閘孔出流計(jì)算

1、相品用.3第八章堰流及閘孔出流第一節(jié) 概 述水利工程中為了宣泄洪水以及引水灌溉、發(fā)電、給水等目的,常需要修 建堰閘等泄水建筑物,以限制水庫或渠道中的水位和流量. 堰、閘等泄水建筑物 水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是研究其水流狀態(tài)和過流水平.一.堰流及閘孔出流的概念既能壅高上游水位,又能從自身溢水的建筑物稱為堰.水流由于受到堰坎或兩側(cè)邊墻的束窄阻礙,上游水位壅高,水流經(jīng)過溢 流堰頂下泄,其溢流水面上緣不受任何約束,而成為光滑連續(xù)的自由降落水面, 這種水流現(xiàn)象稱為堰流.水流受到閘門或胸墻的限制,閘前水位壅高,水流由閘門底緣與閘底板 之間孔口流出,過水?dāng)嗝媸荛l門開啟尺寸的限制, 其水面是不連續(xù)的,這種水流 現(xiàn)象

2、稱為閘孔出流.堰流與閘孔出流的水流狀態(tài)比擬堰流與閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象：堰流時(shí),水流不受閘門或胸墻 限制,水面曲線是一條光滑連續(xù)的降落曲線. 而閘孔出流時(shí),水流要受到閘門的 限制,閘孔上下游水面是不連續(xù)的.對(duì)明渠中具有閘門限制的同一過流建筑物而言,在一定邊界條件下,堰流與 閘孔出流是可以相互轉(zhuǎn)化的,即在某一條件下為堰流,而在另一條件下可能是閘e孔出流.堰流與閘孔出流兩種流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的條件除與閘門相對(duì)開度H有關(guān)外,還與閘底坎形式或閘門或胸墻的形式有關(guān),另外,還與上游來水是漲水還是 落水有關(guān).經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究,一般可采用如下關(guān)系式來判別堰流及閘孔出流.閘底坎為平頂ee0.650.65H為閘

3、孔出流,H為堰流.閘底坎為曲線ee0.750.75H為閘孔出流,H為堰流.式中,H為從堰頂或閘底坎算起的閘前水深,e為閘門開度堰流與閘孔出流又有許多共同點(diǎn)：堰流及閘孔出流都是由于堰或閘壅 高了上游水位,形成了一定的作用水頭,即水流具有了一定的勢能.泄水過程中, 都是在重力作用下將勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程.堰和閘都是局部限制性建筑物, 其限制水位和流量的作用.堰流及閘孔出流都屬于明渠急變流, 在較短距離內(nèi) 流線發(fā)生急劇彎曲,離心慣性力對(duì)建筑物外表的動(dòng)水壓強(qiáng)分布及過流水平均有一 定的影響；流動(dòng)過程中的水頭損失也主要是局部水頭損失.第二節(jié)堰流的類型及水力計(jì)算公式一、堰流的類型常見的有薄壁堰、曲線型實(shí)用堰

4、、折線型實(shí)用堰、寬頂堰等.堰的形式 不同,其水流特征也不相同.在水力計(jì)算時(shí),并不按堰的用途分類,而是按堰坎 厚度 與堰上水頭H的比值大小來劃分堰流類型,即按堰的相對(duì)厚度對(duì)堰流進(jìn) 行分類.0.67(1)薄壁堰流：H .此時(shí)越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?水 舌下緣與堰頂只呈線的接觸,水面為單一的降落曲線.由于薄壁堰常將堰頂做成 銳緣,故薄壁堰也稱為銳緣堰.0.67 一 2.5(2)實(shí)用堰流：H 0水舌下緣與堰頂呈面的接觸,水舌受到堰頂?shù)募s束和頂托,但這種影響還不是很大,越過堰頂?shù)乃髦饕€是在重力作用下的 自由跌落.2.5 一 10(3)寬頂堰流：H .此時(shí)堰頂厚度對(duì)水流的頂托作用已經(jīng)非常

5、明顯,進(jìn)入堰頂?shù)乃魇艿窖唔敶怪狈较虻募s束, 過水?dāng)嗝鏈p小,流速增大,加之水流 進(jìn)入堰頂時(shí)存在局部水頭損失,因此,在進(jìn)口處形成了水面跌落.然后水面幾乎 與堰頂保持平行,當(dāng)下游水位較低時(shí),流出堰頂?shù)乃饔謺?huì)產(chǎn)生第二次水面跌落. 10當(dāng)H時(shí),沿程水頭損失已不能忽略,此時(shí)的水流特性不再屬于堰流,而應(yīng)該按明渠水流處理.對(duì)同一個(gè)堰而言,堰坎厚度 是一定的,但堰上水頭H 卻是隨水流狀況變化的.堰流的類型雖然有以上幾種,但其水流的運(yùn)動(dòng)卻有著共同的規(guī)律. 比方, 水流在趨近堰頂時(shí),由于流線收縮,流速增大,溢流自由水面均有明顯的降落； 從作用力方面來講,重力作用是主要的；從水流的流線變化情況來看,堰流都屬 于明

6、渠急變流,離心慣性力的影響比擬顯著,有時(shí)還存在外表張力的影響；從能 量方面講,都是勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,而且水流運(yùn)動(dòng)過程中以局部水頭損失為主. 既 然如此,堰流問題就可以用同一個(gè)公式來描述.二、堰流的根本公式3 2堰流水力計(jì)算的根本公式Q s 1 mb 2g H 0式中,流量系數(shù)m f,k,所有這些影響堰流過流水平的因素除與 堰上水頭H有關(guān)外,還與堰高、堰頂邊緣的進(jìn)口形狀等邊界條件有關(guān).因此, 不同類型、不同高度的堰其流量系數(shù) m是不盡相同的.下游水位過高,以致影響了堰的過流水平,這時(shí)的堰流就稱為淹沒出流；反之,稱為自由出流.其影響以淹沒系數(shù)s閘墩及邊墩的存在會(huì)引起水流的側(cè)向收縮,降低過流水平,這種

7、堪稱為有側(cè)收縮堰；反之,稱為無側(cè)收縮堰,其影響以側(cè)收縮系數(shù)1來反映.假設(shè)堰頂有n孔閘門,上式中的堰頂寬度可表示為 b nb,其中b為單孔 凈寬.上述堰流水力計(jì)算的根本公式對(duì)于過水?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝娴谋”谘吡?、?shí)用堰流、 寬頂堰流都是適用的,只是堰流類型不同,其流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù) 確實(shí)定方法與計(jì)算公式不同,這是值得特別關(guān)注的問題.第三節(jié)薄壁堰流的水力計(jì)算薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系,因此薄壁堰常用作實(shí)驗(yàn)室模型試 驗(yàn)或野外量測流量的量水工具.工程實(shí)際中廣泛采用的曲線型實(shí)用堰和隧洞進(jìn)口 曲線等也常根據(jù)薄壁堰流水舌下緣曲線來構(gòu)制.常見的薄壁堰有矩形、三角形、 梯形和拋物線形.一、矩形薄壁堰

8、實(shí)驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)矩形薄壁堰流無側(cè)收縮、自由出流時(shí),水流最為穩(wěn)定1、無側(cè)收縮、自由出流時(shí)的流量系數(shù)可按以下公式計(jì)算1巴贊公式Bazin , 1898年m 0.4050.0027m0 (0.405 0.0027)1 0,55( H)2 HHPi式中,H、pi 以 m 計(jì).適用范圍是 0.025 H 1.24, b 2m, P 1,13m(2)雷伯克公式(Th.Rehbock, 1929年)2 0.001 Hm0-(0.605 0.08)3 HpiH2式中,H、p1以m計(jì).適用范圍是H 0.025, b B, P10.3m, P1二、三角形薄壁堰3 一當(dāng)量測流量較小(小于0.1m /s)時(shí),宜米用三角形

9、薄壁堰.90 0三角形薄壁堰的流量公式Q 1.4H 2,5第四節(jié) 實(shí)用堰流的水力計(jì)算實(shí)用堰是水利工程中用來擋水同時(shí)又能泄水的水工建筑物,它的剖面形 式隨著生產(chǎn)的開展而不斷改良.如用條石或其它當(dāng)?shù)夭牧闲藿ǖ闹小⒌鸵缌餮? 堰頂剖面常做成折線形,稱為折線型實(shí)用堰.如用混凝土修建的中、高溢流堰, 堰頂常做成適合水流特點(diǎn)的曲線形,稱為曲線型實(shí)用堰.、曲線型實(shí)用堰的剖面組成及其設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰的剖面一般如圖所示,曲線型實(shí)用堰由上游直線段 AB、堰頂曲線段BC、下游斜坡段CD以及反弧 段DE這幾局部組成.上游直線段AB可以做成垂直的,也可以做成傾斜的,其高度主要取決 于工程規(guī)模和設(shè)計(jì)要求,而垂直還是傾斜那

10、么往往取決于壩體的穩(wěn)定要求.堰頂曲線段BC是設(shè)計(jì)曲線型實(shí)用堰的關(guān)鍵,國內(nèi)外對(duì)堰的剖面形狀有 多種設(shè)計(jì)方法,其主要區(qū)別還在于曲線段如何確定.下游斜坡段CD是連接堰頂曲線段BC與下游反弧段DE的公切線,其坡 度主要依據(jù)壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定要求確定,一般取 1:0.651:0.75.反弧段DE是連接直線段CD與河床的圓弧,主要為使其連接光滑,防止 水流直沖河床,并有利于溢流堰下游的消能,其反弧半徑應(yīng)結(jié)合消能形式統(tǒng)一考二、WES1的水力計(jì)算1、WES圉的堰面曲線0.5()1.85WESfe準(zhǔn)剖面：堰頂.點(diǎn)下游的曲線按Hd Hd 計(jì)算；堰頂.點(diǎn) 上游B.段采用三段復(fù)合圓弧相接,這樣可使堰頂曲線與堰上游面平滑連

11、接,改 善了堰面壓強(qiáng)分布,減小了負(fù)壓.PiHoHd以及上游2、流量系數(shù)P1實(shí)驗(yàn)研究說明,曲線型實(shí)用堰的流量系數(shù)主要取決于 Hd、 面坡度 等,實(shí)用中WES1的流量系數(shù)可查圖確定.1.33時(shí),稱為高堰,計(jì)算中行近流速水頭可忽略不計(jì),并且,當(dāng)且0 1.0實(shí)際工作水頭等于設(shè)計(jì)水頭,即Hd 時(shí),設(shè)計(jì)流量系數(shù)md 0.5021.0,那么H.堰的設(shè)計(jì)流量系數(shù)為常數(shù).當(dāng)實(shí)際工作水頭不等于設(shè)計(jì)水頭時(shí),假設(shè)HdH0 0 1.0 m md .假設(shè) Hd那么 m mdR假設(shè)Hd1.33,此時(shí)行近流速加大,流量系數(shù)HoPi此時(shí)流量系數(shù)m不僅與Hd有關(guān),還與Hd有關(guān),即Pim將隨Hd的減小而減小,口 f處上mdHd H

12、d3、側(cè)收縮系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為Ho10.1 0*式中,k為邊墩形狀系數(shù),0為閘墩形狀系數(shù),其數(shù)值可按不同形狀分 查圖或表確定.4、淹沒系數(shù)對(duì)一般高堰,當(dāng)下游水位超過堰頂,并堰下發(fā)生淹沒水躍時(shí),稱為淹沒 出流.此時(shí)過堰水流受下游水位頂托,將使堰的過流水平降低.實(shí)際計(jì)算時(shí),一 般用淹沒系數(shù)反映下游水位和堰后護(hù)坦高程對(duì)過流水平的影響.淹沒系數(shù)決定于hsP2hsH 0及H 0.對(duì)WESJ面堰,當(dāng)H 0 影響,稱為自由出流.F2 0.15 2.0及H. 時(shí),出流不受下游水位的第五節(jié)寬頂堰流的水力計(jì)算工程實(shí)際中,寬頂堰流的水流現(xiàn)象是十分常見的.如進(jìn)水閘,不管有坎 還是無坎平底,其水流均屬于寬頂堰流

13、；流經(jīng)無壓隧洞進(jìn)口、涵管進(jìn)口、橋 孔、施工圍堰的水流等也都屬于寬頂堰流.2.5 一 10當(dāng)堰頂水平且相對(duì)厚度H 時(shí),過堰水流會(huì)在進(jìn)口處形成水面跌落,在堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段流線近似平行堰頂?shù)臐u變流動(dòng), 這種堰流就稱為寬頂 堰流.一、有坎寬頂堰流的水力計(jì)算1、流量系數(shù)且寬頂堰流的流量系數(shù)m取決于堰的進(jìn)口形式和堰的相對(duì)高度 H,具體可按 以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.錯(cuò)品WCT小(1)矩形有直角前沿進(jìn)口的寬頂堰3且m 0.32 0.01HP0.46 0.75H0比3 P上式適用范圍：H ；當(dāng)Hm 0.32 0(2)矩形帶圓角前沿進(jìn)口的寬頂堰3 D 3時(shí),取H ,此時(shí),流量系數(shù)為常數(shù),3 Pm 0.36 0.01H

14、R1.2 1.5 1 HP1PP10333上式適用范圍：H ；當(dāng)H 時(shí),取H ,此時(shí),流量系數(shù)為常數(shù),m 0.36 0旦3由上兩式可知,當(dāng)H 時(shí),流量系數(shù)m為常數(shù),直角進(jìn)口, m .32, 圓角進(jìn)口,m 0.36,是最小值；當(dāng)P 0時(shí),流量系數(shù)m為最大值,m 0.385; 0 P1 3當(dāng) H ,其流量系數(shù)在一定范圍變化,直角進(jìn)口m 0.32- 0.385,圓角進(jìn)口 m 0.36 0.385.根據(jù)理論推導(dǎo),寬頂堰流的流量系數(shù)最大值不超過0.385.2、側(cè)收縮系數(shù)影響側(cè)收縮的主要因素是閘墩和邊墩的頭部形狀、數(shù)目和閘墩在堰頂?shù)南鄬?duì)位置 及堰上水頭等.側(cè)收縮系數(shù)仍可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.3、淹沒系數(shù)寬頂堰流

15、淹沒出流,整個(gè)堰頂水流都將變?yōu)榫徚?因此,寬頂堰流的淹 沒條件是下游水位超過堰頂?shù)乃?二大于堰頂自由出流時(shí)的收縮斷面水深 hc相共腕的躍后水深h"即hs hco對(duì)此淹沒條件,目前用理論分析尚有困難,多采用試驗(yàn)資料來判別.根據(jù)試驗(yàn),寬頂堰流的淹沒條件為hs (0.750.85)H.,hs取平均值為hs 0.8H.其淹沒系數(shù)s隨相對(duì)淹沒度H.的增大而減小,其具體 數(shù)值可查表確定.二、無坎寬頂堰流的水力計(jì)算經(jīng)過平底進(jìn)水閘、橋墩、無壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流,雖無底坎的阻 礙作用,但因受到平面上的束窄,水面也發(fā)生跌落,其流動(dòng)現(xiàn)象稱為無坎寬頂堰 流.無坎寬頂堰流本身是由側(cè)向收縮產(chǎn)生的,故不再單

16、獨(dú)考慮側(cè)收縮系數(shù),而是將側(cè)收縮的影響一并考慮在流量系數(shù)之內(nèi).表法確定.需要 均值,即注意的是多孔無坎寬頂堰流的流量孔和中孔的加權(quán)平m 皿1)ms式中,n為堰孔數(shù)目；mm為中孔的流量系數(shù),無坎寬頂堰流的淹沒判定條件及其淹沒系數(shù)確實(shí)定可近似地參照有坎寬 頂堰流確定.第六節(jié)閘孔出流的水力計(jì)算水利工程中的水閘,其閘底坎一般為寬頂堰或曲線型實(shí)用堰.根據(jù)閘前水深H、閘門開度e和下游水深ht的不同,閘孔出流就具有不同的水流形態(tài). 如果閘前水頭H不隨時(shí)間改變,當(dāng)閘門開度e一定時(shí),出流流速和流量不隨時(shí)間 改變,閘孔出流為恒定出流,否那么為非恒定出流.一、底坎為寬頂堰型的閘孔出流計(jì)算公式Q s be 2gHo式中, 流量系數(shù)s為淹沒系數(shù).相品用.3(一)、流量系數(shù)與垂直收縮系數(shù)1、寬頂堰上平板閘門(1)垂直收縮系數(shù) 2儒可夫斯基(H. E.)KyKOBCKH百)采用數(shù)理分析方法,求 e得了垂直收縮系數(shù)2隨H.變化的數(shù)值,查表確定.(2)流量系數(shù)南京水利科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式e0.60 0,176 He0.1 一 0.65此式適用范圍：H .2、寬頂堰上弧形閘門(1)垂直收縮系數(shù)22主要與閘門下緣切線與水平方向的夾角值有關(guān),查表確定.(2)流量系數(shù)流量系數(shù)可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)