孔口、溢流堰等计算
堰流闸孔出流和桥涵过流的水力计算资料
有些临时性的挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄 壁堰流计算。
另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一 般按照矩形薄壁堰流水舌缘曲线设计。
所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。
常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或 三角形，分别称为薄壁堰或三角形薄壁堰。
(
y Hd
)
k(
x Hd
)n
式中：系数
k
Hd
4 cos2 u 2
；指数 n =2。
2g
我国采用的剖面有： 1．克里格－奥菲采洛夫（过去常用） 2．渥奇 3．美国水道试验站WES型（现在常用）
WES剖面如图
二、WES剖面型实用堰的流量系数m
实验研 究表明，曲 线型适用堰 的流量系数 主要决定于 上游堰高与 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。
图8-5是实验室中测得的无测收缩，非淹没矩形薄壁堰 自由出流的水舌形状。
无测收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量按（8-1）式计算
即
Q mb 2g H03/2
为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写（8-1） 式，把行近流速的影响包括在流量系数中去：
Q mb
2g
H
a0 v0 2 2g
3/ 2
m1
H
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
8-1 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 的建筑材料 和使用要求 作成不同的 堰。 堰坎外形及 厚度不同其 能量损失及 过水能力也 会不同。
附录一泄水建筑物水力设计计算公式
附录一泄水建筑物水力设计计算公式一、堰面曲线1.开敞式溢流孔的堰面曲线。
采用幕曲线时按下式和附表1计算。
n n_1X ^kH S y（附1）式中 H S为定型设计水头，按堰顶最大作用水头H zmax的75%〜95%计算（m）,其它符号见附图1,数值见附表1。
附表1上游坝面坡度k n垂直(3 : 0) 2.000 1.8503 : 1 1.936 1.836原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为X2. (bH s - y)2(aH s)2(bH s)2式中 aH s和bH s分别为椭圆曲线的长轴和短轴。
若上游面垂直，其长轴 aH s和短轴bH s可按以下关系选定: a :028 ~030a0.87 3a定型设计水头选择及堰顶可能出现的最大负压值参照附表2。
采用倒悬堰顶时（如附图1）,应满足d>定型设计水头H S情况下的流量系数m和其他作用水头H Z情况下的流量系数m z的比值参照ZmaX2附表3。
2•设有胸墙的堰面曲线。
当校核情况下最大作用水头H Zmax (孔口中心线上)与孔口高(D)的比HZmaX>1.5值 D时；或闸门全开时仍属孔口泄流，即可按下式计算:2Xy _4「2H S式中 HS ——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%〜95%;W ――孔口收缩断面上的流速系数， 一般取40.96;若孔前设有检修闸门槽时取H1.2< ^ZmaX <1.5 若 D时，应通过试验决定。
H s /H ZmaX 0.75 0.775 0.80 0.825 最大负压值(m) 0.5H s 0.45H S0.4H s0.35H SH s / H ZmaX0.85 0.875 0.90 0.95 1.0 最大负压值(m)0.3H s0.25H S0.2H s0.1H s0.0H sH z /H s0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 m z /m0.850.900.950.9751.01.0251.07二、泄水建筑物泄水能力计算公式 1.开敞式溢流孔的泄水能力可按下式计算:（附2）=0.95。
计算书
1非溢流坝段设计计算1.1设计校核洪水位的确定由堰流公式相应洪水位= 堰顶高程+ H0H0=1.05H dB=Q/qn=B/b式中:Q--流量m3/sB--溢流堰孔口宽mH0--堰顶以上作用水头G--重力加速度9.8m3/sm—流量系数n—孔口数H d—堰面曲线定型设计水头B—溢流孔的净宽b—孔口净宽q—单宽流量--侧收循系数,根据闸墩厚度及墩头形状而定,=1, =0.95,m=0.502,q=60㎡/s,b=5m,堰顶高程=1057.00m计算成果见表：表5.2 堰顶高程1.2坝顶高程的确定坝顶高程分别按设计和校核两种情况，用以下公式进行计算：波浪要素按官厅公式计算。
公式如下：1/31/121022000.0076gh gD v v v -⎛⎫= ⎪⎝⎭...............................① 1/3.751/2.15022000.331gL gD v v v -⎛⎫= ⎪⎝⎭...............................②212z h Hh cthLLππ=...............................③ 库水位以上的超高h ∆：1c z h h h h ∆=++式中1h --波浪高度，mz h --波浪中心线超出静水位的高度，mc h --安全超高，m(查规范得,设计情况取0.3m,校核情况取0.2m)o v --计算风速。
水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍,取19m/s ，校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，15 m/sD-风区长度；取800m L--波长；M H--坝前水深 1.2.1.1 设计情况下gD/v 02=9.8×800/192=21.72,在20—250之间,故h 的累积频率为5%的波高,带入①中,9.8×h 5%/192=0.0076×19-1/12×(9.81×800/192)1/3 得h 5%=0.55m查《混凝土重力坝设计规范》表B.6.3得 h 5%/hm=1.95 hm=0.55/1.95=0.282m h 1%/hm=2.42 h 1%=0.282×2.42=0.682m将各值带入②得9.81L/192=0.331×19-1/2.15×(9.81×800/192)1/3.75L=6.32m 公式③得H=1064.29-1021.00=43.29mhz=3.14×0.6822/6.32×coth(可知库水位超高 1c z h h h h ∆=++=1.213m 可知坝顶高程=1063.17+1.231=1064.38m1.2.1.2校核情况计算方法同上,可知库水位超高 1c z h h h h ∆=++=0.934m 可知坝顶高程=1067.22+0.934=1068.15m以上两种情况取较大值,所以坝顶高程为1068.15m 则坝高=1068.15-1021.00=47.15m1.3确定下游水深由资料可知,坝址处河道宽取37m,假定下游水位h=5m,m=1.43,i-0.00682,b=37,n=0.050 由水力学公式可得A=(b+mh)h=(37+1.43×5)×5=220.75㎡m h b x ++=12=37+2×5×43.11+=52.59mR=A/X=220.75/52.59=4.20 C=R 1/6/n=1/0.05×4.201/6=25.40m 1/2/sQ=AC Ri =220.75×25.40×0.06822.4⨯=948.97m 3/s依次假定h=4m,得Q=644.28 m 3/s假定h=3m,得Q=393.81 m 3/s假定h=2m,得Q=197.72 m 3/s假定h=1m,得Q=61.76 m 3/s 做图得下图依据图可得:在设计情况下,Q=324 m3/s,对应的h=2.8m在校核情况下,Q=690 m3/s,对应的h=4.4m在消能防冲情况下,Q=268 m3/s,对应的h=2.5m在厂房校核情况下,Q=587 m3/s,对应的h=3.9m在电站引用流量情况下,Q=80 m3/s,对应的h=1.2m1.4坝截面的假定为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。
孔口、溢流堰等计算
孔口出流计算表
钢管内径d=0.2m管道长度L=100m毛水头H=30
通过流量Q=0.234m3/s管内流速V=7.43m/s
钢管内径d=0.3m管道长度L=100m毛水头H=20
通过流量Q=0.562m3/s管内流速V=7.95m/s
0.467076
管壁厚度计算
设计水头（包括水锤压力）H=110.00m压力管内径D=0.20计算管壁厚(公式1）δ= 2.25m
不考虑侧向收缩影响的薄壁溢流堰计算（稍偏大）
0.2m
a=0.3m
H=0.03m
堰宽b= 1.1m
（1）巴青公式
m0=0.499632
（1）巴青公式流量Q溢=0.01265m3/s（1）雷保克公式流量Q溢=
宽顶溢流堰计算
溢流宽度b=8m下泄流量Q溢= 2.7m3/s溢流水深H0=
钢管用量计算
管内径 D=0.20m流量Q=0.24m3/s钢管制作单位投资=管总长 L=220.00m管壁厚⊿b= 2.50mm平均每米用钢量 g=流速V=7.64m/s用钢总量 g= 2.84T总投资=
m糙率n=0.01
m糙率n=0.01
m
（稍偏大）
(2)雷保克公式
m0=0.434283
0.010995m3/s
溢流水深H0=0.340m
4400.0元/吨12.48Kg 1.25万元。
溢洪道设计计算说明
岸边溢洪道设计6.3.1溢洪道说明溢洪道其主要任务是泄洪，土石坝不允许水过坝顶，需要专门修建泄洪建筑物。
根据本工程的地形条件，上游坝址左岸沿河流方向有一道呈现弧形的纵向凹槽，所以选择溢洪道设置在大坝左岸，为带胸墙孔口式岸边溢洪道。
溢洪道由引渠段、堰闸段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。
6.3.2 溢洪道引水渠为了使水流平缓，减小或不发生漩涡和翻滚现象，进口采用喇叭口，进口宽度B=50m.设计流速4m/s，横断面在岩基上接近矩形，边坡根据稳定要求确定这里选择边坡坡度为1:0.5；采用梯形断面，进水渠的纵断面做成平底。
在靠近溢流堰前断区，由于流速较大，为了防止冲刷和减少水头损失，可采用混泥土护面厚度为0.5m。
6.3.3 控制段控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，溢流堰通常可以选择宽顶堰、实用堰、驼峰堰。
溢流堰的体形应尽量满足增大流量系数，溢流堰作用是控制泄流能力，本次设计采用实用堰，优点是流量大，在相同的泄流条件下需要的堰流前缘长，工程量小。
采用弧形闸门。
初步拟定堰顶高程H=设计洪水位—堰顶最大泄水位H0堰顶高程H=1838=1858.22—H 0，则H 0=20.22m 胸墙式孔口溢流堰形式的下泄流量Q 公式为：320=Q ε溢式中：ε ——闸墩侧收缩系数，0.9； m ——流量系数，0.48:； g ——重力加速度，9.81 2m/s ； B ——堰宽，12m;水位为设计洪水位1858.22m 时，堰顶高程1838m ，设计Q 溢=4645m3/s.则由上面公式计算得出的B=26.69m,取B=14m.表6.3-1溢洪道宽顶堰堰宽计算（忽略流速）计算取b=28m,孔口数2孔，弧形工作闸门取值14x19m(宽x 高)。
中墩厚3m,边墩宽1m,闸室宽度=14x2+3+2x1=33m.堰面曲线的确定开敞式堰面曲线，幂曲线按式（7-2）计算：1n n d x KH y -= （7-2）式中 Hd ——堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高P1≥1.33Hd 的高堰，取Hd=(0.75～0.95)Hmax ，对于P1<1.33Hd 的低堰，取Hd=(0.65～0.85)Hmax ，Hmax 为校核流量下的堰上水头.x 、y ——原点下游堰面曲线横、纵坐标； n ——与上游堰坡有关的指数，见表A.1.1；k ——当p1/Hd>1.0 时，k 值见表A.1.1，当P1/Hd ≤1.0 时，取k=2.0～2.2。
孔口泄流 计算
孔口泄流计算
孔口泄流是指通过开口孔的流量。
计算孔口泄流可以使用孔流公式。
一般情况下，孔口泄流可以用以下公式计算：
Q = C * A * √(2 * g * H)
其中，Q是孔口泄流量，C是流量系数，A是孔口面积，g是重力加速度，H是液位高度（从孔口到液面的垂直距离）。
流量系数C通常根据孔形、流态以及其他因素来确定。
不同的孔形具有不同的流量系数，常见的流量系数范围一般在0.6到0.8之间。
孔口面积A可以根据孔的形状和尺寸来确定。
重力加速度g一般取9.81 m/s²。
液位高度H通常是指从孔口到液面的垂直距离。
将对应的数值代入公式计算即可得到孔口泄流量Q的值。
溢流坝设计过程详解
溢流坝设计溢流坝断面尺寸的拟定（一）孔口设计（1）孔口样式本次设计溢流坝段采用开敞式溢流坝，孔口形式采用坝顶溢流式，堰顶不设闸门，溢流堰堰顶高程为880m。
（2）孔口尺寸本次设计溢流堰净宽18m，取2孔。
（二）溢流坝剖面设计溢流曲线设计定型设计水头H d=0.85H max=0.85×4.21=3.579m。
上游堰高P1>1.33H d，则高堰流量系数为m d=0.496。
①上游三圆弧段R1=0.5H d=0.5×3.579=1.7893mX1=0.175H d=0.6263mR2=0.2H d=0.2×3.579=0.7157mX2=0.276H d=0.9878mR3=0.04H d=0.04×3.579=0.1431mX3=0.282H d=1.0093m②下游曲线段当坝体上游面为铅直时，WES堰型下游面曲线公式为：x1.85=2.0H d0.85y③中间直线段中间直线段坡比为1:0.7.④下游反弧段本次设计下游采用挑流消能，反弧半径R=(4~10)h，h为校核洪水位时反弧段最低点处的水深。
挑流鼻坎高程取800m（下游最高水位为798.88m）。
反弧段最低点流速：v=φ√2gH0式中，流速系数φ用原水电部东北勘测设计院所给公式计算：φ=1−0.0077(q23S0)1.15式中，S0——坝面流程；P——挑坎顶部以上的坝高；B0——溢流面水平投影长度。
计算得φ=0.817。
则反弧段最低点流速v=33.21m/s。
反弧段最低点处水深h=qm/vB=0.567m。
代入R=(4~10)h，可取R=5.67m。
挑流鼻坎挑射角度一般为20º~25º,本次设计为23.42º。
溢流坝段挑流消能水力计算挑流消能水利要素包括水舌挑射距离和冲刷坑深度。
其计算公式为：L0=φ2s1sin2θ(1+√1+a−ℎtφ2s1sin2θ)式中，s1——上游水面至挑坎顶部的距离；h t——冲刷坑后的下游水深。
8堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算
边缘与堰上游同侧水边线间的距离。
三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数
宽顶堰的淹没条件（取平均值）为 宽顶堰的淹没系数
hs/H0 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
h s 0 .8 H 0
σs
1.00
0.995 0.99
0.98
0.97
如图所示矩形薄壁堰自由出流，设堰顶B点处水流质 点流速u与水平方向相交成θ角，则x、y方向大流速分量 等于 u x u cos , u y u sin 则在水舌下缘最高点时有
ux u,u y 0
x u x t ut cos 经时刻t后，液体质点的坐标值为： 1 2 y gt 2 y x n H d 整理后得 ( ) k( ) 消去t后，两端用 H d Hd
闸底坎平顶堰时
e H
e H 0 . 65
0 . 65
为闸孔出流； 为堰流；
闸底坎为曲线型堰流时
e H e H 0 . 75 0 . 75
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。
8-1 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 的建筑材料 和使用要求 作成不同的 堰。 堰坎外形及 厚度不同其 能量损失及 过水能力也 会不同。
一、矩形薄壁堰流
薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此， 常作为水力模型试验或外测量中一种有效的量水工具。 有些临时性的挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄 壁堰流计算。
另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一 般按照矩形薄壁堰流水舌缘曲线设计。
所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。
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孔口出流计算表
钢管内径d=0.2m管道长度L=100m毛水头H=30
通过流量Q=0.234m3/s管内流速V=7.43m/s
钢管内径d=0.3m管道长度L=100m毛水头H=20
通过流量Q=0.562m3/s管内流速V=7.95m/s
0.467076
管壁厚度计算
设计水头（包括水锤压力）H=110.00m压力管内径D=0.20计算管壁厚(公式1）δ= 2.25m
不考虑侧向收缩影响的薄壁溢流堰计算（稍偏大）
0.2m
a=0.3m
H=0.03m
堰宽b= 1.1m
（1）巴青公式
m0=0.499632
（1）巴青公式流量Q溢=0.01265m3/s（1）雷保克公式流量Q溢=
宽顶溢流堰计算
溢流宽度b=8m下泄流量Q溢= 2.7m3/s溢流水深H0=
钢管用量计算
管内径 D=0.20m流量Q=0.24m3/s钢管制作单位投资=管总长 L=220.00m管壁厚⊿b= 2.50mm平均每米用钢量 g=流速V=7.64m/s用钢总量 g= 2.84T总投资=
m糙率n=0.01
m糙率n=0.01
m
（稍偏大）
(2)雷保克公式
m0=0.434283
0.010995m3/s
溢流水深H0=0.340m
4400.0元/吨12.48Kg 1.25万元。