第八章 堰流及闸孔出流
第八章 堰流及闸孔出流
第一节 概 述
水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。 一.堰流及闸孔出流的概念
既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。
水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。 水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。
二.堰流与闸孔出流的水流状态比较
堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。
对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸孔出流。堰流与闸孔出流
两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e
有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。
闸底坎为平顶堰 65.0≤H e 为闸孔出流，65
.0>H e 为堰流。
闸底坎为曲线堰 75.0≤H e 为闸孔出流，75
.0>H e
为堰
流。
式中，H 为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e 为闸门开度。
堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。
第二节 堰流的类型及水力计算公式
一、堰流的类型
常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力计算时，并不按堰的用途分类，而是按堰坎厚度δ与堰上水头H 的比值大小来划分堰流类型，即按堰的相对厚度对堰流进行分类。
（1）薄壁堰流：67
.0 δ 。此时越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水舌下缘与堰 顶只呈线的接触，水面为单一的降落曲线。由于薄壁堰常将堰顶做成锐缘，故薄壁堰也称为锐缘堰。 （2）实用堰流：5 .267.0<≤ H δ 。水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的约束和顶托， 但这种影响还不是很大，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下的自由跌落。 （3）宽顶堰流：10 5.2<≤ H δ 。此时堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显，进入堰顶的 水流受到堰顶垂直方向的约束，过水断面减小，流速增大，加之水流进入堰顶时存在局部水头损失，因此，在进口处形成了水面跌落。然后水面几乎与堰顶保持平行，当下游水位较低时，流出堰顶的水流又会产生第二次水面跌落。 当10 >H δ 时，沿程水头损失已不能忽略，此时的水流特性不再属于堰流，而应该按明渠 水流处理。对同一个堰而言，堰坎厚度δ是一定的，但堰上水头H 却是随水流状况变化的。 堰流的类型虽然有以上几种，但其水流的运动却有着共同的规律。比如，水流在趋近堰顶时，由于流线收缩，流速增大，溢流自由水面均有明显的降落；从作用力方面来讲，重力作用是主要的；从水流的流线变化情况来看，堰流都属于明渠急变流，离心惯性力的影响比较显著，有时还存在表面张力的影响；从能量方面讲，都是势能转换为动能，而且水流运动过程中以局部水头损失为主。既然如此，堰流问题就可以用同一个公式来描述。 二、 堰流的基本公式 堰流水力计算的基本公式 2 3012H g mb Q s εσ= 式中，流量系数) , , (ξφk f m =，所有这些影响堰流过流能力的因素除与堰上水头H 有 关外，还与堰高、堰顶边缘的进口形状等边界条件有关。因此，不同类型、不同高度的堰其流量系数m 是不尽相同的。 下游水位过高，以致影响了堰的过流能力，这时的堰流就称为淹没出流；反之，称为自由出流。其影响以淹没系数s σ 闸墩及边墩的存在会引起水流的侧向收缩，降低过流能力，这种堰称为有侧收缩堰；反之，称为无侧收缩堰，其影响以侧收缩系数1ε来反映。 若堰顶有n 孔闸门，上式中的堰顶宽度可表示为b n b '=，其中b '为单孔净宽。 上述堰流水力计算的基本公式对于过水断面为矩形断面的薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流都是适用的，只是堰流类型不同，其流量系数、侧收缩系数、淹没系数的确定方法与计算公式不同，这是值得特别关注的问题。 第三节 薄壁堰流的水力计算 薄壁堰流具有稳定的水头和流量关系，因此薄壁堰常用作实验室模型试验或野外量测流量的量水工具。工程实际中广泛采用的曲线型实用堰和隧洞进口曲线等也常根据薄壁堰流水舌下缘曲线来构制。常见的薄壁堰有矩形、三角形、梯形和抛物线形。 一、矩形薄壁堰 实验证明：当矩形薄壁堰流无侧收缩、自由出流时，水流最为稳定。 1、无侧收缩、自由出流时的流量系数可按下列公式计算 （1）巴赞公式（Bazin ，1898年） H m 0027 .0405.0+ = 或 ])(55.01)[0027.0405.0(210P H H H m +++ = 式中，H 、1P 以m 计。适用范围是24.1025.0≤≤H ，m 2≤b ，m 13.11≤P 。 （2）雷伯克公式（Th.Rehbock ，1929年） )08.0001.0605.0(3210P H H m ++= 式中，H 、1P 以m 计。适用范围是025.0≥H ，B b =，m 3.01≥P ，21≤P H 。 二、三角形薄壁堰 当量测流量较小（小于s /m 1.03 ）时，宜采用三角形薄壁堰。 90°三角形薄壁堰的流量公式为 5 .24.1H Q = 第四节 实用堰流的水力计算 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发 展而不断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为折线型实用堰。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶常做成适合水流特点的曲线形，称为曲线型实用堰。 一、曲线型实用堰的剖面组成及其设计 曲线型实用堰的剖面一般如图所示. 曲线型实用堰由上游直线段AB 、堰顶曲线段BC 、下游斜坡段CD 以及反弧段DE 这几部分组成。 上游直线段AB 可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取决于坝体的稳定要求。 堰顶曲线段BC 是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。 下游斜坡段CD 是连接堰顶曲线段BC 与下游反弧段DE 的公切线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取1:0.65～1:0.75。 反弧段DE 是连接直线段CD 与河床的圆弧，主要为使其连接光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其反弧半径应结合消能形式统一考虑。 二、WES 堰的水力计算 1、WES 堰的堰面曲线 WES 标准剖面：堰顶o 点下游的曲线按85 .1)(5.0d d H x H y =计算；堰顶o 点上游Bo 段采用三 段复合圆弧相接，这样可使堰顶曲线与堰上游面平滑连接，改善了堰面压强分布，减小了负 压。 2、流量系数 实验研究表明，曲线型实用堰的流量系数主要取决于d H P 1 、d H H 0以及上游面坡度α等，实用中WES 堰的流量系数可查图确定。 当33.11 ≥d H P 时，称为高堰，计算中行近流速水头可忽略不计，并且，当实际工作水头等于设计水头，即0 .10 =d H H 时，设计流量系数502.0=d m ，说明高堰的设计流量系数为常数。当实际工作水头不等于设计水头时，若0.10 .10 >d H H ，则d m m > 若33 .11 的减小而减小，此时流量系数m 不仅与d H H 0有关，还与d H P 1有关，即) ,(10d d d H P H H f m m =。 3 、侧收缩系数 侧收缩系数的经验公式为 nb H n k 0 01] )1([2.01ζζε-+-= 式中，k ζ为边墩形状系数，0ζ为闸墩形状系数，其数值可按不同形状分查图或表确定。 4、淹没系数 对一般高堰，当下游水位超过堰顶，并堰下发生淹没水跃时，称为淹没出流。此时过堰水流受下游水位顶托，将使堰的过流能力降低。实际计算时，一般用淹没系数反映下游水位 和堰后护坦高程对过流能力的影响。淹没系数决定于0H h s 及02 H P 。对WES 剖面堰，当15 .00 ≤H h s 及0.202 ≥H P 时，出流不受下游水位的影响，称为自由出流。 第五节 宽顶堰流的水力计算 工程实际中，宽顶堰流的水流现象是十分常见的。如进水闸，不论有坎还是无坎（平底），其水流均属于宽顶堰流；流经无压隧洞进口、涵管进口、桥孔、施工围堰的水流等也都属于宽顶堰流。 当堰顶水平且相对厚度10 5.2<< H δ 时，过堰水流会在进口处形成水面跌落，在堰顶范围 内产生一段流线近似平行堰顶的渐变流动，这种堰流就称为宽顶堰流。 一、有坎宽顶堰流的水力计算 1、流量系数 宽顶堰流的流量系数m 取决于堰的进口形式和堰的相对高度H P 1 ，具体可按下列经验公式计算。 （1）矩形有直角前沿进口的宽顶堰 H P H P m 1 175 .046.0301 .032.0+- += 上式适用范围： 301≤< H P ；当31>H P 时，取31 =H P ，此时，流量系数为常数，32.0=m 。 （2）矩形带圆角前沿进口的宽顶堰 H P H P m 1 1 5.12.1301 .036.0+- += 上式适用范围： 301≤< H P ；当31>H P 时，取31 =H P ，此时，流量系数为常数，36.0=m 。 由上两式可知，当3 1 ≥H P 时，流量系数m 为常数，直角进口，32.0=m ，圆角进口，36.0=m ，是最小值；当01=P 时，流量系数m 为最大值，385.0=m ；当3 01≤ 范围变化，直角进口385.0~32.0=m ，圆角进口385.0~36.0=m 。 根据理论推导，宽顶堰流的流量系数最大值不超过0.385。 2、侧收缩系数 影响侧收缩的主要因素是闸墩和边墩的头部形状、数目和闸墩在堰顶的相对位置及堰上水头等。侧收缩系数仍可按经验公式计算。 3、淹没系数 宽顶堰流淹没出流，整个堰顶水流都将变为缓流。因此，宽顶堰流的淹没条件是下游水 位超过堰顶的水深s h 大于堰顶自由出流时的收缩断面水深c h 相共轭的跃后水深c h ' '，即 c s h h ''>。对此淹没条件，目前用理论分析尚有困难，多采用试验资料来判别。根据试验，宽 顶堰流的淹没条件为0)85.0~75.0(H h s ≥，取平均值为08.0H h s ≥。其淹没系数s σ随相对淹没 度0H h s 的增大而减小，其具体数值可查表确定。 二、无坎宽顶堰流的水力计算 经过平底进水闸、桥墩、无压涵洞及廊道进口处的水流，虽无底坎的阻碍作用，但因受到平面上的束窄，水面也发生跌落，其流动现象称为无坎宽顶堰流。 无坎宽顶堰流本身是由侧向收缩产生的，故不再单独考虑侧收缩系数，而是将侧收缩的影响一并考虑在流量系数之内。无坎宽顶堰流的流量系数采用查表法确定。需要注意的是多孔无坎宽顶堰流的流量系数要取边孔和中孔的加权平均值，即 n m n m m s m +-= )1( 式中，n 为堰孔数目；m m 为中孔的流量系数，s m 为边孔的流量系数。 无坎宽顶堰流的淹没判定条件及其淹没系数的确定可近似地参照有坎宽顶堰流确定。 第六节 闸孔出流的水力计算 水利工程中的水闸，其闸底坎一般为宽顶堰或曲线型实用堰。根据闸前水深H 、闸门 开度e 和下游水深t h 的不同，闸孔出流就具有不同的水流形态。如果闸前水头H 不随时间改 变，当闸门开度e 一定时，出流流速和流量不随时间改变，闸孔出流为恒定出流，否则为非恒定出流。 一、 底坎为宽顶堰型的闸孔出流 计算公式 0 2gH be Q s μσ= 式中，μ流量系数s σ为淹没系数。 （一）、流量系数与垂直收缩系数 1、宽顶堰上平板闸门 （1）垂直收缩系数 2ε 儒可夫斯基（Н．Е．Жуковский）采用数理分析方法，求得了垂直收缩系数 2ε随0H e 变化的数值，查表确定。 （2）流量系数μ 南京水利科学研究所经验公式 H e 176 .060.0-=μ 此式适用范围：65.01.0<< H e 。 2、宽顶堰上弧形闸门 （1）垂直收缩系数2ε 2ε主要与闸门下缘切线与水平方向的夹角α值有关，查表确定。 （2）流量系数 流量系数可按下列经验公式计算。 南京水利科学研究所经验公式 当3.0~0cos =α时， αμcos )2.015.0(176 .060.0H e H e -+-= 当7.0~3.0cos =α时， αμcos )1(334.0136 .0545.0H e H e -+-= 上两式适用条件：5 .0~0=H e 。 （二）淹没系数 当下游水深大于闸后收缩水深相共轭的跃后水深时，即c t h h ' '>时，闸孔发生淹没出流。计算时采用将平底堰上闸孔自由出流泄流量计算公式中乘以淹没系数s σ的方法来解决此问 题。根据南京水利科学研究所的研究，淹没系数s σ与潜流比c c t h H h h ' '-''-有关，可由查图确定。 第七章 堰流和闸孔出流能力计算 一、选择题 1、作用水头相同时，孔口的过流量要比相同直径的管咀过流量 （1）大 （2）小 （3）相同 （4）无法确定 。 2、堰流的流量与堰顶水头的（ ）成正比。 （1）1/2次 （2）3/2次方 （3）2次方 （4）1次方 3、闸孔出流的流量与闸前水头（ ）成正比 （1）1次方 （2）2次方 （3）0.5次方 4、对WES 曲线型实用堰来说，当实际水头小于设计水头时，实用堰的实际过水能力（ ）设计过水能力。 （1）大于 （2）小于 （3）等于 （4）不一定 5、发生水跃是水流由 （1）缓流过渡到急流 （2）临界流过渡到急流 （3）急流过渡到急流 （4）急流过渡到缓流 6、当堰厚为δ，堰上水头为H ，那么0.67 2、何谓堰流，堰流的类型有哪些？如何判别？ 3、下图中的溢流坝只是作用水头不同，其它条件完全相同，试问：流量系数哪个大？哪个小？为什么？ 四、计算题 1、如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当闸门开 度e=1m 时，其泄流量Q = 24.33m /s ，闸孔宽b= 4m ，试求：堰上水头H 。 2、一曲线型实用堰，堰顶设有弧型闸门，如下图所示。已知堰顶宽度b=10m ，堰顶水头H=6m ，闸门开度e=2m ，不计行近流速，闸下游为自由出流。试求闸孔泄流量Q 。 （流量系数H e 19.0685.0-=μ） 3、有一三角形薄壁堰，堰口夹角090=θ，夹角顶高程来0.6m,溢流时上游水位为0.82m, 下游水位为0.4m ，求流量。 4、为了灌溉需要，在某河修建拦河溢流坝一座，如图所示。溢流坝采用堰顶上游为三圆弧段的WES 型 实用堰剖面。（单孔边墩为圆弧形）坝的设计洪水流量为540s m /3 ,相应上、下游设计 洪水位分别为50.7m 和48.1m 。坝址处河床高为38.5m ，坝前河道过水断面面积为5242m .根据灌溉水位要求，已确定坝顶高程为48.0m ，求：坝的溢流宽度B 。 第八章 堰流及闸孔出流 第一节 概 述 水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。 一.堰流及闸孔出流的概念 既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。 水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。 水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。 二.堰流与闸孔出流的水流状态比较 堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。 对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸 孔出流。堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e 有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。 闸底坎为平顶堰 65 .0≤H e 为闸孔出流， 65 .0>H e 为堰流。 闸底坎为曲线堰 75 .0≤H e 为闸孔出流， 75 .0>H e 为堰流。 式中，H为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e为闸门开度。 堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。 第二节堰流的类型及水力计算公式 一、堰流的类型 常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力计算时，并不按堰的用途分类，而是按堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小来划分堰流类型，即按堰的相对厚度对堰流进行分类。 （1）薄壁堰流： 67 .0 < H δ 。此时越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水 舌下缘与堰顶只呈线的接触，水面为单一的降落曲线。由于薄壁堰常将堰顶做成锐缘，故薄壁堰也称为锐缘堰。 （2）实用堰流： 5.2 67 .0< ≤ H δ 。水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的 约束和顶托，但这种影响还不是很大，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下的自由跌落。 （3）宽顶堰流： 10 5.2< ≤ H δ 。此时堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显， 进入堰顶的水流受到堰顶垂直方向的约束，过水断面减小，流速增大，加之水流进入堰顶时存在局部水头损失，因此，在进口处形成了水面跌落。然后水面几乎与堰顶保持平行，当下游水位较低时，流出堰顶的水流又会产生第二次水面跌落。 当 10 > H δ 时，沿程水头损失已不能忽略，此时的水流特性不再属于堰流， 而应该按明渠水流处理。对同一个堰而言，堰坎厚度δ是一定的，但堰上水头H 却是随水流状况变化的。 堰流的类型虽然有以上几种，但其水流的运动却有着共同的规律。比如，水流在趋近堰顶时，由于流线收缩，流速增大，溢流自由水面均有明显的降落；从作用力方面来讲，重力作用是主要的；从水流的流线变化情况来看，堰流都属于明渠急变流，离心惯性力的影响比较显著，有时还存在表面张力的影响；从能量方面讲，都是势能转换为动能，而且水流运动过程中以局部水头损失为主。既然如此，堰流问题就可以用同一个公式来描述。 第十章 明渠流和闸孔出流及堰流 10—1某梯形断面粉质粘土渠道中的均匀流动，如图所示。已知渠底宽度b =2.0m ，水深h 0=1.2m ，边坡系数m =1.0，渠道底坡度i =0.0008，粗糙系数n =0.025，试求渠中流量Q 和断面平均流速v ，并校核渠道是否会被冲刷或淤积. 解: A =222200(2 1.21 1.2m 3.84m )bh mh +=?+?= Q 1 22 3 53 i A n χ - = v = 3.46 m/s 0.90m/s 3.84 Q A == 校核:由表10-3查得粉质粘土最大允许流速为1m/s ，因h 0=1.2m>1.0m ，需乘以系数k =1.25，所以v m ax =1?1.25 m/s =1.25m/s ，最小允许流速v m in =0.4m/s ，满足v max >v >v min 条件。 10—2 设有半正方形和半圆形两种过流断面形状的渠道，具有相同的n =0.02，A =1.0m 2，i =0.001，试比较它们在均匀流时的流量Q 的大小。 解:设正方形渠道流量为Q 1，半圆形渠道流量为Q 2， Q 1 =152 21 3 31111 i AC A n χ-= 其中 A A A n n i i ====212121,,，2 12321 ()Q Q χχ= 由于 212A h = ，1h = 114h χ===又 22222π,π2r A r r χ===== 210.89χχ== ， 2232 193.0)89.0(Q Q Q == 10—3 某梯形断面渠道中的均匀流动，流量Q =20m 3/s ，渠道底宽b =5.0m ，水深h 0=2.5m ，边坡系数m =1.0，粗糙系数n =0.025，试求渠道底坡i 。 解：1522 233523 3 ()i Qn Q A i n A χχ--==由知 可保证正常的排水条件，且不必人工加固。 10—4为测定某梯形断面渠道的粗糙系数n 值，选取L =1500m 长的均匀流段进行测量。已知渠底宽度b =10m ，边坡系数m =1.5，水深h 0=3.0m 。两断面的水面高差z ?=0.3m ，流量Q =50m 3/s ，试计算n 值。 解：12f z z z h -=?=，0.30.00021500 f f h i J J L === == 由均匀流基本方程可得15 22 33i n A Q c -=，式中22 2(10 3.0 1.5 3.0)m 43.5m A =?? 第八章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流 1、当 H =2 m ，δ=0.6 m ，如图所示的的建筑物为实用堰。 ( ) 2、当水头及其它条件相同时，薄壁堰的流量大于实用堰的流量。 ( ) 3、只要下游 水位超过宽顶堰堰顶，一定是淹没出流。 ( ) 4、两个WES 型实用堰，堰高大于三倍水头，它们的设计水头不等，即d2d1H H ≠，但泄水时d11H H =，d22H H =，则它们的流量系数 m 1=m 2。 ( ) 5、无侧收缩与收缩的实用堰，当水头、堰型及其它条件相同时，后者通过的流量比前者大。 ( ) 6、锐缘平面闸门的垂向收综系数 'ε 随相对开度 H e 的增大而 ( ) (1) 增大 (2) 减小 (3) 不变 (4) 不定 7、当实用堰水头 H 大于设计水头 H d 时，其流量系数 m 与设计流量系数 m d 的关系是 ( ) (1) m =m d (2) m > m d (3) m < m d (4) 不能确定 8、平底渠道中弧形闸门的闸孔出流，其闸下收缩断面水深 h c0 小于下游水跃的跃前水深 h 1，则下游水跃的型式为 ( ) (1) 远离式水跃 (2) 临界式水跃 (3) 淹没式水跃 (4)无法判断 9、有两个 WES 型实用堰(高堰)，它们的设计水头分别为 H 1=H d1，H 2=H d2，则它们的流量系数 m 1 与 m 2 之间的关系为 ( ) (1) m 1 > m 2 (2) m 1 < m 2 (3) m 1=m 2 (4)无法确定 10、WES 型实用堰 (高堰)，当水头等于设计水头 H d 时，其流量系数 m 等于 ( ) (1) 0.385 (2) 0.49 (3) 0.502 (4) 0.65 11、闸孔自由出流的流量公式为 ( ) (1) 2 30 v 2H g mnb q ε= (2) 2 3 v 2H g mnb q σε= (3) )(20v e H g nbe q εμ'-= (4) )(20v e H g mnbe q ε'-= 12、宽顶堰的总水头 H 0=2 m ，下游水位超过堰高度 h a =1.0 m ，此种堰流为_______________出流。 13、图示 4 种管嘴出流中，出口流速最大的是________，流量系数最大的是_______。 14、影响宽顶堰流量系数 m 值的主要因素为_________________________和________________________。 15、当堰的溢流宽度与上游渠道宽度相等时，称为_______________的堰流，当堰的溢流宽度小于上游渠道宽度时，称为________________的堰流。 16、对于宽顶堰式闸孔出流，当下游水深 t < h c02时，发生________________水跃；当 t > h c02 时，发生____ ___________水跃；当 t =h c02 时，发生_________________水跃。 17、闸孔出流和堰流的水流特征的不同点是 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 18、在下图中绘出宽顶堰淹没出流时的水面曲线示意图。 19、薄壁堰的水流阻力小于实用堰的水流阻力，为何其流量系数却小于后者？ 20、某溢流坝，共 4 孔，每孔宽度 b =8 m ，各部分高程如图所示。上游设计水位为 210.0 m ，下游水位为 168.0 m 。当闸门开启高度 e =5 m 时，求通过溢流坝的流量。 ( 968.18m 3/s ) 21、某宽顶堰式水闸闸门全部开启时，上游水位为 0.6 m ，闸底坂高程为 0.4 m ，河底高程为 0，下游水位为 0.5 m ，流量系数 m =0.35。不计侧收缩影响。求水闸的单宽流量 q 。 ( 0.141m 3/sm ) 22、某水库的溢洪道断面为 WES 实用剖面。溢洪道共五孔，每孔净宽 b =10 m 。堰顶高程为 343 m 。上游水位 为 358.7 m ，下游水位为 303.1 m 。流量系数 m =0.45，侧收缩系数 95.0=ε。忽略行近流速 v 0。求通过溢洪道 的流量 q v 。 ( 5886.9m 3/s ) 23、在宽度 B =1 m 的矩形明渠中，前后各装设一矩形薄壁堰(堰高 a 1=1 m)和三角形薄壁堰(堰高 a 2=0.5 m)，如图所示。水流为恒定流时，测得矩形薄壁堰前水头 H 1=0.13 m ，下游水深 t =0.4 m 。试求：(1)通过明渠的流量 q v ；(2) 三角堰前水头 H 2。 ( 0.0861m 3/s; 0.328m ) 24、有一溢流堰，堰顶厚度 δ=2 m ，堰上水头 H =2 m ，下游水位在堰顶以下，如图所示。如上、下游水位及堰高、堰宽均不变、堰宽均不变，当 δ 分别增大至 4 m 及 8 m 时，堰的过水能力有无变化？为什么？ 25、在堰上水头 H 相同的条件下，为何实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数？ 26、图示的三个溢流坝，作用水头不同，而其其它条件完全相同，试比较其流系数 m 的大小，并说明理由。 27、简述堰流淹没和水跃淹没的概念，并说明堰流淹没系数σ 和水跃淹没系数σ'的物理意义。 28、某矩形断面渠道中，设一弧形闸门，如图所示。已知闸前水深 H =14 m ，闸门开度 e =1 m ，闸孔净宽与渠道宽度 b 相等，且 b =3 m ，闸孔垂向收缩系数='ε0.72。流量系数=μ0.732。通过设计流量时，渠中正常水深h 0=3 m 。不计闸前行近流速。要求：(1)计算闸孔的流量 q v ；(2)判别闸下游水流衔接形式；(3)定性绘出闸上、下的水面曲线，并标明曲线类型。 ( 36.38m 3/s; ) 10第十章明渠流和闸孔出流及堰流 第十章 明渠流和闸孔出流及堰流 10—1某梯形断面粉质粘土渠道中的均匀流动，如图所示。已知渠底宽度b =2.0m ，水深h 0=1.2m ，边坡系数m =1.0，渠道底坡度i =0.0008，粗糙系数n =0.025，试求渠中流量Q 和断面平均流速v ，并校核渠道是否会被冲刷或淤积. 解: A =22 2 2 (2 1.21 1.2m 3.84m )bh mh +=?+?= 22 21(22 1.211m 5.39m )o b h m χ=++=+?+= Q =AC 1 223 53 i Ri A n χ - = 1 5 2 2 33330.0008 3.84 5.39m /s 3.46m /s 0.025- = ??= v = 3.46m/s 0.90m/s 3.84 Q A == 校核:由表10-3查得粉质粘土最大允许流速为1m/s ，因h 0=1.2m>1.0m ，需乘以系数k =1.25，所以v m ax =1?1.25 m/s =1.25m/s ，最小允许流速v m in =0.4m/s ，满足v max >v >v min 条件。 10—2 设有半正方形和半圆形两种过流断面形状的渠道，具有相同的n =0.02，A =1.0m 2，i =0.001，试比较它们在均匀流时的流量Q 的大小。 解:设正方形渠道流量为Q 1，半圆形渠道流量为Q 2， Q 1 =152 21 3 3 11 1111 i AC R i A n χ-= 1 52 2 233 2222 2 i Q A C A n χ- == 其中A A A n n i i= = = = 2 1 2 1 2 1 , ,，2 123 21 () Q Q χ χ = 由于2 1 2 A h = ，1h= 11 4h χ=== 又 2 2 222 π ,π 2 r A r r χ ===== 2 1 0.89 χ χ ==，2 2 3 2 1 93 .0 ) 89 .0(Q Q Q= = 1 1 5252 2 233 13333 11 1 0.001 1m/s0.8m/s 0.02 i Q A n χ-- ==??= 33 2 0.8 m/s0.86m/s 0.93 Q== 10—3 某梯形断面渠道中的均匀流动，流量Q=20m3/s，渠道底宽b=5.0m，水深h0=2.5m，边坡系数m=1.0，粗糙系数n=0.025，试求渠道底坡i。 解：152 2 2 33 52 33 () i Qn Q A i n A χ χ - - == 由知 2222 00 (5 2.51 2.5)m18.75m A bh mh =+=?+?= 2(5212.07m b h χ=+=+?= 2 52 33 200.025 ()0.0004 18.7512.07 i - ? == ? 0.00030.01 i<< 可保证正常的排水条件，且不必人工加固。 10—4为测定某梯形断面渠道的粗糙系数n 值，选取L=1500m长的均匀流段进行测量。已知渠底宽度b=10m，边坡系数m=1.5，水深h0=3.0m。两断面的水面高差z?=0.3m，流量Q=50m3/s，试计算n值。 水力学（堰流及闸孔出流）-试卷1 (总分：94.00，做题时间：90分钟) 一、单项选择题(总题数：6，分数：12.00) 1.单项选择题下列各题的备选答案中，只有一个是符合题意的。（分数： 2.00） __________________________________________________________________________________________ 解析： 2.两个WES型实用堰，都属于高堰，它们的设计水头H d1＞H d2，但堰顶水头H 1 =H d1，H 2 =H d2，两者的流量系数关系是_____。 ( ) （分数：2.00） A.m 1 =m 2√ B.m 1＞m 2 C.m 1＜m 2 D.不能确定 解析： 3.锐缘平面闸门的垂向收综系数ε’随相对开度e／H的增大而_______。 ( ) （分数：2.00） A.增大√ B.减小 C.不变 D.不能确定 解析： 4.当实用堰堰顶水头大于设计水头时，其流量系数m与设计水头的流量系数m d的关系是____。 ( ) （分数：2.00） A.m=m d B.m＞m d√ C.m＜m d D.不能确定 解析： 5.平底渠道中弧形闸门的闸孔出流，其闸下收缩断面水深h c小于下游水深对应的水跃跃前水深，则下游水跃的型式为_______。 ( ) （分数：2.00） A.远离式水跃√ B.临界式水跃 C.淹没式水跃 D.无法判断 解析： 6.当水头等于设计水头H d时，WES型实用堰(高堰)的流量系数m等于______。 ( ) （分数：2.00） A.0．385 B.0．36 C.0．502 √ D.0．32 解析： 二、填空题(总题数：6，分数：12.00) 7.填空题请完成下列各题，在各题的空处填入恰当的答案。（分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 堰流及闸孔出流 第一节 概述 水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。 一.堰流及闸孔出流的概念 既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。 水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。 水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。 二.堰流与闸孔出流的水流状态比较 堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。 对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸 孔出流。堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e 有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。 闸底坎为平顶堰65.0≤H e 为闸孔出流，65.0>H e 为堰流。 闸底坎为曲线堰75.0≤H e 为闸孔出流，75.0>H e 为堰流。 式中，H 为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e 为闸门开度。 堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。 第二节堰流的类型及水力计算公式 一、堰流的类型 常见的有薄壁堰、曲线型实用堰、折线型实用堰、宽顶堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力计算时，并不按堰的用途分类，而是按堰坎厚度δ与堰上水头H 的比值大小来划分堰流类型，即按堰的相对厚度对堰流进行分类。 第九章 堰流与闸孔出流 9.1堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？ 答：堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。 薄壁堰流的特点：当水流趋向堰壁时，堰顶下泄的水流形如舌状，不受堰顶厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线。 实用堰流的特点：由于堰顶加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。 宽顶堰流的特点：堰顶厚度对水流的顶托作用已经非常明显。进入堰顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过流断面逐渐减小，流速增大，在进口处形成水面跌落。此后，由于堰顶对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行。 9.2堰流计算的基本公式及适用条件？影响流量系数的主要因素有哪些？ 答：堰流计算的基本公式为23 s H g 2mb Q εσ=，适用于矩形薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流。影响流量系数m 的主要因素有局部水头损失、堰顶水流垂向收缩的程度、堰顶断面的平均测压管水头与堰上总水头之间的比例关系。 9.3 用矩形薄壁堰测量过堰流量，如何保证较高的测量精度？ 答：（1）上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶； （2）堰顶水头不宜过小，一般应使H>2.5m ，否则溢流水舌受表面张力作用，使得出流不稳定； （3）水舌下面的空气应与大气相通，否则溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，会导致出流不稳。 9.4 基本的衔接与消能措施有哪几种？各自的特点是什么？ 答：基本的衔接与消能措施有底流消能，挑流消能，面流消能。 底流消能：底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃的发生位置，通过水跃产生的表面旋滚的强烈紊动以达到消能的目的。 挑流消能：在泄水建筑物末端设置挑流坎，因势利导将水股挑射入空气中，使水流扩散并与空气摩擦，消耗部分动能，然后当水股落入水中时，又在下游水垫中冲击、扩散，进一步消耗能量。 面流消能：当下游水深较大而且比较稳定时，可将下泄的高速水流导向下游水流的表层，主 第八章 堰流及闸孔出流 堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部自由下泄。 闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。 堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。 堰流和闸孔出流的共同点：A 都是在重力作用下形成的水流运动，都是势能转化为动能的过程；B 流线急剧弯曲，离心惯性力对压强分布及过水能力有一定影响，都是急变流，局部水头损失占主导地位。 堰流和闸孔出流的转化： 闸底坎为平顶堰时： 65.0≤H e 时为闸孔出流； 65.0>H e 时为堰流。 闸底坎为曲线型堰时： 75.0≤H e 时为闸孔出流；75.0>H e 时为堰流。 式中，e 为闸孔开度；H 为从堰顶算起的闸前水深。 8-1 堰流的类型及计算公式 一、堰流的类型 定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。堰前断面距上游壁面的距离：H l )5~3(= 1．薄壁堰流： 67.0堰流和闸孔出流能力计算
闸孔出流计算
第十章明渠流和闸孔出流及堰流
孔口(管嘴)出流、堰顶溢流和闸孔出流_水力学
10第十章明渠流和闸孔出流及堰流
水力学(堰流及闸孔出流)-试卷1
堰流及闸孔出流
第九章堰流与闸孔出流
堰流及闸孔出流