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1、第八章 堰流及闸孔出流水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。堰是顶部过流的水工建筑物。H 图2 堰流H00v0 图1 堰流b图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响 be00 图3 堰流及闸孔出流H 图4 闸孔出流eH00 闸孔出流：过堰水流受闸门控制时，就是孔流堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位；在重力作用下形成水流运动；明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力；出流
2、过程的能量损失主要是局部损失。相对性： 堰流和孔流是相对的，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件（涨水或落水）。平顶堰： e /H 0.65 孔 流 曲线型堰：e/H 0.75 孔 流 e/H 0.75 堰 流 e/H 0.65 堰 流式中：e为 闸孔开度； H为 堰上水头堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。第一节 堰流的分类及水力计算基本公式一、堰流的分类水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板
3、、木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降HP1v0111v1P200图5 薄壁堰堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离：L =（35) H 研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比 /H 而变，工程上，按与H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。1. 薄壁堰：/H 0.67越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰。
4、2. 实用堰流：0.67 /H 2.5水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰。堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形。3. 宽顶堰：2.5/ H 10宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。水流特征：水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流二次水面降。4. 明渠水流：堰坎厚度10H00 v0H11图6 曲线型实用堰P2v1v0H00P111图7 折线型实用堰 H00P1P2v011v1图8 宽顶堰P1i ikKKH图9 明渠水流 二、堰流水力计算的基本公式HP1v011
5、1v1P200对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程基准面：通过堰顶的水平面分析：0-0断面为渐变流，1-1 断面为急变流（流线弯曲） 式中：为1-1 断面测压管水头的平均值； v0 为0-0 断面的平均流速；v1为1-1 断面的平均流速；为 局部阻力系数令 ，则式可变为 由式得令，其中k 为系数，则 再令 ：流速系数 ；流量系数 则式可变为 由式可知：影响流量系数的主要因素 反映局部水头损失的影响。包括：堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH） 代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比 dbbb边墩边墩闸墩闸墩B侧向收缩影响 有的堰顶
6、过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数反映其影响。下游水位的影响 堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数反映。堰流公式：第二节 薄壁堰流薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此，研究薄壁堰具有重要的实际意义。00 v0H11一、矩形薄壁堰流矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足： H 2.5 cm ，否则堰下形成贴壁
7、流，出流不稳定 水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定HP1 0.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通气管贴壁流动无侧收缩的矩形薄壁堰出流水舌形状无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状由堰流计算公式令式中， 为包括行进流速在内的流量系数，可按雷白克(T.Rehbock) 公式计算。雷白克 (T.Rehbock)式中，P1为上游堰高，H 为堰上水头，均以米计算。二、直角三角形薄壁堰流当所需测流量较小 (例如 Q 0.1m3/s)时，若用矩形薄壁堰，则水头过小，误差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，但常用直角。9.3.
8、2 直角堰HP2B 第三节 实用堰流的水力计算公式实用堰是水利工程中常见的堰型之一。作为档水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折线型，高的溢流坝一般作成曲线型。 实用堰的水力计算公式边墩闸墩bddbb边墩实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔实用堰的水力计算公式采用n 为孔数；b 为一孔净宽侧收缩系数淹没系数一、曲线型实用堰的剖面形状上游直线段：AB 堰顶曲线段：BC下游直线段：CD，坡度 m = ctan下游河底连接段：DEEHdP1P2ABCDOm 上游直线 AB 段：垂直，或倾斜, 取决于溢流坝体的强度和稳定要求反弧段：使直线CD与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床反弧段：一般情况
9、下，非基岩上、高度不大的坝式中， 溢流坝剖面设计水头； 为最大上下游水位差堰顶曲线BC 对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状与薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流能力最大。但实际中不可能完全吻合。原因：水位波动，水舌不稳定（紊动影响）。堰面不出现真空的堰称为非真空剖面堰。曲线型实用堰切入到薄壁堰水舌下缘内部，则实用堰面不产生负压，但过流能力有所降低。曲线型实用堰和薄壁堰水舌下缘之间形成空间，则堰的过流能力提高，但堰面产生负压。堰面出现真空的堰称为真空剖面堰。因此，实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水舌下缘曲线稍加修改而成。薄壁堰水舌下缘曲线特性HdP1
10、v0uxuyuxyB假定经过B点，水流质点的流速为用上式还不能计算曲线型实用堰顶曲线，其原因在于： , k，n为未知变量；水流行进堰顶时，临近堰顶水舌内压强不等于大气压，使堰顶水流运动与质点自由抛射运动理论有出入。 工程上，常通过试验研究，或适当修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下缘曲线，得出堰顶曲线的坐标值。1.克里格奥菲采洛夫剖面（克奥剖面）我国以前常用，该剖面略嫌肥大，曲线坐标用用表给出，坐标点少，施工不便控制。其剖面设计方法可参考有关书籍。2. Ogee 剖面美国内务部垦务局在系统研究基础上推荐的剖面。该剖面参数均与行进流速水头、设计全水头有关，并考虑坝高对堰顶剖面曲线影响，适应不同坝高的堰剖
11、面设计。Ogee 剖面的设计方法可参考有关书籍。3. WES剖面美国陆军工程兵团水道试验站研究的。近年来多采用。该剖面用曲线方程表示，便于控制，堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较理想，负压不大，对安全有利。WE S 剖面设计方法yR1R2R3xxyy /Hd= 0.5 ( x/Hd )1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd 堰顶O点下游曲线 式中， k，n取决于堰上游面坡度；当上游面为垂直时 k = 0.5，n =1.85；为不包括行近流速水头的设计水头。堰顶O点上游曲线采用三段复合圆弧相接，堰顶曲线上游与上游面平滑连接，改善堰面压强分布，减小负压。堰剖面曲线的坐标值取决于设计水
12、头问题： 堰顶水头在(HminHmax)范围变化，如何选定设计水头Hd ？，使H = (HminHmax)时，堰面流量系数较大，又不产生过大负压。两种极端情况：（1）Hd= Hmax可保证堰面不出现负压，但 H Hd，堰面产生较大负压，严重时危及坝安全。工程中经常采用：Hd = (0.750.95) Hmax，当H Hd时，为真空剖面堰；当 H 1.33，md = 0.502行进流速可忽略， Hd = Hd0 s = 1 为自由出流= 1-0.2Ka (n-1)KPH0 /nbKP = 0 (查表) Ka = 0.2b 12n 5= 1-0.20.2 (5-1)0Hd/512 = 1-0.00
13、66 Hd验证堰顶高程 165.0 4.9 = 160.1m上游堰高 160.1-100 60.1 m P1/Hd 60.1/ 4.9 12.23 1.33， md =0.502行进流速可忽略下游水位= 110.0 0.2 和 P1/H 3 b/B 3，取P1/H 3 式中，b 溢流堰孔净宽 B溢流堰上游引渠的宽度 考虑墩头及堰顶入口形状的系数，当矩形闸墩或边墩取 0.19 （堰顶入口边缘直角），当圆弧闸墩或边墩 取 0.10 （堰顶入口边缘为直角或圆弧）。单孔宽顶堰：用上述公式计算即可多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平均值 式中， = 中孔闸墩收缩系数 b = b B = b+2d = 边
14、墩收缩系数 b = b B = b+2 = 边墩计算厚度三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数分析：堰顶水头及进口形式一定时，下游水位逐渐升高，宽顶堰形成淹没的过程宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流，进口产生第一次水面跌落（由于进口产生局部损失）hSH00P1P2v02H11KKhc收缩断面：在进口约为2H处 hc hk，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。因此，淹没条件为： hs 0.8H0H00P1P2v02H11KKhS波状水跃hc宽顶堰的淹没系数四、无坎宽顶堰流无坎宽顶堰是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面束窄侧向收缩，引起水面跌落计算公式仍然采用基本公式但一般不单独考虑侧向收缩的影响，把它包含在流量系数中考虑，即式中，m 是无坎宽顶堰的流量系数。可根据进口翼墙形式及平面收缩程度查。多孔无坎宽顶堰的流量系数取边孔和中孔加权平均值。1. 直角翼墙bB2. 八字形翼墙bB3. 圆弧形翼墙 rbB多孔无坎宽顶堰的淹没系数