第八章堰流與閘孔出流

1、堰流及閘孔出流堰流及閘孔出流本章綱要：n第一節(jié)第一節(jié) 堰流的特點及分類堰流的特點及分類n第二節(jié)第二節(jié) 堰流的基本公式堰流的基本公式n第三節(jié)第三節(jié) 薄壁堰薄壁堰n第四節(jié)第四節(jié) 實用堰實用堰n第五節(jié)第五節(jié) 寬頂堰寬頂堰n第六節(jié)第六節(jié) 小橋孔徑的水力計算小橋孔徑的水力計算n第七節(jié)第七節(jié) 閘孔出流閘孔出流堰和閘是水利工程中常見的用來引水、泄洪、調(diào)節(jié)流量或水位的水工建筑物。堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象實用堰流實用堰流弧型閘門閘孔出流弧型閘門閘孔出流二、堰閘出流特點二、堰閘出流特點 (1) 橫向邊界有約束橫向邊界有約束 (2) 重力使水流流動重力使水流流動 (3)

2、急變流急變流 (4) 以局部水頭損失為主以局部水頭損失為主1 1、共同點、共同點: : 堰流堰流: 上部無約束，水面連續(xù)上部無約束，水面連續(xù), 過流能力大過流能力大 閘孔出流閘孔出流: 四周均有約束，水四周均有約束，水 面斷開面斷開, 過流能力小過流能力小2 2、不同點、不同點: :本章要點：(1)(1)概念：概念：堰及其分類，出流形式；堰及其分類，出流形式；堰流的基本公式及基本參數(shù)；堰流的基本公式及基本參數(shù)；堰流公式中的系數(shù)：無側(cè)向收縮自由出流堰流公式中的系數(shù)：無側(cè)向收縮自由出流流量系數(shù)、淹沒系數(shù)、側(cè)向收縮系數(shù)、垂流量系數(shù)、淹沒系數(shù)、側(cè)向收縮系數(shù)、垂直收縮系數(shù)（過水收縮斷面的參數(shù)）；直收縮系

3、數(shù)（過水收縮斷面的參數(shù)）；(2)(2)計算：小橋孔徑計算。計算：小橋孔徑計算。第一節(jié)第一節(jié) 堰流的特點及其分類堰流的特點及其分類n水流受到從河底建起的建筑物（堰體）的阻水流受到從河底建起的建筑物（堰體）的阻擋，擋，或者受兩側(cè)墻體的約束影響或者受兩側(cè)墻體的約束影響，n在堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體自由下泄在堰體上游產(chǎn)生壅水，水流經(jīng)堰體自由下泄,n下泄水流的自由表面為連續(xù)的曲面下泄水流的自由表面為連續(xù)的曲面一、堰流的定義一、堰流的定義堰堰:堰頂厚度P1、P2:上下游堰高H:堰上水頭V0:堰前行近流速h:下游水深:下游水位與堰頂?shù)母卟頱:堰凈過流寬度B:河道寬度35H1 1、從堰的幾何形狀分：薄壁堰

4、、實用堰、寬頂堰、從堰的幾何形狀分：薄壁堰、實用堰、寬頂堰薄壁堰/H 0.67二、堰流的分類二、堰流的分類v011v1P200HP100n堰頂水舌不受堰的堰頂水舌不受堰的頂托影響；頂托影響；n水舌下緣與堰頂水舌下緣與堰頂只有線的接觸；只有線的接觸；n水舌上下邊界水舌上下邊界為大氣壓強。為大氣壓強。0堰頂加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受堰頂堰頂加厚，水舌下緣與堰頂呈面接觸，水舌受堰頂約束和頂托，但影響還不大，水流主要還是重力作用約束和頂托，但影響還不大，水流主要還是重力作用下的自由跌落。下的自由跌落。00v0H11實用堰0.67 /H 2.5曲線型實用堰曲線型實用堰 00v0H11折線型實用

5、堰折線型實用堰 H00P1P2v011v1u堰頂對水流的頂托堰頂對水流的頂托作用非常明顯作用非常明顯u進口出現(xiàn)水面跌落進口出現(xiàn)水面跌落u實驗表明，寬頂實驗表明，寬頂堰流的水頭損失堰流的水頭損失主要是局部水頭主要是局部水頭損失損失u當當/ H 10時，沿程水時，沿程水頭損失起主要作用，水流頭損失起主要作用，水流也逐漸具有明渠的性質(zhì)也逐漸具有明渠的性質(zhì)。寬頂堰2.5/ H 10自由出流自由出流v0H0P100v0H0hsP2ht淹沒出流淹沒出流2、下游水深對堰的影響：、下游水深對堰的影響：自由岀流堰和淹沒岀流堰自由岀流堰和淹沒岀流堰3、從堰寬和河寬的大小分：有側(cè)收縮堰和無側(cè)收縮堰無側(cè)收縮堰：B=b

6、有側(cè)收縮堰： Bb4.從水流方向分：正堰、側(cè)堰、斜堰正堰：堰與水流方向正交。側(cè)堰：堰與水流方向平行。斜堰：堰與水流方向不正交。第二節(jié) 堰流的基本公式v011v1P200HP100gvgvpgvH22221211120002002HgvH堰流作用水頭因水舌被大氣包圍， 1-1斷面的0/1pgvH2)(211001121gHv11設(shè)流速系數(shù)012gHv以自由式無側(cè)收縮薄壁堰 為例01kbHkm 0kHe 2302 HgmbQ 流量系數(shù)流量系數(shù)水舌厚度水舌厚度:v011v1P200HP100K:垂直收縮垂直收縮系數(shù)系數(shù)過水斷面積過水斷面積:012gHv2302 HgbkQ),(kmm 反映局部水頭損

7、失的影反映局部水頭損失的影響響 反映堰頂水流垂直收縮的程度反映堰頂水流垂直收縮的程度k影響因素包括：堰頂水頭、上游堰高影響因素包括：堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂進口邊緣形狀等、堰頂進口邊緣形狀等2302 HgmbQm 流量系數(shù)流量系數(shù)b堰寬H0堰上作用水頭02002HgvH,淹沒系數(shù)淹沒系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)v011v1P200HP1考慮側(cè)收縮和淹沒影響適用于薄壁堰、實用堰、寬頂堰第三節(jié)第三節(jié) 薄壁堰薄壁堰v0v1P200HP1n特征特征:n具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。n常作為一種有效量水工具。常作為一種有效量水工具。n由于堰壁較薄，上游水頭不宜過大。由于堰壁較薄，

8、上游水頭不宜過大。2302 HgmbQ 2302 HgbmQ 2323200232002)21 ()2(2HgbgHvmgvHgmbQ232000)21 (gHvmm一、矩形堰一、矩形堰1、自由式無側(cè)收縮堰巴贊公式巴贊公式8-3-1雷布克公式雷布克公式8-3-2B)(55. 01)0027. 0405. 0(210pHHHm巴贊公式巴贊公式8-3-1HpHm0007. 0053. 0403. 010雷布克公式雷布克公式8-3-22.自由式有側(cè)收縮堰2320HgbmQmc 有側(cè)收縮時的流量系數(shù)cmm 0Let:232 HgbmQc8-3-3b)()(55. 01 )03. 00027. 0405

9、. 0(212pHHBbBbBHmc3.淹沒堰2302 HgbmQ必要條件：堰下游水位要高于堰頂。充分條件：堰下游發(fā)生淹沒式水躍式（8-3-4）32)2 . 01 (05. 1Hzp堰頂過流斷面為三角形堰頂過流斷面為三角形。所測流量較小。所測流量較小 ( (例如例如 Q 0.1m3/s) )時時, , 可用三角形薄壁堰提高精度?？捎萌切伪”谘咛岣呔?。二、三角形堰二、三角形堰5 . 24 . 1 HQ )(0154. 047. 2slHQ B905 . 2CHQ C： 8-3-8H三、梯形堰三、梯形堰5 . 15 . 105 . 25 . 1022)2(2HgbmHgbbgCHmCHHgbm

10、Qt當 時，流量系數(shù) 不隨H及b變化，且約為0.42。14tmBHb第四節(jié)第四節(jié) 實用堰實用堰實用堰包括曲線型實用堰和折線型實用堰00v0H11折線型實用堰折線型實用堰 曲線型實用堰曲線型實用堰 曲線型實用堰又包括真空堰和非真空堰計算公式2302 HgmbQ2302 HgmbQ0.5m 0.45m 在初步估算時非真空堰折線多邊形堰 m=0.350.42式中：a為考慮壩墩形狀影響的系數(shù)，矩形壩墩a0.2，半圓形或尖形壩墩a0.11，流線形尖墩a=0.06。實用堰的淹沒標準與薄壁堰相同非真空堰淹沒系數(shù)由表8-1決定 真空堰第五節(jié)第五節(jié) 寬頂堰寬頂堰無坎寬頂堰流：無坎寬頂堰流：由于由于側(cè)向收縮側(cè)向收

11、縮的影響，的影響，形成進口水形成進口水面跌落面跌落的水流狀態(tài)的水流狀態(tài).有坎寬頂堰流有坎寬頂堰流：由于存在底坎引起水流在由于存在底坎引起水流在垂直方向垂直方向產(chǎn)生收縮而產(chǎn)生收縮而形成進口水面跌落形成進口水面跌落的水流現(xiàn)象的水流現(xiàn)象。一、寬頂堰流特點一、寬頂堰流特點特征特征: 進口垂直收縮影響進口垂直收縮影響,水面第一次跌落水面第一次跌落 在在斷面達最小值，斷面達最小值，hchk 堰頂流態(tài)為急流堰頂流態(tài)為急流 下游水位較低時下游水位較低時，出口產(chǎn)生第二次水面跌落。出口產(chǎn)生第二次水面跌落。H00P1P2v0KK2Hcchc自由出流理解掌握理解掌握當下游水位剛超過k-k線,出現(xiàn)遠驅(qū)式或臨界水躍,此時

12、 不變，仍為自由岀流。ch下游水位增加00.8H淹沒判別條件：隨著下游水位進一步增大，堰頂出現(xiàn)淹沒水躍 收縮斷面被淹沒收縮斷面被淹沒,水躍消失水躍消失 堰上水流為緩流堰上水流為緩流 水面線近似平行于堰頂水面線近似平行于堰頂 進口水位跌落進口水位跌落,出口水位微微上升出口水位微微上升淹沒岀流堰頂入口為直角的寬頂堰堰頂入口為直角的寬頂堰320330 75046030103201111.,)(. mHPHPHPHPm當當H00P1P2v011v1二、流量系數(shù)二、流量系數(shù)2302 HgmbQHP1v0r堰頂入口為圓弧的寬頂堰堰頂入口為圓弧的寬頂堰360330( 512130103601111.,).

13、mHPHPHPHPm當當三、側(cè)收縮系數(shù)三、側(cè)收縮系數(shù)2302 HgmbQ為墩形系數(shù)圓形邊緣矩形邊緣堰凈溢流寬度小于河道寬度,形成側(cè)收縮影響單孔：)1 (2 . 0143110BbBbHPa0a19. 00a1 . 00adbbb邊墩邊墩邊墩邊墩閘墩閘墩閘墩閘墩B當寬頂堰溢流寬度較大時，需設(shè)置閘墩和邊墩，此時需用（8-5-4）、（8-5-5）、（8-5-6）計算側(cè)收縮系數(shù)。淹沒程度越大淹沒程度越大,淹淹沒系數(shù)越小沒系數(shù)越小四、淹沒系數(shù)系數(shù)四、淹沒系數(shù)系數(shù)00.8H 表8-5-1第六節(jié)第六節(jié) 小橋孔徑的水力計算小橋孔徑的水力計算無坎寬頂堰流無坎寬頂堰流H:橋前壅水水深h1 :橋下(孔)水深h :橋

14、下游水深hk :橋孔臨界水深自由出流淹沒出流h1h=h1khh3 . 1khh3 . 1自由岀流自由岀流淹沒岀流淹沒岀流 一、孔徑計算公式一、孔徑計算公式khh1有效過流寬度:b建立0-0和1-1斷面的能量方程gvgvhgvH22221211200gvhH2)(2110)(21101hHgv)(201khHgv)(20kkhHghbQ111vhbvQk185. 075. 0：垂向收縮系數(shù)，22202gvhH)(201khHgv)(20kkhHghbQh1 h=h1khh1)(20hHgbhQ)(202hHgv221102gvhH22202gvhH與橋臺形式有關(guān)值的選取，對非平滑進口， 0.75

15、 0.80對于平滑進口， 0.80 0.85有的設(shè)計方法取 1二、小橋孔徑水力計算原則及步驟二、小橋孔徑水力計算原則及步驟已知條件已知條件:n河道寬度河道寬度Bhn河道設(shè)計流量河道設(shè)計流量Q，n建橋前水深（即建橋后橋下游水建橋前水深（即建橋后橋下游水深深h），n經(jīng)驗確定經(jīng)驗確定n橋孔允許流速橋孔允許流速 ，橋前允許壅水水深，橋前允許壅水水深vH計算任務(wù)計算任務(wù):設(shè)計小橋孔徑設(shè)計小橋孔徑B、計算橋孔流速及橋前壅水水深、計算橋孔流速及橋前壅水水深需滿足需滿足:橋孔流速橋孔流速vv ；橋前壅水；橋前壅水HH1、計算原則按照橋前壅水水深按照橋前壅水水深H=允許最大壅水水深允許最大壅水水深 設(shè)計孔徑設(shè)計孔徑H按照橋孔流速按照橋孔流速v =不沖不沖允許流速允許流速 設(shè)計孔徑設(shè)計孔徑v設(shè)計的孔徑在設(shè)計流量通過時保證設(shè)計的孔徑在設(shè)計流量通過時保證HH設(shè)計的孔徑在設(shè)計流量通過時保證設(shè)計的孔徑在設(shè)計流量通過時保證vv以自由出流為例以自由出流為例,322)( bgQhkgvhk22 322)(gvhhkkkhh11vhbvbhQk2、計算用公式令令 v=vvhQbk222211022gvhgvhHk淹沒岀流？淹沒岀流？gvhk22 (1)從允許流速出發(fā)計算小橋孔徑b3、計算步驟(2)選取標準孔徑Bb公路、鐵路橋梁的標準孔徑有4m、5m、6m、8m、10m、12m、16m