8堰流及閘孔出流8.4寬頂堰流的水力計算

8.1堰流的類型及計算公式

8.2薄壁堰流的水力計算8.3實用堰流的水力計算8.5窄深堰流的水力計算8.6閘孔出流的水力計算

水利工程中，為防洪、灌溉、航運、發(fā)電等要求，需修建溢流壩、水閘等控制水流的水工建筑物。例如，溢流壩、水閘底檻、橋孔、無壓涵洞進口。堰：在水力學中，把頂部過流的水工建筑物稱堰beH00

圖堰流及閘孔出流閘孔出流：受到閘門控制的過堰水流圖中為溢流壩上的閘孔出流beH00

圖堰流及閘孔出流圖閘孔出流e00H閘孔出流：受到閘門控制的過堰水流圖中為寬頂堰上的閘孔出流bH00v0

圖堰流堰流：未受閘門控制的過堰水流圖中為溢流壩上的堰流

圖堰流H堰流：未受閘門控制的過堰水流圖中為寬頂堰上的堰流

比較堰流和閘孔出流堰流：水面線為一條光滑曲線；過水能力強閘孔出流：閘孔上、下游水面不連續(xù)；過水能力弱beH00

圖堰流及閘孔出流bH00v0

圖堰流beH00

圖閘孔出流bH00v0

圖堰流

共同點壅高上游水位都是在重力作用下形成明渠流動在較短范圍內(nèi)，流線急劇彎曲，有離心力能量損失主要是局部損失beH00

圖閘孔出流bH00v0

圖堰流堰流和孔流取決上游來流條件（漲水或落水）閘孔相對開度閘底坎及閘門型式因此，堰流和孔流是相對水流條件而言的，水流條件改變，同一堰上的堰流，或孔流就可能改變。平頂堰

e/H≤0.65孔流

e/H

＞0.65堰流e

閘孔開度；H為堰上水頭圖閘孔出流e00H曲線型堰

e/H≤0.75孔流

e/H＞0.75堰流

e閘孔開度；H堰上水頭beH00

圖堰流及閘孔出流beH00

圖堰流及閘孔出流

堰流及孔流是水利工程中常見的水流現(xiàn)象，其水力計算的主要任務是研究過水能力。

水利工程中，常根據(jù)不同建筑材料，將堰作成不同類型。例如，溢流壩常用混凝土，或石料作成較厚的曲線，或折線型；實驗室量水堰一般用鋼板、木板作成薄堰壁。堰外形、厚度不同，能量損失及過水能力不同8.1堰流的類型及計算公式8.1.1堰的類型

當水流接近堰頂，流線收縮，流速加大，自由表面逐漸下降HP1v011v1P20δ0HP1v011v1P20δ0堰前斷面：把堰上游水面無明顯下降的0-0斷面堰上水頭：堰前斷面堰頂以上的水深，用H

表示HP1v011v1P20δ0

行進流速：堰前斷面的流速稱之，用v0表示

堰前斷面距離上游壁面的距離：L=（3～5)H

研究表明，流過堰頂?shù)乃餍蛻B(tài)隨堰坎厚度與堰頂水頭之比δ/H而變，工程上，按δ與H的大小將堰流分為

薄壁堰

實用堰

寬頂堰

越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎吆裼绊?，水舌下緣與堰頂為線接觸，水面呈降落線由于堰頂常作成銳緣形，故薄壁堰也稱銳緣堰HP1v011v1P20δ0

薄壁堰：δ/H

＜0.67

實用堰流：0.67＜δ/H＜2.5水利工程，常將堰作成曲線型，稱曲線型實用堰00v0Hδ11

實用堰流：0.67＜δ/H＜2.5

堰頂加厚，水舌下緣與堰頂為面接觸，水舌受堰頂約束和頂托，已影響水舌形狀和堰的過流能力。00v0Hδ11H00P1P211v1v0δ折線型實用堰：水利工程，常將堰作成折線形寬頂堰：2.5＜δ/H

＜10H00P1P2v0δ11v1

寬頂堰堰頂厚度對水流頂托非常明顯

水流特征：水流在進口附近的水面形成降落有一段水流與堰頂幾乎平行下游水位較低時，出堰水流二次水面降H00P1P2v0δ11v1堰坎厚度δ＞10H，此時沿程水頭已經(jīng)不能略去，水流特性不再屬于堰流，而是明渠水流。P1δi>ikKKH對堰前斷面0-0和堰頂斷面1-1列能量方程基準面：通過堰頂?shù)乃矫鎣011v1P200δHP18.1.2堰流基本公式分析：0-0斷面為漸變流1-1斷面為急變流（流線彎曲）1-1斷面測壓管水頭的平均值v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1v11-1斷面的平均流速v00-0斷面的平均流速

ζ

局部阻力系數(shù)v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1

v011v1P200δHP1流量系數(shù)流速系數(shù)v011v1P200δHP1v011v1P200δHP1影響流量系數(shù)的主要因素m

主要反映局部水頭損失的影響的系數(shù)v011v1P200δHP1φ：流速系數(shù)

反映局部損失影響（堰頂水頭、上游堰高P1、堰頂口邊緣形狀等）v011v1P200δHP1k垂直收縮系數(shù)反映堰頂水流垂直收縮的程度（1-1斷面水舌厚度kH）v011v1P200δHP1ξ

相對測壓管水頭反映堰頂斷面平均測壓管水頭與堰頂全水頭之比8.2.1矩形薄壁堰流8.2.2直角三角形薄壁堰流8.2薄壁堰流的水力計算

薄壁堰具有穩(wěn)定的水頭和流量關系，常作為水力學模型實驗、野外量測中的一種有效量水工具。有的臨時擋水建筑物，如疊梁閘門也可近似作為薄壁堰。也HP100v0Hδ11

曲線型實用堰外形一般按薄壁堰水舌下緣曲線設計。因此，研究薄壁堰是具有重要的實際意義。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動

矩形薄壁堰上下游等寬，堰流無側收縮。當自由出流時，水流最為穩(wěn)定，測量精度較高。HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動無側收縮的矩形薄壁堰自由出流水舌形狀HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動

為保證下游為自由出流，矩形薄壁堰應滿足

H>2.5cm，否則堰下形成貼壁流，出流不穩(wěn)定水舌下與大氣通，否則水舌下有真空，出流不穩(wěn)定由堰流計算公式M0:包括行進流速在內(nèi)的流量系數(shù)，可按雷白克(T.Rehbock)公式計算雷白克公式(T.Rehbock)式中，P1為上游堰高，H為堰上水頭，均以米計算8.2.1矩形薄壁堰流8.2.2直角三角形薄壁堰流8.2薄壁堰流的水力計算當所需測流量較小，如Q＜0.1m3/s時，若用矩形薄壁堰，則水頭過小，誤差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夾角可取不同角度值，但常用直角。HP2BHP2B堰上游引渠寬度8.3實用堰流的水力計算8.3.1曲線型實用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實用堰的流量系數(shù)8.3.3側收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護坦高程對過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設計8.3實用堰流的水力計算8.3.1曲線型實用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實用堰的流量系數(shù)8.3.3側收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護坦高程對過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設計

實際工程中，實用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個等寬堰孔邊墩閘墩b’ddb’b’邊墩db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩

實際工程中，實用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個等寬堰孔側向收縮影響堰頂設閘墩及邊墩，引起水流側向收縮，降低過流能力，其影響用側收縮系數(shù)ε反映。db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩Bv011v1P200δHP1

下游水位的影響堰下游水位過高或下游堰高較小時，會影響堰的過流能力，形成淹沒出流的情況，它的影響用淹沒系數(shù)σs反映。

考慮淹沒出流、側收縮影響以及其他的所有影響，堰流公式為v011v1P200δHP1

實用堰是水利工程中常見的堰型之一。作為檔水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折線型，高的溢流壩一般作成曲線型。實用堰的水力計算公式曲線形實用堰的剖面形狀：應具有以下優(yōu)點：過流能力大、堰面不出現(xiàn)過大的負壓，經(jīng)濟、穩(wěn)定。EHdP1P2ABCDOαm

上游直線段：AB

堰頂曲線段：BC

下游直線段：CD，坡度m=cotα

下游河底連接反弧段：DEEHdP1P2ABCDOαmr上游直線

AB段垂直，或傾斜，取決于溢流壩體的強度和穩(wěn)定要求EHdP1P2ABCDOαmr反弧段使直線CD與下游河底平滑連接，避免水流沖刷河床EHdP1P2ABCDOαmr反弧段一般情況下，非基巖上、高度不大的壩Hd

溢流壩剖面設計水頭

zmax

最大上下游水位差堰頂曲線BC

對堰流影響最大，是設計曲線型實用堰剖面形狀的關鍵，理想的曲線實用堰剖面形狀與薄壁堰水舌下緣形狀吻合，不產(chǎn)生真空，過流能力最大。但實際兩者不可能完全吻合。原因是水位波動，水舌不穩(wěn)定（紊動影響）。

堰面不出現(xiàn)真空的堰稱為非真空剖面堰堰面出現(xiàn)真空的堰稱為真空剖面堰

曲線型實用堰切入薄壁堰水舌下緣內(nèi)部，堰面不產(chǎn)生負壓，但過流能力有所降低。

因此，實際采用的剖面形狀是按薄壁堰下游水舌下緣曲線稍加修改而成。HdP1v0uxuyuxyθB

分析薄壁堰水舌下緣曲線。假定經(jīng)過B點，水流質點的流速為HdP1v0uxuyuxyθBHdP1v0uxuyuxyθB

上式還不能計算曲線型實用堰頂曲線原因:θ,k，n

為未知變量水流行進堰頂時，臨近堰頂水舌內(nèi)壓強不等于大氣壓，使堰頂水流運動與質點自由拋射運動理論有出入。

工程上，常通過試驗研究或適當修正矩形薄壁堰自由溢流水舌下緣曲線，得出堰頂曲線的坐標值。

克里格—奧菲采洛夫剖面（克－奧剖面）我國以前多用，但該剖面略嫌肥大，曲線坐標用用表給出，坐標點少，施工不便控制。其剖面設計方法可參考有關書籍。

Ogee剖面美國內(nèi)務部墾務局在系統(tǒng)研究基礎上推薦的。該剖面參數(shù)均與行進流速水頭、設計全水頭有關，并考慮壩高對堰頂剖面曲線影響，適應不同壩高的堰剖面設計。Ogee剖面的設計方法可參考有關書籍。WES剖面近年來多采用美國陸軍工程兵團水道試驗站的剖面。其用曲線方程表示，便于控制，堰剖面較瘦可節(jié)省工程量，堰面壓強較理想，負壓不大，對安全有利。

yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292HdWES剖面設計堰頂O點下游曲線k，n取決于堰上游面坡度上游垂直：k=0.5，n=1.85Hd：不包括行近流速水頭的設計水頭yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd堰頂O點上游曲線采用三段復合圓弧相接堰頂曲線上游與上游面平滑連接改善堰面壓強分布，減小負壓yR1R2R3xxyy/Hd=0.5(x/Hd)1.850.276Hd0.175HdO0.292Hd

堰剖面曲線的坐標值取決于設計水頭Hd

堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設計水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負壓。

（1）Hd=Hmax可保證堰面不出現(xiàn)負壓，但H<Hd時，堰面壓強為正，流量系數(shù)減小，堰剖面偏肥，不經(jīng)濟。堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設計水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負壓。

（2）如果Hd

=Hmin，可得到較經(jīng)濟剖面。但H>Hd，堰面產(chǎn)生較大負壓，嚴重時危及壩安全。

堰頂水頭在Hmin～Hmax

范圍變化，如何選定設計水頭Hd＝？使堰面流量系數(shù)較大，又不產(chǎn)生過大負壓。

工程中常用Hd=(0.75～0.95)Hmax。當H>Hd時，為真空剖面堰；當H<Hd時，堰剖面堰稍偏肥大，為非真空剖面堰。WES

剖面主要適用高溢流堰因為設計中并未考慮行近流速的影響，但有研究報告認為，WES

剖面可直接移用作低堰剖面。8.3實用堰流的水力計算8.3.1曲線型實用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實用堰的流量系數(shù)8.3.3側收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護坦高程對過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設計

對于不同堰型，流量系數(shù)不同。水力設計時，可參考有關文獻。對于重要工程需要通過模型試驗確定。

m=m(P1/Hd、H0/Hd，堰上游面坡度)P1/Hd堰上游面垂直WES剖面

P1/Hd≥1.33（高堰）

m=f(H0/Hd)

不計行近流速水頭設計流量系數(shù)md=0.502H0/Hd=1，m=md=0.502H0/Hd＜1，m

＜mdH0/Hd＞1，m

＞mdP1/Hd

＜1.33稱低堰，行近流速加大，設計流量系數(shù)如圖P1/Hd低堰范圍高堰8.3實用堰流的水力計算8.3.1曲線型實用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實用堰的流量系數(shù)8.3.3側收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護坦高程對過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設計用于考慮邊墩及閘墩對過水能力影響溢流壩都有邊墩，多孔溢流壩還有閘墩。邊墩和閘墩將使水流發(fā)生平面收縮，增大了局部水頭損失，降低過流能力。

實際工程中，實用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個等寬堰孔db’b’b’邊墩邊墩閘墩閘墩邊墩閘墩b’ddb’b’邊墩側收縮系數(shù)ε與閘墩、邊墩平面形狀溢流孔數(shù)堰上水頭溢流寬度等因素有關

ε=1－0.2［Ka

＋(n-1)KP］H0/nb’

式中：n溢流孔

b每孔寬度

Ka邊墩系數(shù)

KP

閘墩系數(shù)邊墩系數(shù)Ka

與邊墩平面形狀、行進流速有關，其值越大，ε越小，過流能力降低。ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

邊墩系數(shù)Ka圓弧形邊墩當行進水流正向進入溢流堰時，

Ka

＝0.1（與混凝土非溢流壩段鄰接的高溢流堰）＝0.2（與土壩鄰接的高溢流堰）當行進水流非正向進入溢流堰時，Ka

適當加大ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

閘墩系數(shù)Kp與下列因素有關閘墩頭部形狀

H0/Hd

閘墩頭部與堰上游面的相對位置ε=1－0.2［Ka

＋(n－1)KP］H0/nb’

8.3實用堰流的水力計算8.3.1曲線型實用堰的剖面形狀8.3.2曲線型實用堰的流量系數(shù)8.3.3側收縮系數(shù)8.3.4淹沒及下游護坦高程對過流能量影響8.3.5曲線型低堰的水力設計

試驗研究表明，堰下游可為自由出流：過流能力不受下游水位影響淹沒出流：過水能力降低當下游水位高過堰頂至某一范圍時,堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒水躍，過堰水流受下游水位頂托自由出流v0H0P100v0H0hsP2ht淹沒出流00v0H0hsP2ht淹沒出流

淹沒出流對過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示，其與hs/H0

、P2/H0

有關。

hs/H0（hs從堰頂算起的下游水深）

hs越大，下游水位的頂托作用越大，過流能力影響越大

00v0H0hsP2ht淹沒出流

淹沒出流對過流能力的影響用淹沒系數(shù)σs表示，其與hs/H0

、P2/H0

有關。

P2/H0

（P2下游堰高）當下游護坦較高，P2/H0

較小時，即使下游水位低于堰頂，過堰水流也會受下游護坦影響，產(chǎn)生類似的淹沒效果，降低過流能力。8.3寬頂堰流的水力計算H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流：

2.5＜δ/H

＜10時的堰流幾何特征：堰頂厚度比薄壁堰、實用堰為厚H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流的特點：

進口處形成水面跌落？局部水頭損失，水面降陡

水流動畫0.5rm寬頂堰的流態(tài)H00P1P2v0δ11v1寬頂堰流的特點：進口處形成水面跌落；

堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動