堰流和闸孔出流能力计算
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。
第8章 堰流与闸孔出流
hc
ht
解：1)由收缩断面的水深hc引起的共轭水深hc” 2 h 8 q " hc c ( 1 1) 3 2 ghc
2 0 . 315 8 2 . 45 " hc ( 1 1) 1.82m 3 2 9.8 0.315
2) 根据水跃的形式，判断是否需要修建消力池。
hc 1.82m ht 1.5m
ht
例2：在溢流坝下游收缩断面hc＝0.315m，溢 流坝单宽流量q＝2.45m2/s 。已知下游水深ht ＝1.5 m 。 （1）试判别是否需要修建消力池？ （2）如需修建消力池，试设计挖深式消能池 的池深d。（不考虑挖深影响和出池水面跌落 的影响，消力池水跃淹没系数取σ’=1.1 ）。
分析：
根据收缩断面水深hc 对应的共轭水深hc”与下 游水深ht的关系来判断水 跃的形式。 当淹没系数为1.05— 1.1时，消能效果最好。
所以是远驱式水跃，需要修建消力池。 3）计算消力池池深d
"
' hc " d ht z
d ' hc "ht 1.11.82 1.5 0.5m
例3：某平底坎水闸，闸门宽度为b =4m，闸前 水头H=5m，闸门开度e = 1.25m，闸孔流量系数 μ=0.556，闸门下游收缩断面水深hc = 0.9m。 （1）当闸孔为自由出流时，求通过闸的流量Q 为多少？ （2）当下游水深ht = 2.3m，判别闸下游水跃 的形式，并判断是否需要修建消力池？
2.闸孔出流的计算基本公式：
Q s be 2 gH 0
----闸孔出流的流量系数。
s ----闸孔出流的淹没系数。
b----闸门的宽度 e----闸门的开启度 H----闸前水头
第八章 堰流及闸孔出流资料
v0
P1
1
v1
P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
0
b
H
v0
0
H
b
e
0 图 堰流
0 图 闸孔出流
堰流和孔流取决 上游来流条件（涨水或落水） 闸孔相对开度 闸底坎及闸门型式
因此，堰流和孔流是相对水流条件而言的，水流条 件改变，同一堰上的堰流，或孔流就可能改变。
0
H e
0 图 闸孔出流
平顶堰 e/H ≤0.65 孔流 e/H ＞0.65 堰流
e 闸孔开度；H为堰上水头
H0
(1
0
)
1v12 2g
0
( ) 1
0
δ H
1
v0
H
0 v02
2g
H0
z
p
(1
) v12 2g
P1
1
v1
P2
p
let: z H H0
H0
(1
) 1v12 2g
0
H0
H0
(1
) v12
2g
v1
1
(1 )
2g(H0 H0 )
let : A1 kH0b : k coefficent
P1
1
v1
P2
H0
H
0v02
2g
z
p
(1
) v012
2g
v0 0-0 断面的平均流速 v1 1-1 断面的平均流速 ζ 局部阻力系数
0
δ H
1
v0
P1
1
v1
P2
0
H
0v02
闸孔出流计算
第八章 堰流及闸孔出流第一节概 述水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。
堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。
一.堰流及闸孔出流的概念既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。
水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。
水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。
二.堰流与闸孔出流的水流状态比较堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。
而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。
对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸孔出流。
堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。
经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。
闸底坎为平顶堰65.0≤He为闸孔出流，65.0>He为堰流。
闸底坎为曲线堰75.0≤He为闸孔出流，75.0>He为堰流。
式中，H为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e为闸门开度。
堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。
泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。
②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。
③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。
第八章 堰流及闸孔出流1213
若不计行近流速的影响；上式中闸孔自由出 µbe 2 gH 0 Q µ
bhc beε 2 ε2 流的流量系数µ用（8-22）式计算。则 vc = = = 2 gH 0
0.60− 0.176×0.2 vc = 4.43× 5 = 9.04m/ s 0.619
35
收缩断面的共轭水深为 因为
0.619 9.04 2 hc" = ( 1+ 8 − 1) = 2.91m 2 9.80 × 0.619
3
2
= 3600 m 3 / s
按第三次求得的流量计算得
v04 = 4.32m / s
因为Q4与Qm H = 11.91m h = 0.91 3相当接近 求的 Q＝3690m3/s，v0=4.23m/s。 Q
v04
04
4
。故可认为所 Q4 = 3690m 3 / s
− Q3 = 0 . 27 % Q4
20
2．流量系数m 当P1＝7m， 1
P 7 = = 3.5 H 2
时，对堰顶入口为圆弧形的宽顶
堰，流量系数m=0.36。 3．淹没系数 σ s 由 hs = h1 − P2 = 2.5 − 0.7 = 1.8m 因为
0.8 H 0 = 0.8 × 2.1 = 1.68m
，故为淹没出流。 ，从表8-2查得
e 1 = = 0.2 < 0.65 先判别闸孔出流的性质： H 5
由表8-7，当e/H＝0.2时，垂直收缩系数ε2 ＝0.619， 则收缩水深为
hc = ε 2 ⋅ e = 0.619 × 1 = 0.619m
34
" hc 由下式计算 收缩水深hc的共轭水深
hc vc2 hc" = ( 1 + 8 收缩断面的流速vc为 gh − 1) 2 c
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。
第八章：堰流和闸孔出流
0
2
2g
淹没出流
k v h 2 hk hs hs 自由出流
H0
H k
P 1
v0
H
2 0v 0
取1-1，2-2断面写能量方程：
2g
h
v 2
2g
v
2
2g
23 令 则
v
H0 H
v2
0 0
2g 2 v H 0 h (1 ) 2g
， 1.0
堰顶 O 点上游可采用三种曲线连接：
三段复合圆弧型曲线
堰剖面的定型设计水头 Hd的确定： 高堰：P1≥1.33 Hd， Hd=（0.75—0.95）Hmax 低堰：P1<1.33 Hd， Hd=（0.65—0.85）Hmax Hmax-----校核流量下的堰上水头。
第三节 实用堰
二、流量公式
3
2、流体为理想流体时，则=0，即=1.0 ， m=0.385
第四节 宽顶堰
25
二、侧收缩宽顶堰（b<B）
Q bm 2 g H 0
式中的侧收缩系数
3/ 2
，对多孔宽顶堰有经验公式：
H
0
1 0.2[ k (n 1) 0 ]
nb
式中：k 、 0 ——边墩和闸墩形状系数。取值同实用堰。
1、堰顶水头 H；
2、堰宽 b；
3、上游堰高P1、下游堰高P2；
L=(3~5)H H P1 v0 P2 h
4、堰顶厚度 ；
5、上、下水位差 Z；
水舌 Z
6、堰前行近流速v0。
第一节
堰流的分类及水力计算基本公式
矩形堰 三角形堰 梯形堰 折线型实用堰 曲线型实用堰 复合型实用堰
水力学 堰流及闸孔出流
（ hs 为堰顶淹没水深）
P/H 3 m 0.36 应用条件：直角进口
P/H 3 m 0.36 0.01 3P/H
1.2 1.5P / H 应用条件：直角进口
P/H 3
侧收缩堰
淹没出流 hs 0.8H 0
Q S mb 2g H03 2
1
a
0.2 P / H
9－5 确定。
§ 9-6闸孔出流的水力计算（小桥孔径出流） • 2闸孔淹没出流
流量公式： Q S be 2gH0
底坎为实用堰平面闸门时，流量系数为：
0.65 0.186e / H (0.25 0.357 e ) cos
H
• 本章小结 • 1、堰种类 • 2、宽顶堰自由、淹没出流条件 • 3、堰流与闸孔出流的判别标准（开度/堰上
§ 9-1堰流的定义及其分类
• 薄壁堰：过堰水流的水舌仅与堰顶的周边 接触； / H 0.67
• 实用堰：过堰水流的水舌与堰顶的曲面接 触； 0.67 / H 2.5
• 宽顶堰：过堰水流的水舌受堰顶宽度的顶 托作用； 2.5 / H 10
§ 9-2堰流的基本公式 • 1堰流的基本公式的建立
2
g
(1
)
H
3 0
2
令 m K 1 f (, K, ) 流量系数；（不同的堰流量系数不
同）
堰流量为 Q mb
2g
H
3 0
2
§ 9-2堰流的基本公式 • 2堰流量系数及其影响因素
堰口侧面有收缩可引入收缩系数 ；
下游为淹没出流引入淹没系数 S ；
堰流量为 Q S mb
2g
H
3 0
2
§ 9-3 薄壁堰
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第七章 堰流和闸孔出流能力计算
一、选择题
1、作用水头相同时，孔口的过流量要比相同直径的管咀过流量
（1）大
（2）小
（3）相同
（4）无法确定 。
2、堰流的流量与堰顶水头的（ ）成正比。
（1）1/2次
（2）3/2次方
（3）2次方
（4）1次方
3、闸孔出流的流量与闸前水头（ ）成正比
（1）1次方
（2）2次方
（3）0.5次方
4、对WES 曲线型实用堰来说，当实际水头小于设计水头时，实用堰的实际过水能力（ ）设计过水能力。
（1）大于
（2）小于
（3）等于
（4）不一定
5、发生水跃是水流由
（1）缓流过渡到急流
（2）临界流过渡到急流
（3）急流过渡到急流
（4）急流过渡到缓流
6、当堰厚为δ，堰上水头为H ，那么0.67<H δ
<2.5，则此堰称为
（1）薄壁堰
（2）实用堰
（3）宽顶堰
（4）三角堰
7、在作用水头相同的条件下，孔口的流量系数比等直径的管嘴流量系数
（1）大
（2）小
（3）不能判断
（4）跟其他因素有关
二、填空题
1、测量明槽流量的主要工具有________。
2、堰流可分为薄壁堰、________堰和宽顶堰。
3、闸孔出流可分为________出流和淹没出流。
4、_____堰是主要用作测量流量的设备；_______堰则适用于水利工程中的大、中型溢流坝中。
三、问答题
1、什么是WES 实用堰的设计水头d H 和设计流量系数d m ？当其它条件相同时，实际作用水头小于或大于设计水头时，对实用堰过流能力产生什么影响？
2、何谓堰流，堰流的类型有哪些？如何判别？
3、下图中的溢流坝只是作用水头不同，其它条件完全相同，试问：流量系数哪个大？哪个小？为什么？
四、计算题
1、如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当闸门开
度e=1m 时，其泄流量Q = 24.33m /s ，闸孔宽b= 4m ，试求：堰上水头H 。
2、一曲线型实用堰，堰顶设有弧型闸门，如下图所示。
已知堰顶宽度b=10m ，堰顶水头H=6m ，闸门开度e=2m ，不计行近流速，闸下游为自由出流。
试求闸孔泄流量Q 。
（流量系数H e 19.0685.0-=μ）
3、有一三角形薄壁堰，堰口夹角090=θ，夹角顶高程来0.6m,溢流时上游水位为0.82m,
下游水位为0.4m ，求流量。
4、为了灌溉需要，在某河修建拦河溢流坝一座，如图所示。
溢流坝采用堰顶上游为三圆弧段的WES 型 实用堰剖面。
（单孔边墩为圆弧形）坝的设计洪水流量为540s m /3
,相应上、下游设计 洪水位分别为50.7m 和48.1m 。
坝址处河床高为38.5m ，坝前河道过水断面面积为5242m .根据灌溉水位要求，已确定坝顶高程为48.0m ，求：坝的溢流宽度B 。
5、有一平底闸，共5孔，每孔宽度b=3m，闸上设锐缘平面闸门，已知闸门上水头H=3.2m，闸门开启高度e=1.2m,自由出流，不计行近流速，求通过水闸的流量。
6、某实用堰共七孔，每孔宽度b=5m，在实用堰堰顶最高点设平面闸门，已知闸门上水头H=5.6m，闸孔开启高度e=1.5m，下游水位在堰顶以下，求通过闸孔的流量。
（不计行近流速）。