第九章 堰流与闸孔出流

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1、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

2、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v0。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

3、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．宽顶堰流如

4、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

5、变流，该断面上的测压管水头不为常数，所以用表示1-1断面上测压管水头的平均值。可得式中，v0为行近流速，v1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，称为堰上总水头；，ξ为修正系数，则上式可写成得到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kH0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kH0b，通过的流量为式中，称为流速系数。令称为堰的流量系数，则(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H0的3/2次方成正比，即Q∝H03/2。影响流量系数m的主要因素是、k、，即

6、。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；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P1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

7、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