第10章堰流及閘孔出流10.1堰流定義和分類10.2堰流基本公式10.3薄壁堰流10.4實(shí)用堰流10.5寬頂堰流10.6閘孔出流水利工程、給水排水工程中，為防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電、取水、給水處理、污水處理等要求，修建能控制水位、溢流泄水、測(cè)量流量的閘、堰等水工建筑物。例如，溢流壩、水閘底檻、橋孔、無(wú)壓涵洞進(jìn)口。在明渠中設(shè)置障礙物（水工建筑物），明渠水流在障礙物作用下，上游發(fā)生壅水，水流從障礙物頂部溢過(guò)時(shí)水面在障礙物上跌落的水流現(xiàn)象稱為堰流。障礙物稱為堰在明渠中設(shè)置閘門，水流從閘門下的孔口流出的水流現(xiàn)象稱為閘孔出流。堰流與閘孔出流這兩種水流狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，除與閘孔的相對(duì)開(kāi)度e/H有關(guān)外，還與閘底坎及閘門的型式有關(guān)。平頂堰：e/H≤0.65閘孔出流e/H＞0.65堰流式中：e

閘孔開(kāi)度；H

堰上水頭曲線型堰：e/H≤0.75閘孔出流

e/H＞0.75堰流式中：e閘孔開(kāi)度；H

堰上水頭實(shí)際工程中，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者折線型；實(shí)驗(yàn)室量水堰一般用鋼板、木板作成薄堰壁?！?0.1

堰流定義和分類表征堰流的特征量有：堰寬b，即堰的過(guò)水寬度；堰前水頭H，即堰上游水位高于堰頂?shù)淖畲蟾叨?；堰壁厚度δ及其剖面形狀；下游水深ht及下游水位高出底坎的高度Δ；堰上游坎高h(yuǎn)p及下游坎高h(yuǎn)p'；上下游水位差z；行近流速v0等?！?0.1

堰流定義和分類當(dāng)水流接近堰頂，流線收縮，流速加大，自由表面逐漸下降；堰前斷面：把堰上游水面無(wú)明顯下降的0-0斷面，堰前斷面距離上游壁面的距離：

L=（3～5)H；堰上水頭：堰前斷面堰頂以上的水深，用H

表示；行進(jìn)流速：堰前斷面的流速稱為行進(jìn)流速，用v0表示。HP1v011v1P20δ0§10.1

堰流定義和分類研究表明，流過(guò)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(shí)用堰：寬頂堰：§10.1

堰流定義和分類越過(guò)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。薄壁堰：

HP1v011v1P20δ0§10.1

堰流定義和分類實(shí)用堰流：水利工程，常將堰作成曲線型，稱曲線型實(shí)用堰；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(guò)流能力。

00v0Hδ11§10.1

堰流定義和分類H00P1P211v1v0δ折線型實(shí)用堰：水利工程，常將堰作成折線形§10.1

堰流定義和分類寬頂堰：H00P1P2v0δ11v1

寬頂堰堰頂厚度對(duì)水流頂托非常明顯水流特征：水流在進(jìn)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(shí)，出堰水流二次水面降落§10.1

堰流定義和分類上述三類堰又可按以下特征進(jìn)行分類：按堰坎在平面上的位置分為：正交堰：垂直于水流軸線方向；斜堰：與水流斜交；側(cè)堰：與水流平行?！?0.1

堰流定義和分類按堰口形狀分為：矩形堰、三角堰、梯形堰及曲線型堰。按水流行近堰體的條件分為：無(wú)側(cè)收縮堰；有側(cè)收縮堰?！?0.1

堰流定義和分類按下游出流是否影響泄流能力分為：淹沒(méi)堰；非淹沒(méi)堰?！?0.1

堰流定義和分類HP1P2v0δ11v1對(duì)堰前斷面0-0和堰頂斷面1-1列能量方程基準(zhǔn)面：通過(guò)堰頂?shù)乃矫妗?0.2

堰流基本公式設(shè)：則：§10.2

堰流基本公式上式即為堰流的水力計(jì)算基本公式影響流量系數(shù)的主要因素§10.2

堰流基本公式薄壁堰具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，常作為水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)、野外量測(cè)中的一種有效量水工具；給水、污水處理廠的量水設(shè)備；當(dāng)做臨時(shí)擋水建筑物?！?0.3

薄壁堰流矩形薄壁堰上下游等寬，堰流無(wú)側(cè)收縮；當(dāng)自由出流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度較高。v011v1P200δHP1§10.3

薄壁堰流10.3.1

矩形薄壁堰HP10.003H0.010H0.040H0.150H0.22H0.669H0.112H0.67HHH3H通氣管貼壁流動(dòng)為保證下游為自由出流，矩形薄壁堰應(yīng)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?！?0.3

薄壁堰流10.3.1矩形薄壁堰式中，m0為包括行進(jìn)流速在內(nèi)的流量系數(shù)，可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。§10.3

薄壁堰流10.3.1矩形薄壁堰流量計(jì)算公式如下：雷布克于1912年得出的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：巴贊于1889年得出的的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：§10.3

薄壁堰流10.3.1矩形薄壁堰當(dāng)有側(cè)向收縮時(shí)淹沒(méi)時(shí)§10.3

薄壁堰流10.3.1矩形薄壁堰當(dāng)所需測(cè)流量較?。ɡ鏠

＜0.1m3/s）時(shí)，若用矩形薄壁堰，則水頭過(guò)小，誤差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夾角可取不同值，但常用直角?！?0.3

薄壁堰流10.3.2三角形薄壁堰三角形薄壁堰流可看成由若干不同微小矩形堰的疊加。設(shè)三角形堰堰頂?shù)膴A角θ，自頂點(diǎn)算起的堰上水頭為H，將微小寬度db看成薄壁堰流，則流量的表達(dá)式為：式中，h為db處的水頭。由幾何關(guān)系可知，則§10.3

薄壁堰流10.3.2

三角形薄壁堰積分得三角形薄壁堰流量令則

§10.3

薄壁堰流10.3.2

三角形薄壁堰在實(shí)際工程中，三角堰常為等腰直角三角形§10.3

薄壁堰流10.3.2

三角形薄壁堰1897年意大利人西波利地（Cipoletti）研究得出：§10.3

薄壁堰流10.3.3梯形薄壁堰流量計(jì)算公式如下：實(shí)用堰是水利工程中常見(jiàn)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?！?0.4

實(shí)用堰流非真空堰：如果堰的剖面曲線與薄壁堰的水舌下緣曲線相吻合，水流作用在堰面上壓強(qiáng)近似為大氣壓強(qiáng)，稱為非真空堰。真空堰：如果堰的剖面曲線低于薄壁堰的水舌下緣曲線，溢流水流脫離堰面，脫離處的空氣被水流帶走而形成真空區(qū)，這種堰稱為真空堰?！?0.4

實(shí)用堰流

上游直線段：AB堰頂曲線段：BC

下游直線段：CD

下游河底連接段：DEEHdP1P2ABCDOαm§10.4

實(shí)用堰流§10.4

實(shí)用堰流實(shí)用堰的流量計(jì)算公式如下：對(duì)于實(shí)用堰的流量系數(shù)，主要取決于堰頂?shù)膸缀涡螤罴吧嫌蔚淖饔盟^。其具體數(shù)值應(yīng)由模型試驗(yàn)決定。

試驗(yàn)研究表明,堰下游可為

自由出流：過(guò)流能力不受下游水位影響；淹沒(méi)出流：過(guò)水能力降低。原因：當(dāng)下游水位高過(guò)堰頂至某一范圍時(shí),堰頂下游水位高于堰頂，堰下游為淹沒(méi)水躍，過(guò)堰水流受下游水位頂托?！?0.4

實(shí)用堰流自由出流v0H0P100v0H0hsP2ht淹沒(méi)出流§10.4

實(shí)用堰流實(shí)際工程中，實(shí)用堰由閘墩和邊墩分隔成數(shù)個(gè)等寬堰孔。邊墩閘墩b'ddb'b'邊墩§10.4

實(shí)用堰流H00P1P2v0δ11v1§10.5

寬頂堰流時(shí)，進(jìn)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(dòng)，稱寬頂堰流。發(fā)生一次跌落，在堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深。發(fā)生兩次跌落，水面最大跌落處形成收縮斷面c-c，而后，水面形成壅水曲線，逐漸接近堰頂斷面的臨界水深，如果下游水位較低，在堰坎末端再次出現(xiàn)跌落?！?0.5

寬頂堰流10.5.1

自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰頂堰流流量對(duì)直角銳緣進(jìn)口對(duì)堰頂進(jìn)口為圓角若§10.5

寬頂堰流10.5.1

自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰寬頂堰淹沒(méi)出流的判別條件是：寬頂堰淹沒(méi)出流的公式：§10.5

寬頂堰流10.5.2

淹沒(méi)條件和淹沒(méi)出流自由式寬頂堰的流量公式為側(cè)收縮系數(shù)其中

當(dāng)閘墩（或邊墩）頭部為矩形,堰頂為直角入口時(shí)，a＝0.19；當(dāng)閘墩（或邊墩）頭部為圓弧形，堰頂入口為直角或圓弧形時(shí)，a＝0.10。溢流孔凈寬度上游引渠寬度§10.5

寬頂堰流10.5.3

側(cè)收縮的影響對(duì)于多孔寬頂堰（有邊墩及閘墩）：中孔側(cè)向收縮系數(shù)邊孔側(cè)向收縮系數(shù)§10.5

寬頂堰流10.5.3

側(cè)收縮的影響側(cè)向收縮影響的流量系數(shù)無(wú)坎寬頂堰流的一般表達(dá)式為§10.5

寬頂堰流10.5.4

無(wú)坎寬頂堰閘門主要用來(lái)控制和調(diào)節(jié)河、渠的流量及水庫(kù)的水位和泄流量。工程實(shí)際中，閘門的底坎一般為寬頂堰或?qū)嵱醚?。閘門的形式主要有平板閘門和弧形閘門。§10.6

閘孔出流(a)(b)閘孔出流受水躍位置的影響可分為自由出流及淹沒(méi)出流二種。如圖，設(shè)收縮水深hc的躍后水深為。若≤，則水躍發(fā)生在收縮斷面處或收縮斷面下游。下游水深的大小不影響閘孔出流，稱做閘孔自由出流。§10.6

閘孔出流(c)若＞，則水躍發(fā)生在收縮斷面上游，水躍旋滾覆蓋了收縮斷面，稱為閘孔淹沒(méi)出流。通過(guò)閘孔的流量隨下游水深的增大而減小?！?0.6

閘孔出流水力計(jì)算的任務(wù)：在一定閘前水頭下計(jì)算不同閘孔開(kāi)度時(shí)的泄流量；或根據(jù)已知的泄流量求所需的閘孔寬度b。計(jì)算基本公式：

式中：μ

閘孔出流流量系數(shù)，b

閘孔寬度，e

閘孔開(kāi)度，H0閘前水頭?！?0.6

閘孔出流10.6.1

閘孔自由出流§10.6

閘孔出流10.6.1

閘孔自由出流表10-6為平板閘門垂直收縮系數(shù)；表10-7為弧形閘門垂直收縮系數(shù)。收縮斷面水深：設(shè)：：垂直收