至物在重力場的作用下，總要跌至 能量最小的地方。堰頂為水平時能量最小的地方。堰頂為水平時 E=Es, EsE=Es, Esmin min 對應(yīng)臨界水深，因?qū)?yīng)臨界水深，因 此此堰頂水深堰頂水深h h為為hchc. . 0 3 2 ,1Hhh c 若不計阻力， 0 3 2 , 1H堰頂水深略小于若考慮水流阻力， )22. 9(2 01 gHeBQ自由出流： 0 1 /1He 3 3、寬頂堰閘孔出流、寬頂堰閘孔