水力学堰流及闸孔出流2015
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堰流及闸孔出流课件
闸孔出流在水利工程中的应用
防洪排涝
闸孔出流在防洪排涝工程 中发挥着重要作用，通过 开闭闸门控制洪水与涝水 的排放。
水库泄洪
在水库中，闸孔出流用于 调节水库的蓄水和泄洪， 确保水库的正常运行和下 游安全。
航道通航
闸孔出流结构在航道整治 中应用广泛，如船闸，通 过闸门控制水位，实现船 舶通航。
堰流与闸孔出流联合应用案例
课程目标
掌握堰流及闸孔出流 的原理和基本概念。
掌握堰流及闸孔出流 的工程应用和实际操 作技能。
了解堰流及闸孔出流 的计算方法和设计要 点。
02
堰流概述
堰流的定义
总结词
堰流是指水流在溢过坝顶或闸门时，从自由表面溢流过坝或闸的堰顶，形成无 压流动的现象。
详细描述
堰流是水流在溢过坝顶或闸门时的一种流动现象。当水流达到堰顶时，它会从 自由表面溢流过坝或闸，形成无压流动。这种流动现象通常发生在溢流坝、闸 门等水利工程中。
应用。
堰流的特点
总结词
堰流具有水流连续、流速快、单宽流量大等特点，同时也会受到下游水位、流量等因素的影响。
详细描述
堰流是一种连续性流动现象，水流在溢过坝顶或闸门时形成无压流动，具有流速快、单宽流量大等特点。此外， 堰流的流量和下游水位等因素也会影响堰流的流态和冲刷能力。了解和掌握堰流的特点是进行水利工程设计和运 行管理的重要基础。
05
堰流与闸孔出流的工程应用
堰流在水利工程中的应用
01
02
03
控制水位
堰流作为一种简单而有效 的溢流结构，常用于水库、 水电站等水利工程中，以 调节和控制水位。
水力发电
堰流在水电站中发挥着关 键作用，通过改变水位差 产生水流，驱动水轮机发 电。
第八章：堰流和闸孔出流
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
的梯形堰作自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩 14
形堰的流量。
注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流。
第二节 薄壁堰
15
第三节
实用堰流的水力计算
折线型实用堰 曲线型实用堰 复合型实用堰
实用堰的主要用途：用作蓄水建筑物——坝， 或净水建筑物的溢流设备。
实用堰(0.67</H<2.5）
9
第二节
薄壁堰流 的水力 计算
一、矩形薄壁堰
二、三角形堰 三、梯形薄壁堰
10
薄壁堰主要用途：用作量水设备。
薄壁堰口的横断面形状不同，相应的流量系数也
不同。
一、矩形薄壁堰 基本公式
Q m0 b 2g H
3/ 2
11
•
无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：
m0 采用巴赞公式计算：
2 m0 (0.405 0.0027 )[1 0.55( H ) ] H H P1 公式适用范围：b 2.0m，P 1.13m，H 1.24m，式中H、
2.5 10
4
2、根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系： 侧收缩堰（b<B） 堰 无侧收缩堰（b=B） 3、根据堰与水流方向的交角：
B
H b
正堰 堰 侧堰 斜堰
4、按下游水位是否影响堰流性质： 堰 自由式堰流（不影响）
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： 闸底坎为平顶堰时：65.0≤H e 时为闸孔出流；65.0>He时为堰流。
闸底坎为曲线型堰时：75.0≤He 时为闸孔出流；75.0>H e时为堰流。
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一、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：H l )5~3(= 1．薄壁堰流：67.0<Hδ，水舌形状不受堰坎厚度的影响，与堰顶呈线接触，水面呈单一的降落曲线。
此时堰顶常为锐缘形。
2．实用堰流：5.267.0<<Hδ，水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托，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。
H 01V 堰顶宽度为b ，水舌厚度为0kH （k 为堰顶水流垂向收缩系数），则：2/302/3001010221)1(21H g mb H g b k gH bkH bV kH Q =-=-+==ξϕξςα式中ϕ为流速系数；m 为流量系数。
2/30H Q ∝。
流量系数：),,(ξϕk f m =，还与堰的边界条件有关。
自由出流/淹没出流； 有侧收缩堰/无侧收缩堰。
则：2/3012H g mb Q s εσ=第三节 薄壁堰流的水力计算一般用作量水工具。
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
堰流及闸孔出流
常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰 常见闸门型式： 平板闸门，弧形闸门
26
按照出流形式可分
自由出流 淹没出流
实际工程中，为几种型式的组合
5、闸孔出流水力计算的主要任务
在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的 泄流量。
根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。
27
6、底坎为宽顶堰型的闸孔出流 淹没问题:
接光滑，避免水流直冲河床，并有利于溢流堰下游的消能，其
反弧半径应结合消能形式统一考虑。
15
二、实用堰剖面的种类
克里格－奥菲采洛夫剖面
我国多采用，剖面肥大，施工难度大。 渥奇剖面 美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝 高对剖面影响 WES剖面 流行采用
16
8.4
宽顶堰的水力计算
堰流
水流进入宽顶堰后，出现两次跌落的水力现象， 一般发生在堰坎处，但流经桥墩，渡槽，涵洞 的建筑物时也具有这种水流现象，又为无坎宽顶 堰，按宽顶堰计算；公式依旧采用基本公式。
直角进口
圆弧进口
m与宽顶堰的进口形式，水头 H，堰高 P有关，可以 由经验公式或表查取；理论最大值m=0.385。
18
二、侧收缩系数ε 堰宽小于渠道宽度的宽 顶堰流将发生倾向收缩， 使主流的实际宽度 bc 小于 堰宽b，水流阻力也因此增 大，泄流能力变小。
溢流宽度
用ε来反映侧收缩影响。
24
（ 2 ）堰和闸都是属于控制建筑物，都属于急变
流，其能量损失以局部水头损失为主。
区别：
堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连
续光滑的； 闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截 断，闸孔上、下游水面是不连续的。
水力学第9章-堰流及闸孔出流-2015
3 流量系数
Q mB
1.别列辛斯基的经验公式
3 a
直角进口m
0.32
0.01 0.46
H 0.75
a
H
3 a
圆弧形进口m
0.36 0.01 1.2
H 1.5
a
H
2g
H
3 0
/
2
2.上游堰面倾斜时，流量系数m的经验数据
堰上游面倾斜时，其m值可根据 a 及上游堰面倾角查表9.4
H
无坎宽顶堰的流量系数m可按不同的进口形式查表9.5得到，并且已
包含侧收缩的影响。
4 侧收缩系数
1
0.2 (n
1) 0
k
H0 nb
无坎宽顶堰无需再考虑侧收缩系数。
2、堰流和闸孔出流的界限
实用堰
e 0.75 H
闸孔出流
e 0.75 H
堰流
宽顶堰
e H
0.65
闸孔出流
e H
0.65
堰流
式中：e为闸孔开度；Ｈ为从堰顶算起的闸前水深． 堰流及闸孔出流计算的主要任务是研究其过水能力．
11.47(m)
坝顶高程 上游水位 Hd 37.0 11.47 25.53(m)
0.9032 (m)
Q2 mB
2g
H 1.5 01
1.0 1.0 0.49 5.0
29.810.90321.5 9.315(m3 / s)
v0
Q2 A0
9.315 (6.5 0.9) 5.0
0.2518 (m/s)
H 02
H
v02 2g
0.9
0.2518 2 2 9.81
0.9032 (m)
第9章 堰流及闸孔出流
堰流闸孔出流的水力计算
0
δ
H
1
v0
1
0
堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束 和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。
0
H v0
P1
1
v1
P2
δ
0
1
折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形
宽顶堰：2.5＜δ/ H ＜10
0 1
H v0
v1
P1
P2
1
0
δ
0 1
H v0
v1
P1
P2
1
0
δ
宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显 水流特征：水流在进口附近的水面形成降落
一、堰流的分类
水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不 同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的 曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作 成薄堰壁。
堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同
0
H
v0
P1
δ 1
1
v1
P2
0
当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降
0
H
v0
P1
δ H
1
v0
P1
1
v1
P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
k 反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH）
0
δ H
1
v0
P1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
v1
P2
0
影响流量系数的主要因素
m m( , k, ) , k,
代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比
0
δ H
堰流与闸孔出流
H0
P1
V0
0 H0
V0
0
hs P2 ht
淹没出流对过流能力旳影响用淹没系数σs表达。
淹没系数σs：取决于hs/H0 和P2/H0
hs/H0 （hs从堰顶算起旳下游水深）
这是明显旳。 因为hs越大，下游水位旳顶托作用越大， 对过流能力影响越大
淹没出流对过流能力旳影响用淹没系数σs表达。
淹没系数σs：取决于hs/H0 和P2/H0
式中：e为闸孔开度；H 0
H
b
e
0 图 8-1 a 堰流及闸孔出流
堰流及闸孔出流是水利工程中常见旳水流现象， 其水力计算旳主要任务是研究过水能力。
本章将应用水力学旳基本原理， 分析堰闸出流旳水力特征，
§8-1 堰流旳类型及计算公式
在水利工程中，常根据不同建筑条件及使用要求，将堰作成
不同类型。 例如，溢流坝常用混凝土或者石料作成厚度较大旳曲线型或
1
1
V1
α1 ， α2 ：动能修正系数
P2
ζ：局部阻力系数
Q v1 A
kH 0b
1
2g(H0 H0 )
k
1
3
1 b 2gH02
令： 流速系数
1
1
流量系数
m k
1 k 1
1
则堰流计算旳基本公式：
3
Q mb 2 g H 0 2
影响流量系数旳主要原因：
, k , m m( , k , )
0
δ
H
1
V0
1
0
图8-2 d 曲线型实用堰
2 实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5 因为堰顶厚度继续加厚，水舌下缘与堰顶呈面接触， 水舌受到堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰旳过流能力。
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9.2 堰的分类
薄壁堰
0.67H
实用堰：曲线型和折线型
0.67H 2.5H
宽顶堰
2.5H 10H
薄壁堰（Sharp-crested weir)
由于堰壁没有触及到水舌的下缘，其堰壁厚度对水流没有构成影响，这是 薄壁堰堰顶水流的特点。
0.67H
实用堰（Spillway)
堰顶水流沿着溢流面流动，堰顶厚度和形状 影响到水流，堰顶对水流产生阻力。
流量系数m
H =2
H =2～1
H =1～0.5
0.43-0.42 0.40-0.38 0.36-0.35
1.0
0
0.44
0.42
0.40
2.0
0
0.43
0.41
0.39
0
1
0.42
0.40
0.38
0
2
0.40
0.38
0.36
3
0
0.42
0.40
0.38
4
0
0.41
0.39
0.37
5
0
0.40
0.38
侧收缩流：
当溢流宽度小（等）于上游渠道的宽度
水跃的三种形式
h '' c0
ht
远离水跃
h '' c0
ht
临界水跃
h '' c0
ht
淹没水跃
h '' c0
hc0 ht
hc0 hc0
h '' c0 ht
h '' c0 ht
•
堰流及闸孔出流
本章内容：
1、堰的分类 2、堰流的基本公式 3、不同堰型的水力计算
第9章 堰流及闸孔出流
9.1 概述
1、堰流及闸孔出流
堰：顶部溢流的泄水建筑物称为堰
堰流：（outflow weirs of spilling） 经过堰的水流，没有受到闸门控制时是堰流。
闸孔出流：（outflow from sluice gate） 经过堰的水流受到闸门控制时就是闸孔出流，简称为孔流。
水头变化，量测精度高,适合Q <0.1 m3/s
Q 1.4H 5 2
梯形薄壁堰：
H 越大，水面B越宽，适合量测稍大的
流量，如Q >0.1 m3/s
Q 1.856 bH 3 2
9.5 实用堰的水力计算
1、曲线型实用堰的剖面形状
克里格尔- -奥菲采洛夫剖面，简称克- -奥剖面。
长研型剖面 WES(Waterw ays Experiment Station)剖面
堰流及闸孔出流的水流特点：
闸孔出流—— 水面被断开而不连续 堰流 —— 水面连续变化的光滑曲面 共同点：
堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑壅高 了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。出流过程 的能量损失主要是局部损失。
闸孔出流
堰流
3 淹没出流和自由出流（以堰流为例）：
堰淹没出流条件为：①下游水位超过堰顶 ②发生淹没水跃
2.实用堰的水力计算
Q mB
2g
H
3/ 0
2
（1）流量系数确定
Hd (0.75 ~ 0.95)Hmax
H Hd m md 0.502
H Hd H Hd
m md m md
上 游 堰 面 铅 直 ， 堰 顶 上游 为 三 圆 弧 段 的WES剖 面 ，
当 a 3时，流量系数m与 H0 的关系曲线。
0.36
10
0
0.38
0.36
0.35
0
3
0.39
0.37
0.35
0
5
0.37
0.35
0.34
0
10
0.35
0.34
0.33
9.6 宽顶堰的水力计算
1 宽顶堰的流量公式 取1-1和2-2断面
Q mB
2g
H
3/ 0
2
Q Bh 2g(H0 h)
据巴赫米切夫最小能量假设，万
物在重力场的作用下，总要跌至
hc 1 2 2 H 0
若不计阻力，
1, h hc
2 3
H0
若考虑水流阻力，
1,
堰顶水深略小于2 3
H0
3.宽顶堰的淹没条件
Q mB
0.67H 2.5H
宽顶堰（Broad-crested weir)
宽顶堰的堰顶一般为水平面，堰顶水流在进口处有明显收缩，并在堰顶出现一 段近似水平的流段。
2.5H 10H
9.3 堰流的基本公式
以矩形薄壁堰自由出流为例
H
V02
V2
V2
2g 2g 2g
v 1
2gH0 2gH0
A BkH0 Q vA BkH0 2gH0 mB 2g H03/2
Q Bhc 2g(H0 hc )
能量最小的地方。堰顶为水平时 E=Es, Esmin 对应临界水深，因
Q Bhc
vc
2g(H0 hc )此堰顶水深h为hc.
vc2 2 2g(H0 hc )
vc2 2g
2(H0
hc )
临界流
vc2 hc 2g 2
则
hc 2 2 (H 0 hc ) 2 2
雷保克（ T.Rehbock) 公式
m0
0.4034 0.0534
H a
1
1610H
4.5
适用条件： H 0.025 m, H 2a, a 0.3m
薄壁堰有侧收缩时，将其影响并入
B0
流量系数中
B
巴辛公式
m0
0.405
0.0027 H
0.03
B0 B0
B
1
0.55( H H
)2 ( a
B B0
)
2
（2）计算淹没系数
判别淹没水跃的条件：
z a1
z ( a1
)c
Z 为上下游水位差，a1为下游堰高， H 为上游水头
z ( a1 )c
z 在曲线下方时为淹没水跃 a1
淹没系数： hs 为下游水位高于堰顶的数值
1.05(1 0.2
hs
)(
z
1
)3
a1 H
三角形薄壁堰（三角堰）： 水头水面宽很小时，流量的微小变化引起较大的
A BkH0 K为垂向收缩系数
Q vA BkH0
2gH0 mB
2
g
H
3/ 0
2
式中 m k
为流量系数
考虑侧收缩和淹没出流的堰流的基本公式
Q mB 2g H03/2
9.4 薄壁堰的水力计算
薄壁堰可分为：
矩形薄壁堰的流量计算：
将行进流速放在流量系数 内考虑
Q m0B
2gH 3/2
（1）计算流量系数
H
Hd
（2）侧收缩系数
1 0.2(n 1) 0
k
H0 nb
n 为溢流孔数 b 为每孔宽度
如果 H0 1 按 H0 1计算
b
b
为闸墩系数（查表
0
9.1）
为边墩系数（查表
k
9.2）
表9.1
为闸墩系数
0
n 为溢流孔数
b 为每孔宽度
为闸墩系数（查表
0
9.1）
为边墩系数（查表
k
9.2）
如果 H0 1 按 )淹没系数
实用堰发生淹没出流的条件 （1）下游水位高于堰顶； （2）堰下游发生淹没水跃
淹没出流的条件
hs 0.15 及 a1 2.0
H0
H0
（二）折线型实用堰
a H
m 0.33 ~ 0.43
3～5
测收缩系数和淹没系数
近似按曲线型实用堰计算。 2～3
1～2
边坡系数
cotθ1 0.5
cotθ2 0.5