《堰流、闸孔出流及泄水建筑物下游的消能与衔接.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堰流、闸孔出流及泄水建筑物下游的消能与衔接.ppt（60页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、堰流、闸孔出流及,泄水建筑物下游的消能与衔接,第八章,第一节 概述,水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。见图,闸堰严格来讲既是泄水建筑物也是挡水建筑物； 闸和堰都是用来控制水库或河渠水位和流量，用以渲泄洪水，引水灌溉，给水，发电的泄水建筑物,研究闸堰过流主要解决的问题是： 过流时的水流流态 过流能力的计算,1.定义,闸孔出流 水流受到闸门的控制。闸前水位壅高，水流从闸门底缘与闸底板间的孔口（闸孔）出流，其过水断面受到闸门开启尺寸大小的限制，其自由水面在闸门后处断开，闸门上下游水位是不连续的。,堰顶溢流 当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，上游水
2、位壅高，至一定高度时，水流沿堰顶,溢流下泄，闸门对水流不起控制作用时，而为一种连续自由降落水面。这种过流称为堰顶溢流。,2.堰流和闸孔出流的共同特点,（1）二者都是壅高水位以后，靠重力作用形成的水流运动；,（2）堰和闸都是属于控制建筑物，用于控制水位和流量；,（3）二者均属于急变流，过水断面上的压强分布均不符合静水压强的分布规律；,（4）二者的能量损失主要是局部水头损失,3.堰流和闸孔出流的区别,（1）闸孔出流受闸门的控制，而堰流的不受闸门控制；,（2）堰流的水面线是光滑连续降落的；而闸孔出流由于受到闸门的控制，其水面线被闸门截断，上下游是不连续的,4.堰流和闸孔出流的判别,（1）闸底板为平顶
3、堰或平底,为闸孔出流,为堰流,（2）闸底坎为曲线型堰流时,为闸孔出流,为堰流,式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。,第二节 堰流的分类及基本计算公式,水利工程中常根据不同的建筑材料和使用要求作成不同的堰。,工程上通常按照堰坎厚度与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作：,（1）当/H0.67为薄壁堰，薄壁堰具有稳定的水位流量关系，常用于流量的量测；,一.堰流的类型,（2）当0.67/H2.5为实用堰，用于水利枢纽的挡水和泄水建筑物；,（3）当2.5/H10为宽顶堰，在渠系中广有泛应用。,二.堰流的基本公式,m流量系数 1侧收缩系数 s淹没系数 H0堰顶总水头。当堰较高时，行近流速
4、水头可以忽略不记，H0H。,第三节 实用堰的水力计算,实用堰是水利工程中即可挡水及可泄水建筑物。按剖面形状可分为折线型实用堰和曲线型实用堰。低溢流堰常用石料砌筑成折线形，称为折线型实用堰；较高的溢流坝为了增大过流能力，一般作成曲线形，称为曲线型实用堰。,1.曲线型实用堰的剖面形状,曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有下列几个优点： (1) 过水能力大(2)堰面不出现过大的负压(3) 经济、稳定,目前我国采用较多的剖面是：美国水道试验站WES型剖面堰。见图,WES剖面如图,堰顶曲线BC对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲线段BC如
5、何确定。,实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。,实验研究表明，曲线型适用堰的流量系数主要高与设计水头之比P1/Hd、堰顶全水头与设计水头之比H0/Hd 以及上游面的坡度。见书306页,3.侧收缩系数,侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面经验公式计算：,2. 曲线型实用堰的流量系数,n为堰孔数；H0为堰顶全水头；k为边墩形状系数；0为闸墩形态系数。,4.淹没系数,实用堰淹没条件是：hs/H0 0.15和 P2/H0 2；否则为自由出流,第四节 宽顶堰流的水力计算,当堰顶水平且厚度 ，在进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行堰顶的渐变流动即为宽顶堰
6、流。,1. 宽顶堰的流量系数,直角进口的宽顶堰,圆角进口的宽顶堰,2. 宽顶堰的侧收缩系数,a0 为考虑墩尖及堰顶头部形状的系数。当闸墩头部为矩形，堰顶为直角时a00.19；当闸墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为直角或圆弧形时a0=0.10； b为溢流孔净宽； B为上游引渠宽。,上式的应用条件为：,当,取,当,取,和,（1）对单孔宽顶堰（无闸墩） 式中 b采用两边墩间的宽度； B可采用堰上游的水面宽度。 （2）对多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）,n为孔数；,为中孔侧收缩系数，按前式计算时，可取,为单孔净宽，,d为闸墩厚,为边孔侧收缩系数，按前式计算时，可取,为边孔净宽，,为边墩计算厚度，是边墩边缘与堰上
7、游同侧水边线间的距离。,3. 宽顶堰的淹没系数,宽顶堰的淹没条件为,宽顶堰的淹没系数 表,例题1：今拟在某拦河坝上游设置三孔进水闸如图所示。已知当闸门全开时，上游水深H1=3.1m，下游水深ht=2.625m，上游堰高P1=0.6m，下游上游堰高P2=0.5m，闸孔净宽b=2m，边墩和闸墩头部均为半圆形，闸墩厚d=1m，边墩的计算厚度为0.8m，上游引水渠为矩形过水断面，渠道宽B0=9.6m，试求过堰流量。 解：闸门全开时 宽顶堰，其计算公式为,堰前水头,因Q未知，行进近流速暂忽略，则,流量系数：,侧收缩系数 边墩头部为半圆形,闸墩头部为半圆形,判断是否淹没,因为,为淹没出流。查得,考虑行近流
8、速,第五节 闸孔出流的水力计算,实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线型实用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。 闸孔出流水力计算的任务：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。,计算基本公式：,一.底坎为宽顶堰的闸孔出流,闸孔出流受水跃位置的影响可分为自由出流和淹没出流二种。如图,设收缩水深hc的跃后水深为,（a）,（b）,（c）,若 ，则水跃发生在收缩断面处或收缩断面下游。下游水深的大小不影响闸孔出流，称做闸孔自由出流。 若 ，则水跃发生在收缩断面上游，水跃旋滚覆盖了收缩断面，称为闸孔淹没出流。通过闸孔的流量随下游水深的增大而减小。,1.流量
9、系数,a.对于平板闸门的闸孔,b.对于弧形闸门的闸孔,上式的适用范围是：250900,2.淹没系数,当下游水深大于收缩断面水深的共轭水深，即 时，闸孔为淹没出流。,淹没系数,与潜流比,有关，见图,例题2,（1）已知 b=10m, H=8m,e=2m。自由出流。求Q,自由出流,解： 因为,为闸孔出流,（2） 若 ht =5.6m ，求Q,如何判断是否淹没出流？,先用自由出流时的流量计算各量,收缩水深,跃前Fr1,收缩断面的流速,共轭水深,临界水深,收缩断面为急流,产生淹没水跃,如何确定淹没系数？,由,查图得,二.底坎为曲线型实用堰的闸孔出流,在实际工程中， 由于下游水位过高而 使曲线型用堰顶闸孔
10、 形成淹没出流的情况 是十分少见的，所以 对曲线型实用堰顶的 闸孔，我们所以只讨 论自由出流的情况。,1.对于平板闸门,式中，值如图所示,2对于弧形闸门,例题3： 某水库溢流坝共五孔，每孔净宽b为7m；坝顶设弧形闸门。试求坝顶水头H为5m，各孔均匀开启，开度e为1m时，通过闸孔的流量（不计行近流速水头）,解：,通过闸孔的流量为,第六节 泄水建筑物下游的消能与衔接,天然河道中水流一般属缓流，但当河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，抬高水位，上下游形成落差H，下泄水流往往具有很高的流速，,单位总量水体所具有的能量也比下游河道中水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。若不采取行之有效的工程
11、措施消除多余的能量，势必冲刷紧接泄水建筑物的河床，危及建筑物的安全。,1.常见的衔接与消能措施,就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面,（1）底流式消能,旋滚和强烈的紊动 以达到消能的目的。,（2）挑流式消能,利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。,（3）面流式消能,当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水,舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。
12、,水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。,（4）戽流式消能,已知 q,H0 ,流量系数,求 hc,hc,1.收缩断面水力要素计算,列00至11 断面能量方程,基准面为下游原河床，0-0 断面能量,11断面能量局部损失,解一个关于 hc0 的高次方程,已知q,如何求hc?,查表,已知q,如何求H0?,淹没判别,侧收缩系数的确定用经验公式,流量系数m，按以前介绍的方法,H0,hs/H0 0.15和 P2/H0 2；,淹没系数,淹没系数,淹没系数,临界水跃,远驱水跃,淹没水跃,工程上选择形成稍加淹没 （ ） 的淹没式水跃，消能效率
13、即高又稳定。,2.水跃位置与形式的判断,v,E0,1）基本步骤,当 发生远驱水跃修建挖深式消力池，求其池深d，长Lk,已知 q ，E0, , 求 hco,3.消力池设计,ht,2）挖深式消力池基本公式,估算d, 设 d,验算d,3)消能池的池长计算,4)设计流量选择,池深设计流量根据最大池深d确定,池长设计流量最大流量决定最大池长,例题4 某溢流坝为WES剖面，堰顶设闸门流量。 保持堰顶水头H=3.2m不变 ，调节闸门开度，使单宽流量q=（312）m3/（s.m）内变化，相应的下游水深htq的关系曲线，见图 P2=P2=15m，试判别流量变化范围内的下游水流衔接方式。如果出现远离水跃式衔接，是计算消力池的尺寸。,解： （1）判断溢流坝下游水流的衔接形式 因为P1=10m1.33H为高坝，可不计行近流速水头,用迭代法可计算出在各种流量下的收缩断面水深 ，再由公式计算相应的共轭水深,列于下表,由表可以看出，在已知的流量范围内,（2）计算消力池深度,由图可以查得,最大的流量,则消力池的设计流量为,取,设,由迭代法解上式,计算,计算值与原值相符，则所求的消力池深为,（3）计算消力池长度,消力池长度的设计流量,设,代入上式算得,故,取消力池长度,同学们再见！,