第八章-堰閘出流(zhu-2013)...ppt

1、水力學(xué),第八章 堰流及閘孔出流,主講：朱德蘭,主要內(nèi)容,堰流與閘孔出流的判別,堰流的分類,堰流的基本公式,薄壁堰流的水力計(jì)算,實(shí)用堰流的水力計(jì)算,寬頂堰流的水力計(jì)算,堰流水力計(jì)算實(shí)例,閘孔出流的基本公式,底坎為寬頂堰型的閘孔出流,底坎為曲線型實(shí)用堰的閘孔出流,閘孔出流水力計(jì)算實(shí)例,既能擋水，又能過(guò)水的水工建筑物，稱為堰。,堰 流,閘孔出流,堰流不受閘門控制水面為一條光滑的曲線，而閘孔出流受閘門的控制水面在閘門處不連續(xù)。,都是上游壅水，水流在重力作用下運(yùn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程； 都是急變流，能量損失主要是局部水頭損失。,8.1 概述,堰、閘水流的判別,堰 流,閘孔出流,閘底坎形式,堰流的分類

2、,堰的外形及厚度不同，其能量損失及過(guò)水能力也會(huì)不同,堰寬b,按/H分類,/H0.67 薄壁堰流,0.67/H2.5 實(shí)用堰流,2.5/H10 寬頂堰流,曲線形,折線形,有坎,無(wú)坎,按下游水位是否對(duì)過(guò)堰水流有頂托阻水的影響,自由堰流,淹沒(méi)堰流,按有無(wú)側(cè)向收縮,無(wú)側(cè)收縮堰流 b=B,有側(cè)收縮堰流bB,堰流水力計(jì)算的基本公式,00斷面可視為漸變流過(guò)水?dāng)嗝?，?1斷面除了寬頂堰流之外，均為急變流，其上的 并不為常數(shù)，故采用平均值 表示。由此可列能量方程式為,第一個(gè)過(guò)水?dāng)嗝鎽?yīng)取在堰前水面無(wú)明顯下降的00斷面。該斷面堰頂以上的水深H稱為堰上水頭，其斷面平均流速v0稱為行近流速。第二個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嫒≡诨鶞?zhǔn)面與水

3、舌中線的交點(diǎn)所在的11過(guò)水?dāng)嗝妗?列能量方程,流速系數(shù),流量系數(shù),反映局部水頭損失的影響， 包括：堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂進(jìn)口 邊緣形狀等。,反映堰頂水流垂直收縮的程度（1-1斷面水舌厚度 kH）,代表堰頂斷面平均測(cè)壓管水頭與堰頂全水頭之比,自由出流、無(wú)側(cè)收縮的各種堰流計(jì)算公式,影響堰流流量系數(shù)的主要因素,如果下游水位較高，影響到下游水流條件時(shí)，則在相同水頭H時(shí)，其過(guò)流量Q將小于由上式計(jì)算值，這時(shí)稱為淹沒(méi)出流。應(yīng)在自由出流公式右端乘以一個(gè)小于1的淹沒(méi)系數(shù)s 。 當(dāng)堰頂存在邊墩或閘墩時(shí), 即堰頂寬度小于上游河渠寬度時(shí)，過(guò)堰水流在平面上受到橫向約束，流線將出現(xiàn)橫向收縮，使水流的有效寬度小于實(shí)際

4、的堰頂凈寬，局部水頭損失hj增大，過(guò)堰流量將有所減小。對(duì)此也是在自由出流公式右端乘以一個(gè)小于1的側(cè)收縮系數(shù)1。,堰流的基本公式,應(yīng)用能量方程式可推得,水力計(jì)算類型,計(jì)算過(guò)堰流量Q,計(jì)算堰上水頭H,設(shè)計(jì)堰寬b,8.2 薄壁堰流的水力計(jì)算,薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量的關(guān)系，常作為水力模型或野外測(cè)量中一種有效的量水工具。,當(dāng)矩形薄壁堰無(wú)側(cè)收縮，自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度也較高； 堰上水頭不宜過(guò)?。☉?yīng)大于2.5m）； 水舌下面的空間通氣良好；,三角形薄壁堰適用于小流量的量測(cè)；,雷白克 (T.Rehbock),式中，P1為上游堰高，H 為堰上水頭，均以米計(jì)算,8.2.1 矩形薄壁堰流的水力計(jì)算

5、,當(dāng)所需測(cè)流量較小 (例如 Q 0.1m3/s)時(shí)，若用矩形薄壁 堰，則水頭過(guò)小，誤差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夾 角可取306090120不同值，但常用直角。,8.2.2直角三角形薄壁堰流,堰上游引渠寬度,三角形薄壁堰流的流量公式,8.3 實(shí)用堰流的水力計(jì)算,剖面形狀設(shè)計(jì),克里格奧菲采洛夫剖面,WES剖面,渥奇剖面,8.3.1 曲線型實(shí)用堰的剖面形狀,上游直線 AB 段：可設(shè)計(jì)成垂直或傾斜,下游直線CD段坡度 取決于溢流壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求。,反弧段：使直線CD與下游河底平滑連接，避免水流沖刷河床,反弧段：一般情況下，非基巖上、高度不大的壩,式中，Hd 溢流壩剖面設(shè)計(jì)水頭； zmax

6、為最大上下游水位差,堰頂O點(diǎn)上游曲線,WES 剖面設(shè)計(jì)方法,問(wèn)題： 堰頂水頭在(HminHmax)范圍變化，如何選定設(shè)計(jì)水頭Hd ？，使H = (HminHmax)時(shí)，堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過(guò)大負(fù)壓。,工程中經(jīng)常采用： Hd = (0.750.95) Hmax 當(dāng)H Hd時(shí)，為真空剖面堰 當(dāng) H Hd時(shí)，堰剖面堰稍偏肥大，為非真空剖面堰,m = m (P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度) 表8-3列出了WES剖面實(shí)用堰的流量系數(shù)，表8-4為上游堰面坡度影響系數(shù)c值，考慮上游坡面影響的流量公式為,（1）流量系數(shù),（2）側(cè)收縮系數(shù)確定,式中：n 溢流孔 b 每孔閘孔的凈寬度 Ka 邊墩形狀影

7、響系數(shù)(由圖8-12確定) KP 閘墩形狀影響系數(shù)(查表8-5確定),（3）淹沒(méi)系數(shù),淹沒(méi)系數(shù)由圖8-14查取,淹沒(méi)出流區(qū),自由出流區(qū),P2/H0 2 或hs /H0 0.15,（3）淹沒(méi)系數(shù),某混凝土重力壩的溢洪道，底坎為曲線型實(shí)用堰。堰上設(shè)置 7 孔閘門，每孔凈寬 b 為14 m。已知:設(shè)計(jì)流量Q 為 5253 m3/s，上游水位高程為 272.0 m；相應(yīng)的下游水位高程為 210.0 m；筑壩處河床高程為190.0 m；堰上游面垂直，下游直線段坡度為m= cot= 0.753，即= 53；邊墩頭部及閘墩頭部為圓弧形，閘墩頂部與堰上游面齊平。試確定： （1）堰頂高程及堰的剖面形狀； （2）

8、當(dāng)上游水位高程 273.5 m 及 270 m 時(shí)，設(shè)計(jì)的該堰剖面通過(guò)的流量各為多少？,例題,1. 確定堰頂高程,解題步驟,解：,因?yàn)樯嫌嗡桓叱虦p去堰頂水頭即為堰頂高程。所以實(shí)際上就是要求計(jì)算設(shè)計(jì)水頭Hd 。在設(shè)計(jì)條件下，根據(jù)實(shí)用堰流公式有：,采用WES剖面，并假定P1/Hd 1.33，則md = 0.502，行近流速水頭可以略去，即H0dHd 。,式中:b=14 m，孔數(shù) n = 7；邊墩形狀系數(shù) Ka= 0.7； 半圓閘墩在hs/Hd0.75 時(shí)，KP = 0.45。代入上式得,解題步驟,則,設(shè)堰為自由出流s = 1.0。側(cè)收縮系數(shù) 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,應(yīng)用試算法由上式求得 Hd8.7 m,

9、堰頂高程為 272 m8.7 m = 263.3 m,上游堰高為 263.3 m190 m = 73.3 m,因?yàn)镻1/Hd = 73.3m / 8.7m = 8.43 1.33 ,故為高堰，md= 0.502; 行近流速水頭可以略去。,解題步驟,又因?yàn)橄掠嗡坏陀谘唔敚?hs 0，所以該堰為自由出流s= 1。,解題步驟,3. 當(dāng)上游水位高程273.5 m 及270 m 時(shí)，計(jì)算該設(shè)計(jì)的堰剖面通過(guò)的流量,（1）上游水位273.5 m 時(shí)，,查表8-3，用內(nèi)插法得,側(cè)收縮系數(shù),解題步驟,（2）上游水位270.0 m 時(shí)，,此時(shí),查表8-3，用內(nèi)插法得,又因?yàn)橄掠嗡坏陀谘唔敚?hs 0，所以

10、該堰為自由出流s= 1。,2.堰剖面設(shè)計(jì),確定堰頂上游圓弧段及下游OC段曲線段的形狀、長(zhǎng)度; C點(diǎn)的坐標(biāo);反弧半徑 r 以及 O、D、E點(diǎn)的坐標(biāo)。,解題步驟,解題步驟,堰頂 O 點(diǎn)上游三圓弧的半徑及其水平坐標(biāo)值為,O點(diǎn)下游的曲線方程為,即,按上式算得的坐標(biāo)值如下表,根據(jù)表中數(shù)據(jù)可繪出堰頂下游曲線 OC (見(jiàn)后圖),解題步驟,解題步驟,解題步驟,下游直線段CD 坡度m= 0.753 與曲線 OC 相切于C 點(diǎn)。C 點(diǎn)坐標(biāo)可由以下方法求得:,對(duì)堰面曲線求一階導(dǎo)數(shù),直線 CD 的坡度為,解題步驟,故有,解得 xc = 13.313 m yc = 9.557 m,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定壩下游反弧半徑 r 值

11、:,上下游水位差:,取 r =25 m,反弧曲線的上端與直線CD相切于D點(diǎn)，下游與河床點(diǎn)相切于E點(diǎn)。D點(diǎn)、E點(diǎn)及反弧曲線圓心 O 點(diǎn)的坐標(biāo)，可由幾何分析方法確定：,（1）反弧曲線圓心 O,解題步驟,解題步驟,本題下游堰高 P2 = 73.3 m， 代入已知條件解得：,xo= 73.776 m yo= 48.3 m,（2）E點(diǎn)坐標(biāo),解題步驟,（3）D點(diǎn)坐標(biāo),3. 當(dāng)上游水位高程273.5 m 及270 m 時(shí)，計(jì)算該設(shè)計(jì)的堰剖面通過(guò)的流量,（1）上游水位273.5 m 時(shí)，,查表8-3，用內(nèi)插法得,側(cè)收縮系數(shù),解題步驟,（2）上游水位270.0 m 時(shí)，,此時(shí),查表8-3，用內(nèi)插法得,8.4 寬

12、頂堰流的水力計(jì)算,2.5 /H 10時(shí)，進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動(dòng)，稱寬頂堰流。,圖 有坎的寬頂堰流,有坎寬頂堰流 底坎引起水流在垂直方向收縮,8.4.1 流量系數(shù)m,流量系數(shù)取決于堰頂進(jìn)口形式、堰的相對(duì)高度P1/H,堰頂入口為直角的寬頂堰,堰頂入口為圓弧的寬頂堰,P1=0,m=0.385(無(wú)坎寬頂堰）,式中，b 溢流堰孔凈寬 B 溢流堰上游引渠的寬度 0 考慮墩頭及堰頂入口形狀的系數(shù) 矩形閘墩或邊墩 0 0.19 （堰頂入口邊緣直角） 圓弧閘墩或邊墩 0 0.10 （堰頂入口邊緣為直角或圓?。?多孔寬頂堰側(cè)收縮系數(shù)可取中孔和邊孔的加權(quán)平均值由公式8-18計(jì)

13、算。,適用條件： b/B 0.2 和 P1/H 3，取P1/H 3,8.4.2 側(cè)收縮系數(shù),單孔寬頂堰:,多孔寬頂堰：應(yīng)采取邊孔和中孔的加權(quán)平均值,式中， = 中孔閘墩收縮系數(shù)， b = b ， B = b +2d = 邊墩收縮系數(shù)， b = b ， B = b +2,淹沒(méi)條件為： hs 0.8H0，淹沒(méi)系數(shù)按表8-10確定。,8.4.3 寬頂堰的淹沒(méi)條件及淹沒(méi)系數(shù),例題1：如圖所示直角進(jìn)口堰，堰頂厚度=5m，堰寬與上游矩形渠道寬度相同，b=1.28m，求過(guò)堰流量。,解：（1）判別堰型,所以該堰為寬頂堰,（2）確定系數(shù),（3）計(jì)算流量,Q=1.68m3/s,底坎形式：平底板 曲線型實(shí)用堰 閘門

14、形式: 平板閘門 弧形閘門,8.5 閘孔出流的水力計(jì)算,水力計(jì)算任務(wù) （1）已知閘前水頭，計(jì)算不同閘 孔開(kāi)度的泄量 （2）已知流量，求所需閘孔寬度 不同閘門類型 不同底坎型式 計(jì)算主要是確定系數(shù),平底閘孔出流條件,曲線型實(shí)用堰閘孔出流條件,8.5.1 概述,8.5.2 閘孔出流的水力特征,設(shè)收縮水深hc的躍后水深為 。 若 ，則水躍發(fā)生在收縮斷面處或收縮斷面下游。下游水深的大小不影響閘孔出流，稱做閘孔自由出流。 若 ，則水躍發(fā)生在收縮斷面上游，水躍旋滾覆蓋了收縮斷面，稱為閘孔淹沒(méi)出流。通過(guò)閘孔的流量隨下游水深 的增大而減小。,自由出流,淹沒(méi)出流,1,e,H,0,0,1,底坎為曲線型實(shí)用堰的閘孔

15、出流,閘后水流緊貼堰面下泄，無(wú)明顯收縮斷面。 多為自由出流。,底坎為寬頂堰或平底平板閘門垂直收縮系數(shù),收縮斷面水深hc小于閘孔開(kāi)度e,可令,為平板閘門的垂直收縮系數(shù),底坎為寬頂堰或平底弧形閘門的垂直收縮系數(shù),值可按下式計(jì)算,對(duì)堰前斷面0-0和收縮斷面c-c列能量方程,8.5.3 閘孔出流水力計(jì)算,閘孔自由出流計(jì)算公式,稱為流量系數(shù),影響流量系數(shù)的主要因素,反映局部水頭損失的影響 取決于閘底緣形式、閘門形式等,無(wú)坎寬頂堰型閘孔,有底坎的寬頂堰型閘孔,垂直收縮系數(shù) 水流經(jīng)閘孔時(shí)的流線收縮程度 取決于閘門形式，閘孔入口的邊界條件、相對(duì)開(kāi)度,注意：與堰流不同，閘孔出流中閘墩、邊墩側(cè)收縮影響相對(duì)閘門產(chǎn)生

16、的垂直收縮可忽略。水頭較高時(shí)，可忽略行進(jìn)流速水頭,8.5.3 閘孔出流水力計(jì)算基本公式,取決于閘底坎的形式、閘門的類型和閘孔的相對(duì)開(kāi)度e/H值。,8.5.4 底坎為平底板型的閘孔出流,流量系數(shù),平板閘門,弧形閘門,淹沒(méi)系數(shù),查圖8-27,淹沒(méi)出流時(shí)， ,潛流比：,淹沒(méi)系數(shù),閘孔出流的淹沒(méi)系數(shù) 當(dāng)下游水深大于收縮斷面水深的共軛水深，即 時(shí)，閘孔為淹沒(méi)出流。 南京水利科學(xué)研究所的研究: 淹沒(méi)系數(shù)s與潛流比 ( H )有關(guān)。,圖8-27,61,8.5.5底坎為曲線型實(shí)用堰的閘孔出流 水流流線在閘前整個(gè)深度內(nèi)向閘孔集中，故水流的收縮比平底閘孔充分和完善得多。出閘后水舌在重力作用下緊貼溢流面下泄，不存在

17、明顯的收縮斷面，為自由出流。,(a),(b),底坎為曲線型實(shí)用堰的閘孔出流,流量系數(shù),平板閘門,弧形閘門,為平板閘門下緣角度,例題：矩形渠道中修建一水閘，采用平板閘門，閘底板與渠底齊平，閘孔寬等于3m，已知行近流速v0=0.8m/s，閘前水深H=5m，閘門開(kāi)啟高度e=1.0m，下游水深ht=3.5m，求過(guò)閘流量。,解：（1）判別是堰閘出流,故為閘孔出流,（2）確定流量系數(shù),（3）設(shè)下游為自由出流，計(jì)算過(guò)閘流量,（4）判別出流是否淹沒(méi),則收縮斷面水深,hc的共軛水深,因ht=3.5m，故 ，閘孔為淹沒(méi)出流,由潛流比 ，查圖8.30得,所以通過(guò)閘孔的流量為,例1：某水庫(kù)溢流壩，采用曲線型堰，堰頂厚度為5m，共5孔，每孔凈寬為7m，壩頂設(shè)弧形閘門。試求壩頂水頭