闸孔出流水力分析与计算
弧形闸门闸孔出流流量计算举例.
2. 求解收缩断面水深 hc，判断闸室下游出流情况
c = ▽3 －▽1 = 107.00－104.00 = 3 m
c- e 3 -1 cos = = = 0.286 R 7
从课本或水力计算手册查得下表
= 73.6°
由θ值并采用内插法查上表，得垂向收缩系数 则
， ε′ = 0369 取
定时，影响过闸流量 Q 的因素是闸前作 用水头 H0、流量系数 μ0、淹没系数 σs 。
Q 与闸前作用水头 H0 的平方根成正比，H0 是影响过闸流量的主要因素。 σs 反映下游的水位对 Q 的影响。自由出流 σs =1.0，淹没出流 σs ＜1.0。
μ0 影响因素有垂向收缩系数ε’、流速系数 φ 及闸门相对开启高度 e/H。
水力分析与计算
弧形闸门闸孔出流水力分析与计算例题
主 讲 人： 王 俊 黄河水利职业技术学院
2014.09
水工建筑物
【例题 】
如图，水闸底坎与渠底齐平（平顶堰），弧形闸门控制水流。
已知: 闸底板高程为 ▽1 = 104.00m；
共 3 孔，每孔宽 b = 5m；
c
闸前水位 ▽2 = 109.00m； 弧形闸门半径 R = 7m； 转轴高程 ▽3 = 107.00m； 当闸门开度 e = 1m； 不计闸前行近流速； 若下游水位为 ▽4 = 108.03m。
3. 计算泄流量
Q s 0 nbe 2 gH0
因：cosθ = 0.286， 0 ＜ cosθ ＜ 0.3
e e 0 = 060- 0176 + （015- 02 ）cos H H 10 1.0 = 060- 0176× + （015- 02 × ） ×0286 = 0596 5 5
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。
项目七 闸孔出流水力分析与计算
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。
8堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算
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。
工程上通常按照堰坎厚度δ与堰上水头H的比值 大小及水流的特征将堰流分作：
1．薄壁堰流：即 2．实用堰：即 3．宽顶堰流：即
(
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。
C0
1.354
0.004 H
0.14
0.2 P1
H B
2
0.09
其中， Q为流量，以米3/秒（m3/s）计； H为堰顶水头；
P1为上游堰高； B为堰上游引渠宽均以米（m）计。
在下述范围内，上式的误差＜（±1.4%）
0.5m≤B≤1.2m 0.07m≤H≤0.26m
0.1m≤P1≤0.75m H≤B/3
，从表8-10查得 s
0.953
4．侧收缩系数 1
1
(n
1)
' 1
n
1
对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的
宽顶堰，（8-17）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数
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
第八章堰流和闸孔出流
第八章堰流和闸孔出流第一节概述一、堰流及闸孔出流的概念堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部自由下泄。
闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。
二、堰流及闸孔出流的水流状态比较1、堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。
由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。
2、堰流和闸孔出流的相同点：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一种水流运动，都是从势能转化为动能的过程。
都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。
3、堰流和闸孔出流的转化：e e闸底坎为平顶堰时：0.65时为闸孔出流；0.65时为堰流。
H He e闸底坎为曲线型堰时：0.75时为闸孔出流；—0.75时为堰流。
H H式中，e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
第二节堰流的类型及水力计算公式、堰流的类型定义：堰前断面，堰顶水深，行近流速。
堰前断面距上游壁面的距离：丨=（3~5）H1 •薄壁堰流：0.67，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈H单一的降落曲线。
此时堰顶常为锐缘形。
2.实用堰流：067＜仝＜25,水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托,H但影响不大，水流还是在重力作用下的自由跌落。
常用曲线形或折线形。
3.宽顶堰流：2 5 ” 一10，堰坎厚度对水流的顶托非常明显，进口处水面形成跌落,H堰顶有一段水面与堰顶几乎平行，在出口处形成第二次水面跌落。
但仍以局部水头损失为主。
当—10时，沿程水头损失不能忽略，水流不属于堰流，而是明渠水流。
H二、堰流的基本公式用能量方程求解。
列堰前断面与堰顶断面的能量方程：H斟。
2g=（z P）（： i2gH。
=H:-0V02p0 0为堰上全水头。
（z • P）二2gH° - H。
i堰顶宽度为b,水舌厚度为kH°（k为堰顶水流垂向收缩系数）Q 二kH0bV1二kH0b10断面中心恰好位于基准面上1H，则:.2gH0（1-）二k 1- b.2gH°3/2= mb、2gH°3/23/20O 流量系数： f ( ,k,)，还与堰的边界条件有关。
水力学堰流及闸孔出流
水流产生侧面收缩 Q mc b 2 g H 3 2
mc -- 侧收缩系数 由（8-9)式确定
在b、P和H相同的情况下,流量要小于完全堰流量. 二. 三角堰与梯形堰 (堰口的形状为三角形或梯形) 1.三角堰 采用
P1
15 ~ 90
0
2.5
0
θ θ
流量公式 Q MH
M值查手册
最常用的H为 0.05 ~ 0.25m, 90 0
3. 几何参数 （1）骨架 –土壤颗粒组成的结构。 （2）孔隙率 m
V 1.0 V0
即孔隙所占的体积V与岩土总体积V0之比。
孔隙率反映岩土的密实程度，土壤孔隙率越大，透水性越好。 d （3）不均匀系数 η 60 d10 d 60 占60%重量的土粒能通过的筛孔孔径。
d10 占10%重量的土粒能通过的筛孔孔径。
H 一. 无侧收缩宽顶堰 (b=B)
(2.5
10)
1.自由出流 特征:水面二次跌落
Q mb 2 g H
2.淹没出流 条件:
3/ 2
P 1 3 H P 1 3 H
时 直角进口 m=0.32 圆角进口 m=0.36
时 直角进口 (8-19) 圆角进口 (8-20)
hs 0
则计算公式
一. 矩形薄壁堰 堰口为矩形的堰称为矩形堰.它又分为完全堰和侧收缩堰.
1.完全堰 (B=b)
无侧收缩,渠宽等于堰宽.则流量
m0为流量系数 m0 0.403 0.053 P1 为上游堰高 2. 侧收缩堰
Q m0b 2 g H 3 2
H 0.0007 P H 1
δ
H V0
(b B)
其流量
Q 1.343 H
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。
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第一次课 项目一 静水压强分析与计算 项目二 水流运动的一般分析及连续性原理应用 项目三 水流运动的能量守恒及其转化原理应用 项目四 作用于水工建筑物上的力及动量定律应用 项目五 有压管道水力分析与计算 项目六 明渠恒定流水力分析与计算 项目七 堰流水力分析与计算 项目八 闸孔出流水力分析与计算 项目九 水工建筑物下游水流衔接与消能 项目十 水力测试技术
e 0.05 0.75 适用 H
0 90 以及门位于堰最高点的情况
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务4 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流水力分析与计算
（二）弧形闸门
e 0.685 0.19 H
适用于
0.1
e 0.75 H
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务4 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流水力分析与计算
项目八
典型例题
闸孔出流水力分析与计算
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项目八
典型例题
闸孔出流水力分析与计算
项目八
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典型例题
闸孔出流水力分析与计算
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闸孔出流水力分析与计算
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项目八
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项目八
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项目八
二、恒定的管嘴淹没出流
闸孔出流水力分析与计算
任务２ 管嘴出流水力分析与计算
Q n A 2 gz0
2 v0 z0 z 2g
n n
1 n 1 n
项目八
任务3
闸孔出流水力分析与计算
底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算
一、底坎为宽顶堰型上的闸孔自由出流 （平顶堰为例） 闸孔自由出流
实用堰上的闸孔淹没出流
Q Be 2 g（H 0 hs )
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务4 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流水力分析与计算
课后小结
堰流和孔流界限 恒定的孔口出流 恒定的管嘴出流 平顶坎上的闸孔出流
曲线坎上的闸孔出流
项目八
闸孔出流水力分析与计算
课外作业
教材
P284页8-13题
底坎为宽顶堰 堰流
e 0.65 H
孔流
薄壁堰流
0.67
实用堰流 0.67
H 宽顶堰流 2.5 H 10
2. 5
e 0.65 堰流 H e 0.75 孔流 H 底坎为实用堰 e 0.75 堰流 H
项目八
任务1
闸孔出流水力分析与计算
孔口出流水力分析与计算
二、恒定孔口出流
闸孔出流水力分析与计算
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项目八
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闸孔出流水力分析与计算
H 2. 5
H
0.67
0.67
堰顶水头H
堰顶厚度
堰高P、P1
2.5
H
10
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项目八
闸孔出流水力分析与计算
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宽顶堰底坎
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项目八
闸孔出流水力分析与计算
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实用堰底坎
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e z 淹没系数 s 由 及 查图8-10得到 H H
计算举例
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务4 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流水力分析与计算
曲线坎上的闸孔自由出流
Q Be 2 gH0
（一）平板闸门
e e 0.65 0.186 (0.25 0.375 ) cos H H
Q Be 2 gH0
(0.97 0.81
180
0
) (0.56 0.81
180
)
e H
25 90
0
0
e 0.65 H
项目八
任务3
闸孔出流水力分析与计算
底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算
二、平顶坎上的闸孔淹没出流
Q S Be 2 gH0
目录
项目八
闸孔出流水力分析与计算
内容回顾
堰的三种类型
堰流和孔流界限 薄壁堰流水力计算 实用堰流水力计算 宽顶堰流水力计算
项目八
闸孔出流水力分析与计算
学习指导
闸孔出流是水利工程中最常见的的水流现象。项目八根据水力计算的基本原
理来分析闸孔出流的水力特性，导出水力计算的基本方程式，并介绍有关的
水力计算的方法。 项目八经验系数比较多，要了解闸孔出流的流量系数、垂直收缩系数和淹没 系数等的物理意义，其经验公式不必强记，但应了解它与哪些因素有关，主 要系数变化的大致范围。
１、恒定薄壁小孔口的自由出流 2 v0 H0 H 2g
Q A 2 gH0
Ac A
1 1 孔
实测资料表明：充分收缩的圆形锐缘小孔口出流时：
0.64，＝0.06 ， ＝0.97 ， ＝0.62
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务1 堰流水力分析
２、恒定 圆柱形外管嘴
n 0.82 1.32
项目八
闸孔出流水力分析与计算
任务２ 管嘴出流水力分析与计算
讨论：为什么管嘴过流能力比孔口大？
hv 0.74H 0
管嘴内收缩断面存在真空，过流能力有所增加。 圆柱形外管嘴 管嘴的长度
H 0 9m
L (3 ~ 4)d
计算举例
重点任务
闸孔出流的水流特点及其分类
孔口出流的水力计算 管嘴出流水力分析与计算 底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流水力分析与计算
项目八 一、孔口与管嘴出流
孔口出流 管嘴出流 闸孔出流
H
闸孔出流水力分析与计算
孔流 共同点
急变流； 重力起主要作用；
h j为主， h f 忽略不计。
由表8-1查得
由表8-2查得
项目八
任务3
闸孔出流水力分析与计算
底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算
e 0.60 0.18 H
Q Be 2 gH0
表达式二
e 0.1 0.65 H
计算举例
项目八
任务3
闸孔出流水力分析与计算
底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算
（二）弧形闸门下的自由出流
2 v0 z0 z 2g
Q A 2 gz0
Ac A
1 1 孔
项目八
一、恒定的管嘴自由出流
闸孔出流水力分析与计算
任务２ 管嘴出流水力分析与计算
Q n A 2 gH0
n n
n
1 1 n
圆锥形收敛管嘴
n 0.94 n 0.98
ht hc " 远离式水跃 ht hc " 临界式水跃
闸孔淹没出流
ht hc " 淹没式水跃
项目八
任务3
闸孔出流水力分析与计算
底坎为宽顶堰型的闸孔出流水力分析与计算
（一）平板闸门下的自由出流
hc e
Q 0 Be 2 g ( H 0 hc )
0
表达式一