项目七 闸孔出流水力分析与计算
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
D-2水闸水力学计算程序
D-2 水闸水力学计算程序作者 陈靖齐（水电部天津勘测设计院） 校核 潘东海（水电部天津勘测设计院）一、概述：（一）水闸过水能力计算的难题是流量系数μ，经验方式很多，各家不同，甚至一本参考书，列出几种公式，几种算例，深入研究流量系数不是本程序范围，本程序仅对现有公式择优选一。
（二）一般计算流量时，不计行进流速V 0=Q/BH ，本程序用迭代法，考虑了V 0，即Q →V 0→H 0，再算Q ，较符合实际过程，精度│△Q │< 0.001m 3/s 。
（三）求e 用迭代法。
二．功能：本程序能计算平底平板闸门、平底弧形闸门、实用堰平板闸门、实用堰弧形闸门四种情况下的流量，闸门开启度e 。
三．公式和算法： （一）流量公式（平底平板闸门可求淹没系数σ） 或（其他三种情况）式中：μ0—流量系数，因闸门形式，底坎形式，相对开度e/H 而异； e —闸门开度（m ）； B —闸门宽（m ）； H 0—闸前水深（m ）； H S —下游水深（m ）；g —重力加速度（9.8m/s 2）。
（二）流量系数：本程序取武水的一套较完整的流量系数公式。
1，平底、平板闸门μ0=0.6-0.176e/H ［清华、武水］（华水多—尾项）2，平底、弧形闸门μ0=0.97-0.56e/H-（1-e/H ）×0.258θ［武水］式中：θ--弧形闸门下缘入流角（弧度值）。
25°≤θ≤90°，0.1≤e/H ≤0.65 R —弧形闸门半径； C —转轴高；02gH eB Q σμ=）（s h h g eB Q -=002μRe c COS -=-1θ3，实用堰上平板闸门4，实用堰上弧形闸门（三）淹没出流问题1，平板平底闸门，淹没系数σ=σ[（hs-hc ″）/（H-hc ）]，其关系为一条曲线，本程序已使其离散和数据化存数据库中，可自动插值。
式中： hs —下游水深（m ）；hc ″—水跃后水深（m ）； hc —收缩断面宽度：hc=ε eFrc=Uc 2/ghc 收缩断面Frude 数e —平板闸门侧收缩系数表，本程序已存数据库中。
项目七 闸孔出流水力分析与计算
e H
(0.15 0.2
e ) cos H
（7-5）
当 cosθ=0.3~0.7 时：
0
0.545 0.136
e H
0.334(1
e H
) cos
（7-6）
需要说明的是上面垂向收缩系数 ε’及流量系数 μ0 确定方法严格来说仅使用于无坎宽
顶堰型闸孔出流，但某些实验证明，对于有坎宽顶堰型的闸孔出流（图 7-4），只要收缩
H
v02 2g
hc
c vc2 2g
hw
式中 ：hw —水流从 0-0 断面到 c-c 断面的水头损失，由于 0-0 到 c-c 断面的距离很
短水流为急变流，因而只计局部水头损失，即 hw
vc2 2g
。
令： H 0
H
v02 2g
，H0
称为包括流速水头在内的闸前总水头，将 hw
vc2 2g
及
1
图 7-1
实际工程中，对同一建筑物而言，如建在实用堰或宽顶堰的堰顶上的水闸，在某些
条件下为闸孔出流，当条件变化就可能属于堰流，堰流和闸孔出流在一定条件下是可以
互相转化的。如闸孔出流的闸门的开启高度 e 增大到一定值时，闸前水面下降而不受闸
门底缘约束，则水流就由闸孔出流转化为堰流；反之，如原为堰流，当闸门的开启高度
图 7-9
【案例分析与计算】： （1）判断出流情况为堰流或闸孔出流
e e 0.5 0.20 0.65 为闸孔出流 H h P1 3.1 0.6
本案例是按闸底坎为宽顶堰的闸孔出流进行泄流量计算。由于堰前水深较大、闸门 的开启度小，闸前行近流速水头忽略不计，则 H0≈H=3.1-0.6=2.5m。
令： h c ' ，ε’ 称为垂向收缩系数，则： e
Excel水力计算展示——闸孔出流水力计算演示(精)
(0.97 0.81
cos C e R
180
) (0.56 0.81
180
)
e H
水力分析与计算
本次课程到此结束，谢谢！
水力分析与计算
主持单位: 广东水利电力职业技术学院
黄河水利职业技术学院 参建单位: 杨凌职业技术学院 安徽水利水电职业技术学院 山西水利职业技术学院 四川水利职业技术学院 长江工程职业技术学院
0.25 0.65,"是 " e /H H
=B3/A3 e
Байду номын сангаас
c 0.60 0.176 vc H 2 gH 0 水力分析与计算 2
=0.6-0.176*C3 =A5/G3*SQRT(2 =G3*B3 *9.8*A3) e h e
2
2 hc h" ht“ v c ” h ( c 1 8, 是 1) 2 ghc " c
hc 2 e 0.620 1 0.620
hc vc2 h ( 1 8 1) 2.91( m) ht 淹没出流 2 水力分析与计算 ghc
" c
注：褐色部分为基本参数，人工输入；绿色部分为程序自动运算，切勿人工修改！ 水力分析与计算子项目 =IF(AND(C3<=),"是","否")
水力分析与计算
=F5*A5*E3*B3*S 查相关图表 QRT(2*9.8*A3) =C5/2*(SQRT(1+8*B =IF(D5<F3,"是","否") 5^2/(9.8*C5))-1) Q s be 2 gH 0
水利水电建筑工程专业技能课程水力分析与计算教学文本
学生根据案例讲解，分组计划工作任务，明确解题思
路。
0.2
学生在工程案例学习基础上学生对某水闸平板闸门静水总压力进行计算，根据同
4．实施 练习，教师辅导。
学提出的问题，总结共性问题集中讲解，个别问题单 0.3 独辅导。
5．检查与评价学 进生 行自 综评 合、 评互价评。，教师对过程通过自评、互评的表格对学习效果进行评价。
态度
（1）具有交流探讨精神 （3）具有自学精神
（2）具有吃苦耐劳精神 （4）具有刻苦学习精神
教学过程
教学组织设计 教学内容
教学组织
学时 分配
高村水利枢纽有压泄洪隧洞 进行水力计算任务，水流运 教师用典型工程项目引出有压管道水力计算任务，
1．资讯 动基本概念及连续方程、能 根据计算任务，进行有关知识要点讲解。学生获取 5.0
量方程、水头损失分类等讲 信息。
解。
2．决策
连续方程、能量方程应用、 水头损失计算方法讲解。
教师进行基本知识应用讲解。
4.0
3．计划
明确有压管道计算任务。
学生通过录相或仿真模型进一步熟悉工程项目，构 思计算任务，教师辅导。
0.5
水流运动的基本概念及连续
4．实施 方程、能量方程、水头损失 学生进行基础知识的练习，教师辅导。
态
态度和理论联系实际的工作作风；
意识和团结协作精神；
度 （2）善于自学，刻苦钻研，具有较强的自学能 （4）能勇于表达个人的观点和见解，能较好
力和求索创新精神；
地写出总结报告、计算说明书。
教 教学任务
学 任
（1）教师进行水静力学的基础知识讲解，使学生获取建筑物壁面静荷载分析有关信息； （2）以工程案例导入，分析水工建筑物平面壁的静水总压力计算方法，并对典型案例进行讲解； （3）以工程案例导入，分析水工建筑物曲面壁的静水总压力计算方法，并对典型案例进行讲解；
水闸水力计算.
ε—侧收缩系数
—堰顶全水头(m)
m—流量系数
Q—过闸流量(m3/s)
v0—上游行近流速
H—上游水深
h/H=(3.99-1.2) / (4.3-1.2) =2.79/3.1=0.9
查表得淹没系数为σ=0.83
侧收缩系数ε定为1
流量系数m一般取0.385
宽顶堰流量公式简化为:
H0和V0都是未知，须进行试算：
满足精度要求，
得设计流量：Q=211.91m3/s
2、最大流量计算
根据表1-1，当外江为平均低潮位时将为自由出流，σ=1.0，水闸四孔全开时将有最大流量Qmax，Qmax也要经过试算求得。
第一次试算：
不计行近流速，H0=H=4.3-1.2=3.1m
第二次试算：
第三次试算：
第四次试算：
第五次试算：
满足精度要求，
εz—中间闸孔侧收缩系数
εb—边闸孔侧收缩系数
dz—中间闸墩厚度
bb—边闸墩顺水流向边向边缘线至上游河道水边线之间的距离
根据初步设计三视图，dz=1m；bb=0m
H0和V0都是未知，须进行试算确定设计流量：
第一次试算：
不计行近流速，H0=H=4.3-1.2=3.1m
第二次试算：
第三次试算：
第四次试算：
外六工段
外四工段
盐官ห้องสมุดไป่ตู้
备注
历史最高潮位
7.83
7.92
8.03
平均高潮位
3.99
4.11
3.92
平均低潮位
1.19
1.84
0.66
历史最低潮位
-1.65
-0.77
-2.32
闸门水力计算说明
水闸水力计算说明一、过流能力计算1.1外海进水外海进水时，外海水面高程取5.11m ，如意湖内水面高程取1.0m 。
中间三孔放空闸，底板高程为-4.0m ，两侧八孔防潮闸底板高程为2.0m ，每孔闸净宽度为10m 。
表2 内海排水时计算参数特性表1.1.1中间三孔放空闸段 a.判定堰流类型27.511.948==Hδ式中δ为堰壁厚度，H 为堰上水头。
2.5＜5.27＜10，为宽顶堰流。
b.堰流及闸孔出流判定11.95=H e =0.549≤0.65，为闸孔出流。
式中，e 为闸门开启高度，H 为堰、闸前水头。
c.自由出流及淹没出流判定闸孔出流收缩断面水深h c=ε1e=5.0×0.650=3.25m 。
式中，e 为闸门开启高度，为5.0m ；ε1为垂向收缩系数，查《水利计算手册》（2006年第二版）中表3-4-1得0.650。
收缩断面处水流速为υc=)(20c h H g -ϕ=）（25.311.981.9295.0-⨯⨯⨯=10.19m/s 。
式中，ψ为闸孔流速系数，查《水利计算手册》（2006年第二版）中表3-4-3，取0.95；H 0为闸前总水头，为9.11m ； hc 为收缩断面水深。
收缩断面水深hc 的共轭水深hc”=)181(22-+c c c gh h ν=)125.381.919.1081(225.32-⨯⨯+=6.83m ；下游水深ht=5.0m ＜hc”=6.83m ，故为自由出流。
d.过流量计算根据闸孔自由出流流量计算公式Q 1=002gH be μ=11.981.92530503.0⨯⨯⨯⨯⨯=1008.71m³/s 。
式中，μ0为流量系数，平板闸门流量系数可按经验公式 μ0=0.60-0.176He=0.60-0.176×0.549=0.503； b 为闸孔宽度，为3×10=30m 。
1.1.2两侧八孔防潮闸段 a.判定堰流类型43.1511.348==Hδ＞10，过渡为明渠流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
H
v02 2g
hc
c vc2 2g
hw
式中 ：hw —水流从 0-0 断面到 c-c 断面的水头损失，由于 0-0 到 c-c 断面的距离很
短水流为急变流，因而只计局部水头损失，即 hw
vc2 2g
。
令： H 0
Hale Waihona Puke Hv02 2g，H0
称为包括流速水头在内的闸前总水头，将 hw
vc2 2g
及
闸孔出流水力计算的目的是：恒定闸孔出流时，研究分析过闸泄流量与闸门的开启 高度、闸孔尺寸、闸门类型、闸底坎型式、上下游水位及闸孔出流情况等的关系，并给 出相应的水力计算公式。下面分别进行讨论。 2.1 底坎为宽顶堰型的闸孔出流
图 7-2
如图 7-2 为闸孔恒定出流，闸底坎为无坎宽顶堰，闸门为平板闸门，e 为闸门开启高 度，H 为闸前水头。水流由闸门底缘流出时，由于受闸门的约束，流线发生急剧弯曲收 缩，出闸后由于惯性的作用流线继续收缩，大约在距闸门（0.5~1）e 处为水深最小的收 缩断面 c-c。收缩断面 c-c 处的水深 hc 一般小于临界水深 hk，水流为急流状态。而闸孔下 游渠槽中的水深 ht 一般大于临界水深 hk，水流呈缓流状态，因此闸后水流从急流到缓流 要发生水跃。水跃位置随下游水深 ht 变化而变化，下游水深增大水跃向上游移动，下游 水深减小水跃向下游移动，水跃发生的位置不同对闸孔出流泄流能力的影响不一样，从 而使闸孔出流可分为自由出流和淹没出流。设收缩断面水深 hc 所对应的共轭水深为 hc”， 当 hc”>ht 时水跃发生在收缩断面下游，称为远驱水跃（如图 7-2a），当 hc”=ht 时水跃发生 在收缩断面处，称为临界式水跃（如图 7-2b），这两种情况下水跃对应的下游水位都不影 响闸孔的过流能力称为闸孔的自由出流； 当 hc”<ht 时水跃发生在收缩断面上游，称为淹 没水跃（图 7-2c）。此时下游水位使闸孔的过流能力减小，称为闸孔淹没出流。
为闸孔出流；
e
> 0.75,
H
为堰流。
闸孔出流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是闸孔出流过流能
力的计算，下面介绍闸孔出流的过流能力计算公式并讨论其影响因素。
2 闸孔出流水力计算公式
实际工程中水闸的闸底坎一般为宽顶堰（包括无坎宽顶堰）或曲线型实用堰；闸门
2
型式主要有平板闸门和弧型闸门两种类型。闸孔出流时，如果闸前水头 H 和闸门的开启 高度 e 不随时间而变，闸孔出流的流速和流量不随时间变化，即为恒定闸孔出流，否则 为非恒定闸孔出流；当下游水位不影响过闸泄流量，称为闸孔自由出流，否则为闸孔淹 没出流。
令： h c ' ，ε’ 称为垂向收缩系数，则： e
hc=ε’e
Q nbe 2g(H 0 hc )
令：μ=φε’，则上式可写成：
Q nbe 2g(H 0 hc )
（7-2）
式（7-2）中：μ—闸孔出流的基本流量系数，是综合反映闸底坎型式、闸门型式和闸 门相对开启度对泄流量的影响系数。
从上面的分析可以看出，判断闸孔自由出流或淹没出流，须先求出收缩断面水深 hc 和它相应的共轭水深 hc”，然后将 hc”和下游水深 ht 比较，即可判别闸孔出流情况。
上述判别条件对不同闸门类型的无底坎或有底坎宽顶堰型闸孔出流都适用。 （1）底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算
3
如图 7-2a 所示，收缩断面 c-c 上的流线近似为平行直线，c-c 断面可以认为是渐变流 矩形断面。以闸底板为基准面，取闸门上游距闸门（3~4）H 符合渐变流条件的 0-0 断面 与下游 c-c 收缩断面列能量方程
H0 代入上式,整理可得
vc
1
2g(H 0 hc ) 2g(H 0 hc )
（7-1）
式（7-1）中： 1 ，称为流速系数。
根据连续方程：Q=Acvc=Bhcvc 式中：B—为闸孔过水净宽，若闸门孔数为 n，每孔净宽为 b 时，B=nb，则：
Q nbhc 2g(H 0 hc )
减少，闸门底缘对水流起控制作用时，水流则转化为闸孔出流（见图 7-1）。堰流与闸孔
出流两种流态相互转化的条件，除与闸门的相对开启高度 e/H 有关外，还和闸底坎型式
等有关。一般采用下列判别式来区分堰流和闸孔出流：
当闸底坎为宽顶堰时， e ≤0.65， H
为闸孔出流；
e > 0. 65， H
为堰流。
当闸底坎为曲线堰时， e ≤0. 75， H
任务一 闸孔出流水力分析
1 闸孔出流水力现象
在水利工程中为了控制和调节河渠中的水位和流量，常修建水闸水工建筑物。水流 由闸门或胸墙底缘和闸底板之间的孔口流出，水面受到闸门或胸墙控制，呈不连续自由 水面，这种水流现象称为闸孔出流，见图 7-1。
闸孔出流与堰流有密切联系但又是两种不同的水流现象，堰流水面因不受约束，水 面线为一光滑降落的曲线；闸孔出流水面因受闸门的控制，闸孔上、下游是不连续、折 断的水面线。由于堰流及闸孔出流边界条件的差异，它们的泄流特征及过流能力不相同， 但从研究过水能力及其影响因素来说，闸孔出流与堰流有共同点：首先，堰流与闸孔出 流都是在一定的水头 H 作用下形成的，其泄流过程都是势能转化为动能的过程；其次， 这两种水流都在较短距离内流线发生急剧弯曲，属于明渠急变流动，其流动过程的水头 损失主要是局部水头损失。
项目七 闸孔出流水力分析与计算
水闸主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物。是水利工程中常见的典型建 筑物，主要用于拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。
闸孔出流水力分析与计算项目的主要任务是掌握闸孔出流与堰流关系、闸孔出流情 况判别、闸孔出流水力计算公式及影响因素分析，平板闸门、弧形闸门流量系数确定方 法；会结合工程资料进行闸孔出流水流现象分析，能进行平板闸门、弧形闸门闸孔出流 的过流能力计算。
1
图 7-1
实际工程中，对同一建筑物而言，如建在实用堰或宽顶堰的堰顶上的水闸，在某些
条件下为闸孔出流，当条件变化就可能属于堰流，堰流和闸孔出流在一定条件下是可以
互相转化的。如闸孔出流的闸门的开启高度 e 增大到一定值时，闸前水面下降而不受闸
门底缘约束，则水流就由闸孔出流转化为堰流；反之，如原为堰流，当闸门的开启高度