閘孔出流及堰流的設(shè)計(jì)計(jì)算

專題十二閘孔出流及堰流的設(shè)計(jì)計(jì)算知識(shí)點(diǎn)一閘孔出流與堰流的概念知識(shí)點(diǎn)二閘孔出流知識(shí)點(diǎn)三堰流孔口出流：在容器壁上開孔，液體經(jīng)孔口泄流的水力現(xiàn)象；管嘴出流：液體經(jīng)過容器壁較厚的孔口或者孔口處有短管泄流的水力現(xiàn)象。知識(shí)點(diǎn)一閘孔出流和堰流的概念水利工程中為了泄水或引水，常修建水閘或溢流壩等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受閘門控制而從建筑物頂部與閘門下緣間孔口流出時(shí)，這種水流狀態(tài)叫做閘孔出流。當(dāng)頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對水流不起控制作用時(shí)，水流從建筑物頂部自由下泄，這種水流狀態(tài)稱為堰流。堰流的類型水利工程中常根據(jù)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損失及過水能力也會(huì)不同。工程上通常按照堰頂厚度δ與堰上水頭H的比值大小及水流的特征將堰流分作：1．薄壁堰流：即2．實(shí)用堰：即3．寬頂堰流：即4．明渠水流：即堰高P1堰高P2堰頂厚度δδ堰頂厚度δ堰頂厚度堰寬b堰頂水頭HHH堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象。堰流與閘孔出流也存在著許多共同點(diǎn):首先，堰流和閘孔出流都是因水閘或溢流壩等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流運(yùn)動(dòng)。其次，這兩種水流都是在較短的距離內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲，離心慣性力對建筑物表面的壓強(qiáng)分布及建筑物的過水能力均有一定影響。其出流過程的能量損失主要是局部損失。閘底坎平頂堰時(shí)為閘孔出流；為堰流；閘底坎為曲線型堰流時(shí)為閘孔出流；為堰流；式中：e為閘孔開度；H為從堰頂算起的閘前水深。閘孔出流和堰流可以相互轉(zhuǎn)化：知識(shí)點(diǎn)二閘孔出流泄水建筑物下游水躍發(fā)生位置的判別i1=0KKhtcc設(shè)躍前水深為收縮斷面水深hc，即有h1=hc，計(jì)算相應(yīng)的躍后水深h2，若計(jì)算的h2=ht，則躍前斷面恰好在收縮斷面處，稱為臨界式水躍若計(jì)算的h2>ht，則躍前斷面必在收縮斷面的下游，稱為遠(yuǎn)離式水躍若計(jì)算的h2<ht，則躍前斷面必在收縮斷面的上游，稱為淹沒式水躍一、平頂坎上閘孔自由出流1、平板閘門下自由出流取1-1和收縮斷面c-c列能量方程i1=0KKhtccε′為垂直側(cè)收縮系數(shù)，φ為閘孔的流速系數(shù)u0為閘孔出流的流量系數(shù)2、弧形閘門下出流弧形閘門閘孔出流的水流特性與平面閘門相似，不同點(diǎn)在于，弧形閘門的擋水面板梗接近于流線的形狀，對水流的過流阻力更小?；⌒伍l門的垂直側(cè)收縮系數(shù)跟閘門下緣切線與水平方向夾角有關(guān)，然后查表12-3求得：?#?二、平頂坎上閘孔淹沒出流淹沒出流時(shí)下游水深大于收縮水深的共軛水深，且泄流能力比同樣情況下的自由出流的泄流能力小。用小于1.0的淹沒系數(shù)反映淹沒對閘孔出流的影響：淹沒系數(shù)查圖12-6可得。?#?三、曲線坎上閘孔自由出流曲線坎上閘孔出流的流量系數(shù)不同于平頂坎閘孔，但流量公式相同：He四、曲線坎上閘孔淹沒出流當(dāng)下游水位超過坎頂時(shí)即認(rèn)為是淹沒出流：知識(shí)點(diǎn)三堰流應(yīng)用能量方程式可推得過堰流量堰寬堰頂全水頭流量系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)淹沒系數(shù)一堰流的基本公式2.水舌下面的空間與大氣相通。否則由于溢流水舌把空氣帶走，壓強(qiáng)降低，水舌下面形成局部真空。這種出流也是不穩(wěn)定的。1.堰上水頭不宜過?。ㄒ话銘?yīng)使H>2.5厘米），否則溢流水舌受表面張力作用，使出流很不穩(wěn)定。1、矩形薄壁堰流根據(jù)堰口形狀的不同，薄壁堰可以分為矩形薄壁堰和三角形薄壁堰，由于薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭與流量關(guān)系，一般多用于實(shí)驗(yàn)室及小河渠的流量測量。此外為了保證矩形薄壁堰測流是具有較高的精度，一般要求：二薄壁堰流的水力計(jì)算無測收縮，非淹沒矩形薄壁堰的流量下式計(jì)算為了便于根據(jù)直接測出的水頭來計(jì)算流量，可改寫上式，把行近流速的影響包括在流量系數(shù)中去：即式中P1為上游堰高，H及P1均以米計(jì)。上式用于H≥0.025米，≤2及P1≥0.3米條件下。令則得式中，包括行近流速影響的流量系數(shù)m0可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算2、直角三角形薄壁堰流當(dāng)所需測量的流量較?。ɡ鏠＜0.1米3/秒）時(shí)，若應(yīng)用矩形薄壁堰流則水頭過小，誤差增大。一般可改用直角三角形薄壁堰，其計(jì)算公式為式中，C0為直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)，可按下式計(jì)算其中，Q為流量，以米3/秒（m3/s）計(jì)；H為堰頂水頭；P1為上游堰高；B為堰上游引渠寬均以米（m）計(jì)。在下述范圍內(nèi)，上式的誤差＜（±1.4%）0.5m≤B≤1.2m0.1m≤P1≤0.75m0.07m≤H≤0.26m

H≤B/3過去，有采用C0=1.4作為擋水及泄水建筑物的溢流壩就是實(shí)用堰的典型例子。三實(shí)用堰流的水力計(jì)算低溢流堰常用石料砌筑成折線形，較高的溢流壩為大過流能力，一般作成曲線形，即所謂的折線型實(shí)用堰和曲線型實(shí)用堰。1、實(shí)用堰的剖面形狀曲線型實(shí)用堰比較合理的剖面形狀應(yīng)當(dāng)具有下列幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)過水能力大(2)堰面不出現(xiàn)過大的負(fù)壓(3)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定(a)(b)(c)堰頂曲線BC對水流特性的影響最大，是設(shè)計(jì)曲線實(shí)用堰剖面形狀的關(guān)鍵。國內(nèi)外設(shè)計(jì)堰剖面形狀有許多方法，主要區(qū)別在于曲線段BC如何確定。實(shí)際采用的剖面形狀都是按薄壁堰水舌下緣曲線稍加修改而成。如圖所示矩形薄壁堰自由出流，設(shè)堰頂B點(diǎn)處水流質(zhì)點(diǎn)流速u與水平方向相交成θ角，則x、y方向大流速分量等于式中：系數(shù)；指數(shù)n=2。薄壁堰自由出流時(shí)，水舌下緣曲線的特性則在水舌下緣最高點(diǎn)時(shí)有經(jīng)時(shí)刻t后，液體質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)值為：消去t后，兩端用整理后得我國采用的剖面有：1．克里格－奧菲采洛夫（過去常用）2．渥奇3．美國水道試驗(yàn)站W(wǎng)ES型（現(xiàn)在常用）WES剖面如圖實(shí)驗(yàn)研究表明，曲線型適用堰的流量系數(shù)主要決定于上游堰高與設(shè)計(jì)水頭之比，堰頂全水頭與設(shè)計(jì)水頭之比以及上游面的坡度。2、實(shí)用堰的流量系數(shù)3、側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)就是用來考慮邊墩及閘墩對過水能力的影響?？捎上旅娼?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中：n為堰孔數(shù)；H0為堰頂全水頭；Ka為邊墩形狀系數(shù)；KP為閘墩形態(tài)系數(shù)。實(shí)際計(jì)算中用淹沒系數(shù)來綜合反映下游水位及護(hù)坦高程對過水能力的影響。決定于和P2/H0。4、淹沒系數(shù)試驗(yàn)研究表明:(1)當(dāng)下游水位高過堰頂至某一范圍時(shí)堰下游形成淹沒水躍，過堰水流受到下游水位的頂托，降低了過水能力即為淹沒出流；(2)當(dāng)下游護(hù)坦高程較高，過堰水流受下游護(hù)坦的影響，也會(huì)產(chǎn)生類似淹沒的效果而使流量系數(shù)降低。淹沒系數(shù)可查下圖：當(dāng)≤0.15和P2/H0≥2時(shí)出流不受下游水位及護(hù)坦高程的影響稱為自由出流當(dāng)堰頂水平且厚度，在進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行堰頂?shù)臐u變流動(dòng)即為寬頂堰流。流量計(jì)算公式為：(a)(b)(c)四

寬頂堰流的水力計(jì)算1、流量系數(shù)對堰頂入口為直角的寬頂堰對堰頂進(jìn)口為圓角的寬頂堰2、側(cè)收縮系數(shù)（8-15）式中：a0為考慮墩尖及堰頂入口形狀的系數(shù)。當(dāng)閘墩（或邊墩）頭部為矩形，堰頂為直角入口邊緣時(shí)a0＝0.19；當(dāng)閘墩（或邊墩）頭部為圓弧形，堰頂入口邊緣為直角或圓弧形時(shí)a0=0.10；b為溢流孔凈寬；B為上游引渠寬。當(dāng)時(shí)，應(yīng)采用。當(dāng)時(shí)，應(yīng)采用；上式的應(yīng)用條件為：1．對單孔寬頂堰（無閘墩）b采用兩邊墩間的寬度；B可采用堰上游的水面寬度。2．對多孔寬頂堰（有邊墩及閘墩）式中為中孔側(cè)收縮系數(shù)，按（8-15）式計(jì)算時(shí)，可??；為單孔凈寬；，d為閘墩厚；為邊孔側(cè)收縮系數(shù)，用(8-15)式計(jì)算時(shí)，可?。?；為邊孔凈寬；，Δ為邊墩計(jì)算厚度，是邊墩邊緣與堰上游同側(cè)水邊線間的距離。側(cè)收縮系數(shù)應(yīng)取邊孔及中孔的加權(quán)平均值：（8-16）式中：n為孔數(shù)；寬頂堰的淹沒系數(shù)hs/H00.800.810.820.830.840.850.860.870.8