第九章 堰流与闸孔出流
第九章 堰流与闸孔出流
工程中常修建水闸或溢流坝等建筑物以控制渠道水位及流量。当这类建筑物顶部闸门部分开启，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时，这种水流状态叫做闸孔出流，如图9-1a 。当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流，如图9-1b 。
(a) (b)
图9-1堰流与闸孔出流
堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。出流过程是一种势能转化为动能的过程，另外，水流在较短距离内流线发生急剧弯曲，都属于明渠急变流，其出流过程的能量损失主要是局部损失。
堰流和闸孔出流都有自由出流和淹没出流之分。当泄流量不受下游水位影响时为自由出流，反之，则为淹没出流。
§9.1 堰流的类型及计算公式
9.1.1堰流的类型
水利工程中，常根据不同的建筑条件及使用要求，将堰做成不同的类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料砌成厚度较大的曲线型或折线型；而实验室内使用的量水堰，一般用钢板或木板做成很薄的堰壁。
如图9-2所示，水流接近堰顶时，由于流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降。通常，把堰前水面无明显下降的0-0断面称为堰前断面；该断面堰顶以上的水深叫做堰顶水头，用H 表示；堰前断面的流速称为行近流速v 0。根据实测数据，堰前断面距上游堰面的距离为l =(3~5)H 。
流过堰顶的水流形态随堰顶厚度δ与堰上水头H 的比值不同而变化，按照δ/H 比值范围，将堰流分作薄壁堰流、实用堰流、宽顶堰流三种类型。
1．薄壁堰流
67.0H
<δ
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，这种堰称为薄壁堰。水舌下缘与堰顶只有线接触，水面呈单一的降落曲线，如图9-2a 、b 。
2．实用堰流 5.2H
67.0<δ
<
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。但这种影响还不大，越过堰顶的水流主要还是在重力作用下自由跌落。为了减小水流的阻力，某些大型的溢流坝的剖面形状常做成曲线型，使堰面形状尽量与水舌相吻合，称为曲线型实用堰,如图9-2c 。某些小型的水利工程，为了施工方便，常采用折线型实用堰如图9-2d 。
3．宽顶堰流 10H
5.2<δ
<
如图9-2e ，在此条件下，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，由于动能增加，势能必然减小，再加上水流进入堰顶时产生的局部能量损失，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。当10H
>δ
以后，堰顶的沿程损失已经不能略去，需按明渠水流考虑。
(a) (b)
(c) (d)
(e)
图9-2 堰流的类型
9.1.2堰流的计算公式
堰流的计算公式是指矩形薄壁堰、实用堰和宽顶堰均适用的流量公式。以矩形薄壁堰为
例推导，见图9-2a 。列出0-0、1-1断面的伯努利方程，其中0-0断面为渐变流，1-1断面由于流线弯曲水流属于急变流，该断面上的测压管水头不为常数，所以用g
p
z ρ+表示1-1断面上测压管水头的平均值。可得
g
2v g 2v g p z g 2v H 2121
1200ζ
+α+ρ+=α+ 式中，v 0为行近流速，v 1为1-1断面的平均流速，α0、α1为0-0、1-1断面的动能修正系数，ζ为局部水头损失系数。
令0200H g 2v H =α+，称为堰上总水头；0H g
p z ξ=ρ+，ξ为修正系数，则上式可写成
g
2v )(H H 2
1
100ζ+α=ξ-
得到
)H H (g 21v 0011ξ-ζ
+α=
由于堰顶过流断面为矩形，设其宽度为b ，1-1断面的水舌厚度用kH 0表示，k 为与水舌垂向收缩情况有关的系数，则1-1断面的过水面积为kH 0b ，通过的流量为
)1(gH 21b
kH bv kH Q 01010ξ-ζ
+α==
230
H g 2b 1k ξ-?=
式中，ζ
+α=
?11称为流速系数。
令m 1k =ξ-?称为堰的流量系数，则
230
H g 2mb Q = (9-1) 上式就是堰流计算的基本公式。可以看出，过堰的流量与堰上总水头H 0的3/2次方成正比，即Q ∝H 03/2。影响流量系数m 的主要因素是?、k 、ξ，即),k ,(f m ξ?=。其中，?主要是反映了局部水头损失的影响；k 是反映了堰顶水流垂向收缩的程度；ξ表示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。这些因素与堰顶水头及堰的边界条件有关，例如，上游堰高P 1以及堰顶进口边缘的形状等。因此，不同类型、不同高度的堰，其流量系数各不相同。
在实际应用中，淹没出流的过水能力低于自由出流；有的堰其堰顶的过流宽度小于上游渠道宽度或是堰顶设有边墩及闸墩，都会引起水流的侧向收缩，降低过水能力。而(9-1)式没
有包含淹没及侧收缩对过水能力的影响，这些影响，将在下面分别讨论每种堰流的水力计算时予以考虑。
§9.2 薄壁堰流的水力计算
薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，常作为水力模型试验或野外测量的一种有效的量水工具。常用的薄壁堰的堰口形状有矩形和三角形两种。
9.2.1矩形薄壁堰流
矩形薄壁堰流如图9-2a 所示，无侧收缩、自由出流的矩形薄壁堰的流量按(9-1)式计算。这种情况下，水流最稳定，测量精度较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上游渠宽与堰宽相同，下游水位低于堰顶。此外，为了保证自由出流，还应该满足以下条件：
1．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；
2．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，也会导致出流不稳。
为了能以实测的堰顶水头直接求得流量，将行近流速水头g
2v 20
0α的影响计入流量系数
内，则基本公式改写为
2
30H g 2b m Q = (9-2)
式中，2320
00)gH
2v 1(m m α+=。一般而言，m 0可由下列经验公式计算，
H 0007
.0P H 053
.0403.0m 10+
+= (9-3) 式中，P 1为上游堰高。上式适用于m 025.0H ≥，
2P H
1
≤及m 3P 1≥条件下。 9.2.2三角形薄壁堰流
当所需测量的流量小时，若采用矩形薄壁堰则堰顶水头很小，量测误差增大。一般可改用三角形薄壁堰。
设三角形堰的夹角为θ，堰顶水头为H ，上游堰高为P 1，如图9-3。将微小宽度db 的溢流看作矩形薄壁堰流，则微小流量的表达式为
db h g 2m dQ 2
30=
式中，h 为db 处的水头。由几何关系2
tan )h H (b θ
-=， 图9-3 三角形薄壁堰 得到dh 2
tan
db θ
-=，代入上式，
dh h g 22
tan m dQ 23
0θ
-=
三角形堰流的流量为
25
00H 23
0H g 22
tan m 54dh h g 22tan m dQ Q θ
=θ-==??
当o
90=θ，H=0.05~0.25时，由实验得到m 0=0.395，所以
2
5H 4.1Q = (9-4)
当o
90=θ，H=0.25~0.55时，另有经验公式
47.2H 343.1Q = (9-5)
§9.3 实用堰流的水力计算
实用堰是水利工程中最常见的堰型，其剖面形式大体可分成曲线型和折线型两大类。实用堰的流量计算公式仍然采用（9-1）式。但在实际工程中，实用堰常被闸墩及边墩分隔成为数个等宽的堰孔，如图9-4。此时，（9-1）式中'
nb b =，这里'
b 为单个堰孔的净宽，n 为堰孔数。当仅有边墩而无闸墩存在时，'
b b =。
图9-4 实用堰的横断面
由于边墩或闸墩的存在，水流流经堰孔时发生侧向收缩，减小了溢流宽度，并增加了局部水头损失，使得流经堰的流量相比于无侧收缩时下降。一般在（9-1）式的右端乘以一个小于1的系数ε1来表示侧收缩对流量的影响，ε1称为侧收缩系数。
实用堰在应用时还可能出现下游水位过高或下游堰高较小，形成淹没出流，导致过水能力下降。也可以在（9-1）式的右端乘以一个小于1的系数ζs 来表示淹没对泄流量的影响，ζs 称为淹没系数。
这样，实用堰流的计算公式为 230
'
s 1H g 2mnb Q σε= (9-6) 当无侧收缩（11=ε）和自由出流（1s =σ）时，(9-6)式变为了(9-1)式。
9.3.1曲线型实用堰 1．剖面形状
曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当符合这些特点：过水能力大，堰面不出现过大的负压以及经济、稳定。
一般情况下，曲线型实用堰剖面由四部分组成，如图9-5：上游的直线段AB ；堰顶曲线段BC ；坡度为αm 的下游直线段CD ；用以
和下游河底联接的反弧段DE 。上游直线段AB 通常作成垂直的，有时也会作成倾斜的。AB 和CD 的坡度根据坝体的稳定和强度来确定，一般直线CD 的坡度取1:0.65~1:0.75。反弧段DE 使得直线CD 与下游河底平滑连接，避免水流直冲河床。
要注意的是堰顶曲线BC 对水流特性的影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形状的关键。国内外有很多设计堰剖面形状的方法，主要的区别就在于如何确定曲线段BC 。如果曲线BC 与
同样条件下薄壁堰自由出流的水舌下缘相吻合， 图9-5 曲线型实用堰的剖面 水流将紧贴堰面下泄，水舌基本不受堰面形状的影响，堰面压力等于大气压，这种情况最为理想，如图9-6a 。如果堰面曲线“插入”水舌，则堰面将顶托水流，堰面压力大于大气压；堰前总水头中的一部分势能将转换为压能，使得转换为水舌动能的有效水头减小，过水能力会降低，如图9-6b 。反之，如果堰面低于水舌下缘，溢流水舌将脱离堰顶表面，如图9-6c ，脱离部分的空气被水流带走形成真空，堰面形成负压；堰顶附近负压的存在，增大了过水能力，但是真空现象是不稳定的，堰面上产生正、负交替的压力会形成空蚀破坏。
(a) (b) (c)
图9-6 堰顶曲线对水流特性的影响
近年来，我国有很多溢流坝都采用的美国陆军工程兵团水道试验站的标准剖面，即WES 剖面，如图9-7。该剖面具有便于施工控制、节省工程量、堰面压力分布理想等特点。图中，剖面堰顶O 点下游曲线的公式为
85
.1d d H x 5.0H
y
???
?
??=???? ?? （9-7）
式中，H d 为不包括行近流速水头的剖面设计水头，简称设计水头。
堰顶O 点上游曲线采用三段圆弧连接，其对应的半
径及坐标值如图所示。另外WES 剖面还有两圆弧段的形状。
2．流量系数
曲线型实用堰的流量系数主要取决于上游堰高与设计水头的比值
d
1
H P 、堰上总水头与设计水头的比值
d
H H 、堰上游面的坡度。对堰上游面垂直的WES 剖面分析如下：
图9-7 WES 剖面 如果
33.1H P d
1
≥，称为高堰，在计算中可不计行近流速水头。在高堰条件下，当实际的工
作总水头等于设计水头，即
1H H d
=时，对应的流量系数称为设计流量系数m d ，m d =0.502；当
1H H d 0<时，m d 0>时，m>m d 。图9-8中曲线(a)给出了高堰的流量系数m 与 d H H 的关系。 如果 33.1H P d 1 <，行近流速加大，流量系数m 随着 d 1 H P 的减小而减小。图中曲线(b)、(c)、(d)、(e)给出了不同 d 1 H P 的堰的流量系数m 图9-8 曲线型实用堰的流量系数 与 d H H 的关系。 3．侧收缩系数 侧收缩系数ε1与闸墩与边墩的平面形状、堰孔的数目、堰孔的尺寸及总水头H 0等有关，常用的经验公式为 ' k 01nb H ] )1n [(2.01ζ+ζ--=ε (9-8) 式中，n 为堰孔数，ζ0为闸墩形状系数，ζk 为边墩形状系数。ζ0和ζ k 的值各按闸墩和 边墩头部的平面形状由表9-1、9-2查得。 表9-1 闸墩形状系数0ξ值 表9-2 边墩形状系数k ξ值 4．淹没系数 当下游水位高过堰顶至某一范围（对WES 剖面，h s /H 0>0.15，h s 为从堰顶算起的下游水深）时，堰下游形成淹没水跃，邻近堰顶的下游水位高于堰顶，过堰水流受到下游水位的顶托，降低了过水能力，形成淹没出流，见图9-9。 图9-9 淹没出流 实验表明，淹没系数ζs与下游堰高的相对值P2/H0和反映淹没程度的h s/H0值有关，可直接查图9-10找到WES剖面的淹没系数ζs。另外，从图中可以看出，当h s/H0≤0.15及P2/H0 ≥2时，ζs=1，为自由出流。 图9-10 WES剖面实用堰的淹没系数ζs 9.3.2折线型实用堰 小型水利工程为了取材和施工方便，常采用折线型剖面，如图9-2d。其流量系数与堰 顶相对厚度δ/H 、上游相对堰高P 1/H 及下游坡度有关，具体数值可参照表9-3。当堰角修圆后，其流量系数可将表中的数值增加5%左右。折线型实用堰的侧收缩系数和淹没系数可近似按曲线型实用堰计算。 表9-3 折线型实用堰的流量系数 例9-1 某溢流坝是按WES 剖面设计的曲线型实用堰。堰宽b=43m ，堰孔数n=1（无闸墩），边墩头部为半圆形，堰高P 1与P 2均为12m ，下游水深h t 为7m ，设计水头H d 为3.11m 。试求堰顶水头H=4m 时通过溢流坝的流量。 解：P 1/H d =3.86>1.33，可以不计行近流速，即H 0≈H 。 流量按（9-6）式计算 23 ' s 1H g 2mnb Q σε= 据题意，因无闸墩，ζ0=0；边墩头部为半圆形，由表9-2找到ζk =0.7，代入(9-8)式， 99.04311 .37.02.01nb H ] )1n [(2.01' 0k 01=??-=ζ+ζ--=ε 因为h t 33.186.311 .312 H P d 1>==，对应的设计流量系数502.0m d =；当实际水头H=4m ， 286.111 .34 H H d 0==时，由图9-8查得024.1m m d =，所以流量系数514.0024.1502.0m =?= 将以上参数代入流量计算公式 s /m 9.77446.19431514.0199.0Q 32 3=??????= §9.4 宽顶堰流的水力计算 9.4.1宽顶堰的堰顶水深 宽顶堰在自由出流情况下，水流在进口附近有 收缩现象，如图9-11中收缩断面c-c 。水位在收缩断面以后略有回升，并在堰顶上形成近似水平的流段。 关于宽顶堰自由出流时的堰顶水深，可用巴赫米切夫（Ъахметев）理论分析。巴赫米切夫最小理论假设：万物在重力场作用下，总要跌落到能量最小 图9-11 宽顶堰流 的地方。堰流也一样，在堰顶具有最小能量。当堰顶 为水平时，单位机械能就是断面单位能量，最小单位能量时的水深就是临界水深h c ，换句话说，堰上水深等于临界水深h c 。 列断面1-1、c-c 的伯努利方程 g 2v g 2v h g 2v H 2c 2c c c 200ζ+α+=α+ (9-9) 令流速系数ζ +α= ?c 1，设1c =α，则局部水头损失系数11 2-? = ζ。又有临界水深与临界流速的关系为g 2v 2h 2c c =。将ζ和h c 的关系式代入(9-9)式，得 c 2c c 2000h 2 111h 21 h g 2v H H ???? ??-?++=α+= 整理后得到堰顶水深 02 2 c H 212h h ? +?== (9-10) 如不计阻力，1=?，则0c H 3 2 h h ==；如考虑了水流阻力，则1 0H 3 2 。 9.4.2流量系数和侧收缩系数 1．流量系数 宽顶堰流的流量计算仍然采用（9-6）式，其流量系数m 决定于堰顶的进口形式和上游堰高的相对值P 1/H ，可用下列的经验公式计算。 直角形进口，如图9-12a H P 75 .046.0H P 301 .032.0m 11+- += （9-11） 适用于0≤P 1/H ≤3，当P 1/H>3时，m 可视为常数，m=0.32。 图9-12a 直角形进口 圆弧形进口，如图9-12b H P 5.12.1H P 301 .036.0m 1 1+- += （9-12） 适用于0≤P 1/H ≤3，当P 1/H>3时，m 可视为常数，m=0.36。 图9-12b 圆弧形进口 上游堰面倾斜时，流量系数值可根据P 1/H 及上游堰面倾角θ，由表9-4查得。 表9-4 上游面倾斜的宽顶堰的流量系数m 值 宽顶堰的流量系数在0.32~0.385之间变化，当P 1/H=0时，由（9-11）、(9-12)式及上表得到的m 值均为0.385，即为宽顶堰的最大流量系数值。 2．侧收缩系数 反映闸墩及边墩对宽顶堰流影响的侧收缩系数ε1用下面的经验公式 )B b 1(B b H P 2.014 3 101-?+ α- =ε (9-13) 式中，α 为考虑墩头及堰顶入口形状的系数。当墩头为矩形，堰顶为直角入口边缘时， 19.00=α；当墩头为圆弧形，堰顶入口边缘为直角或圆弧形时，10.00=α。B 为上游渠 道宽度；b 为溢流孔净宽。 上式的应用条件为：b/B>0.2，P 1/H<3。当b/B<0.2时，应采用b/B=0.2；当P 1/H>3时， 应采用P 1/H=3。 对于单孔宽顶堰（即无闸墩），（9-13）式中的b 用两边墩间的宽度；B 采用的是堰上游的水面宽度。 对于多孔宽顶堰（有闸墩和边墩），侧收缩系数ε1应取边孔及中孔的加权平均值： n )1n (" 1 '11ε+ε-=ε （9-14） 式中，n 为孔数；' 1ε为中孔侧收缩系数，按（9-13）式计算，可取：'b b =，' b 为单孔净宽；d b B '+=，d 为闸墩厚；"1ε为边孔侧收缩系数，按（9-13）式计算，可取：'b b =，'b 为 边孔净宽；?+=2b B ' ，Δ为边墩厚。 9.4.3淹没系数 当下游水位较低，宽顶堰为自由出流时，进入堰顶的水流在进口附近水面跌落，并形成收缩断面，收缩断面水深h c0略小于h c ，而形成急流，如图9-13a 。收缩断面以后，如果宽顶堰厚度足够长，堰顶水面将近似水平，堰顶水深c h h ≈。随着下游水位的上升，当h s 略大于h c 时，如图9-13b ，堰顶出现波状水跃，波状水跃在收缩断面之后的水深略大于h c ，但收缩断面仍为急流，下游水位不会影响堰的泄流量，仍为自由出流。水跃位置随着下游水位的升高而向上游移动。 当水跃移动到一定位置后，收缩断面被淹没，整个堰顶变为了缓流，形成了淹没出流，如图9-13c 。淹没出流时c s h h >，而由（9-10）式，00c H 67.0H 3 2 h =≈，所以，相对比值 67.0H h H h 0 c 0s ?>才有可能淹没。据实验，宽顶堰的淹没条件为： 0s H 8.0h > （9-15） (a) (b) (c) 图9-13 淹没出流 宽顶堰的淹没系数ζs 随相对淹没度h s /H 0的增大而减小，下表为实验得到的淹没系数值。 例9-2 拟在某拦河坝上游设置一灌溉进水闸，如图9-14。已知，进闸流量Q 为41m /s ，引水角θ=45°，闸下游渠道中水深5.2h t m ，闸前水头H=2m ，闸孔数n=3，边墩进口处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚d=1m ，边墩厚Δ=0.8m ，闸底坎进口为圆弧形，坎长δ=6m ，上游坎高P 1=7m ，下游坎高P 2=0.7m ，拦河坝前河中流速v 0=1.6m/s 。求所需的堰孔的净宽。 图9-14 例9-2 解： 32 6 H ==δ，应为10H /5.2<δ<，故闸孔全开时为宽顶堰流，流量计算公式为 23 ' s 1H g 2mnb Q σε= 现分别计算式中的各项： 1． 闸前总水头H 0 由于行近流速的方向与进水闸轴线夹角θ=45°，所以 m 1.245cos 6 .196.112cos g 2v H H o 2 2000=?+=θα+= 2． 流量系数m 当 5.32 7 H P 1==时，堰顶入口为圆弧形时，流量系数m=0.36 3．淹没系数ζ s 由于m 8.17.05.2P h h 2t s =-=-=，m 68.11.28.0H 8.00=?=，则0s H 8.0h >，为淹没出流。根据 857.01 .28.1H h 0s ==，从表9-5查得953.0s =σ 4．侧收缩系数1ε 中孔侧收缩系数 )1 b b 1(1b b 272.01 .01)d b b 1(d b b H P 2.01'' 4 ''3''4''31 ' 1 +-++- =+-+?+α-=ε 边孔侧收缩系数 )8.02b b 1(8.02b b 272.01 .01'' 4''3"1 ?+-?+?+-=ε 因为' b 未知，需用试算法。设9nb '=m ，则33 9 b ' == m ，代入上面两式中，算出985.0'1=ε，980.0" 1=ε，从而得到侧收缩系数 983.03 98.0985.0)13(1=+?-= ε 将上述各量代入流量计算公式，得到 s /m 411.26.193336.0953.0983.0Q 32 3=??????= 计算出的流量恰好与已知流量相等，那么所假设的n ' b 即为所求，故所需的堰孔净宽 m 9b =，分三孔，每孔净宽m 3b '=。 §9.5 闸孔出流的水力计算 实际水利工程中的闸门一般是建在宽顶堰或实用堰上的，闸门形式主要有平面和弧形两种。当闸门部分开启，出闸水流受到闸门控制时就形成了闸孔出流。图9-15为宽顶堰上闸孔出流，图a 为平面闸门，图b 为弧形闸门。上游水位到坎顶的铅直距离称为闸前水头，用H 表示。闸门底缘到坎顶的铅直距离称为闸门的开启度，或开度，用e 表示。 (a) (b) 图9-15 宽顶堰上闸孔出流 根据实验，宽顶堰和实用堰上形成堰流或闸孔出流的界限大致为： 宽顶堰：e/H ≥0.65为堰流；e/H <0.65为闸孔出流 实用堰：e/H ≥0.75为堰流；e/H <0.75为闸孔出流 闸孔出流的基本原理与第四章中的孔口出流的基本原理是一致的，但闸孔的流量系数除了与上、下游水位有关外，还取决于闸底坎（堰顶）与闸门的形式和尺寸，因此更加复杂多变。 闸孔出流水力计算的主要任务是在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的泄流量，或根据已知的泄流量求所需的闸孔宽度b 。下面就不同形式的闸底坎的水力计算分别进行讨论。 9.5.1底坎为宽顶堰型的闸孔出流 当水流行近闸孔时，在闸门的约束下流线发生急剧弯曲；出闸后，流线继续收缩，并约在闸门下游（0.5~1）e 处出现水深最小的收缩断面，收缩断面处水深为h c0。收缩断面的水深一般小于临界水深h c ，水流为急流状态，而闸后渠道中的下游水深h t 一般大于临界水深，水流为缓流状态。由第八章可知，水流从急流到缓流时，要发生水跃，水跃位置随下游水深h t 而变。闸孔出流受水跃位置的影响可分为自由出流及淹没出流两种。 图9-16a 为宽顶堰上闸孔的自由出流，闸后的水跃发生在收缩断面下游，此时，下游水深的大小不影响闸孔出流。写出闸前断面0-0和收缩断面c-c 的能量方程： w 20 c c 0c 200h g 2v h g 2v H +α+=α+ 令0200H g 2v H =α+，称为闸前总水头，g 2v h 2 w ζ=，则 g 2v )(h H 2 0c c 0 c 0ζ+α+= 整理得到 )h H (g 21v 0c 0c 0c -ζ +α= 令ζ +α= ?c 1，称为流速系数，于是 )h H (g 2v 0c 00c -?= 收缩断面水深h c0可表示为闸孔开度e 与垂向收缩系数ε 2的乘积，即 e h 20c ε= 因此，收缩断面的平均流速 )e H (g 2v 200c ε-?= 当断面为矩形时，0c c Bh A =，于是 )e H (g 2eB )e H (g 2eB Q 20202ε-μ=ε-?ε= (9-16) 式中，2?ε=μ，称为流量系数。 为了便于实际应用，(9-16)式可化为更简单的形式 010 2 02gH 2eB )H e 1(gH 2eB Q μ=ε-?ε= (9-17) 式中，0 2 21H e 1ε-?ε=μ也称为流量系数。 (9-16)、(9-17)式均为宽顶堰型闸孔自由出流的计算公式，(9-17)式形式更为简单，便于计算。下面对式中的流量系数μ1进行讨论。 由μ1的表达式可知其主要的影响因素有?、2ε、e 。其中，流速系数ζ +α= ?c 1， 反映闸前断面到收缩断面的局部水头损失和收缩断面流速分布不均匀的影响。 ?值主要决定于闸孔的边界条件，如闸底坎的形式、闸门的类型等，可用表9-6查取。对坎高为零的宽顶堰型闸孔，取1~95.0=?；对于有底坎的宽顶堰型闸孔，取95.0~85.0=?。垂向收缩系数2ε反映水流经闸孔时流线的收缩程度，与闸孔入口的边界条件及闸孔的相对开度e/H 有关。儒可夫斯基用理论方法，求得在无侧收缩的条件下锐缘平面闸门的垂向收缩系数与相 对开度之间的关系，如表9-7所示。当闸门底部不是锐缘，而是其它形式，其垂向收缩系数ε2另有公式确定，可参考相关资料。 表9-6 流速系数?值 c 锐缘平面闸门的垂向收缩系数ε2 0.20 0.25 0.30 综上所述，闸孔出流的流量系数应决定于闸底坎的形式、闸门的类型和闸孔的相对开度。 闸孔淹没出流的流态是在闸孔下游收缩断面被淹没，或者说，在闸孔下游收缩断面发生了淹没水跃，如图9-16b 。此时，通过闸孔的流量随下游水深h t 的增大而减小。与自由出流相比，有效水头由(H 0-h c0)变为(H 0-h t )，其流量公式变为 )h H (g 2eB Q t 0-μ= (9-18) 式中μ为淹没出流的流量系数，由实验确定，其值约为0.65~0.70。 (a) '' t c h h < (b) ''t c h h > 图9-16 宽顶堰上的闸孔自由出流和淹没出流 9.5.2底坎为实用堰型的闸孔出流 图9-17为实用堰顶闸孔自由出流。流量计算公式仍可用(9-17)式，但由于边界条件不同，它们的流量系数不相同。 (a) (b) 图9-17 实用堰上的闸孔出流 水流在实用堰上的闸孔前具有上、下两个方向的垂向收缩，因此，影响流量系数的因素 更加复杂。实验表明，影响曲线型实用堰顶闸孔出流流量的因素包括：闸门的类型、闸孔的相对开度、闸门的位置、堰剖面曲线的形状等。其中，闸门的类型和闸孔的相对开度的影响是目前为止研究最多的。 对于平面闸门可按下列 θ-+-=μcos )H e 375.025.0(H e 186 .065.01 (9-19) 式中，θ值如图9-18。 当下游水位超过实用堰的堰顶时，形成淹没出流。而在实际工程中，这种情况十分少见。 例9-3 在渠道中修建一宽B=3.0m 的宽顶堰，用门底为锐缘的平面闸门控制流量。闸底板水平。当闸门的开启度e=0.70m 时，闸前水深H=2.0，闸孔上游行近流速v 0=0.75m/s 。水流为自由出流。求通过闸孔的流量Q 。 解：由e/H=0.35<0.65知，本题为宽顶堰型闸孔自由出流。 可用(9-16)或(9-17)式计算流量。由表9-7查得垂向收缩系数 628.02=ε，宽顶堰型闸孔95.0=?，于是60.02=?ε=μ 图9-18 θ的取值 闸前总水头m 03.28 .9275.012g 2v H H 2 2000=??+=α+= 流量为 s /m 04.7)70.0628.003.2(8.920.370.060.0)e H (g 2eB Q 320=?-?????=ε-μ= 例9-4 某水库为实用堰式溢流坝，共7孔，每孔宽10m 。坝顶高程为43.36m ，坝顶设平面闸门控制流量，闸门上游面底缘切线与水平线夹角o 0=θ。水库水位为50m ，闸门开启度e=2.5m ，下游水位低于坝顶，不计行近流速，求通过溢流坝的流量Q 。 解：闸门开启度e=2.5m ，闸前水头H=50-43.36=6.64m ，e/H=0.377<0.75，由于下游水位低于坝顶，可判断为闸孔自由出流。 实用堰上闸孔自由出流计算公式为 01gH 2eB Q μ= 这里B=70m ，H ≈H 0，μ1按(9-19)式计算 θ-+-=μcos )H e 375.025.0(H e 186 .065.01 689.0)377.0375.025.0(377.0186.065.0=?-+?-= 因此，通过溢流坝的流量 s /m 137664.68.92705.2689.0Q 3=?????= §9.6 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 在河道上修建了闸、坝等水工建筑物后，抬高了水位，使势能增加。当建筑物泄水时， 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