第八章堰流和閘孔出流

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1、第八章堰流及閘孔出流　　第一節(jié)?概??述　???水利工程中為了宣泄洪水以及引水灌溉、發(fā)電、給水等目的，常需要修建堰閘等泄水建筑物，以控制水庫(kù)或渠道中的水位和流量。堰、閘等泄水建筑物水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是研究其水流狀態(tài)和過(guò)流能力。一.堰流及閘孔出流的概念既能壅高上游水位，又能從自身溢水的建筑物稱(chēng)為堰。???水流由于受到堰坎或兩側(cè)邊墻的束窄阻礙，上游水位壅高，水流經(jīng)過(guò)溢流堰頂下泄，其溢流水面上緣不受任何約束，而成為光滑連續(xù)的自由降落水面，這種水流現(xiàn)象稱(chēng)為堰流。???水流受到閘門(mén)或胸墻的控制，閘前水位壅高，水流由閘門(mén)

2、底緣與閘底板之間孔口流出，過(guò)水?dāng)嗝媸荛l門(mén)開(kāi)啟尺寸的限制，其水面是不連續(xù)的，這種水流現(xiàn)象稱(chēng)為閘孔出流。二.堰流與閘孔出流的水流狀態(tài)比較???堰流與閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象：堰流時(shí)，水流不受閘門(mén)或胸墻控制，水面曲線是一條光滑連續(xù)的降落曲線。而閘孔出流時(shí)，水流要受到閘門(mén)的控制，閘孔上下游水面是不連續(xù)的。對(duì)明渠中具有閘門(mén)控制的同一過(guò)流建筑物而言，在一定邊界條件下，堰流與閘孔出流是可以相互轉(zhuǎn)化的，即在某一條件下為堰流，而在另一條件下可能是閘孔出流。堰流與閘孔出流兩種流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的條件除與閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度有關(guān)外，還與閘底

3、坎形式或閘門(mén)（或胸墻）的形式有關(guān)，另外，還與上游來(lái)水是漲水還是落水有關(guān)。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，一般可采用如下關(guān)系式來(lái)判別堰流及閘孔出流。???????????????????????閘底坎為平頂堰??????為閘孔出流，為堰流。????????????????????????閘底坎為曲線堰??????為閘孔出流，為堰流。式中，為從堰頂或閘底坎算起的閘前水深，為閘門(mén)開(kāi)度。???堰流與閘孔出流又有許多共同點(diǎn)：①堰流及閘孔出流都是由于堰或閘壅高了上游水位，形成了一定的作用水頭，即水流具有了一定的勢(shì)能。泄水過(guò)程中，都是

4、在重力作用下將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。②堰和閘都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。③堰流及閘孔出流都屬于明渠急變流，在較短距離內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲，離心慣性力對(duì)建筑物表面的動(dòng)水壓強(qiáng)分布及過(guò)流能力均有一定的影響；④流動(dòng)過(guò)程中的水頭損失也主要是局部水頭損失。第二節(jié)??堰流的類(lèi)型及水力計(jì)算公式一、堰流的類(lèi)型???常見(jiàn)的有薄壁堰、曲線型實(shí)用堰、折線型實(shí)用堰、寬頂堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力計(jì)算時(shí)，并不按堰的用途分類(lèi)，而是按堰坎厚度與堰上水頭的比值大小來(lái)劃分堰流類(lèi)型，即按堰的相對(duì)厚度對(duì)堰流進(jìn)行分

5、類(lèi)。（1）薄壁堰流：。此時(shí)越過(guò)堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊懀嘞戮壟c堰頂只呈線的接觸，水面為單一的降落曲線。由于薄壁堰常將堰頂做成銳緣，故薄壁堰也稱(chēng)為銳緣堰。（2）實(shí)用堰流：。水舌下緣與堰頂呈面的接觸，水舌受到堰頂?shù)募s束和頂托，但這種影響還不是很大，越過(guò)堰頂?shù)乃髦饕€是在重力作用下的自由跌落。（3）寬頂堰流：。此時(shí)堰頂厚度對(duì)水流的頂托作用已經(jīng)非常明顯，進(jìn)入堰頂?shù)乃魇艿窖唔敶怪狈较虻募s束，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，加之水流進(jìn)入堰頂時(shí)存在局部水頭損失，因此，在進(jìn)口處形成了水面跌落。然后水面幾乎與堰頂保持平

6、行，當(dāng)下游水位較低時(shí)，流出堰頂?shù)乃饔謺?huì)產(chǎn)生第二次水面跌落。???當(dāng)時(shí)，沿程水頭損失已不能忽略，此時(shí)的水流特性不再屬于堰流，而應(yīng)該按明渠水流處理。對(duì)同一個(gè)堰而言，堰坎厚度是一定的，但堰上水頭卻是隨水流狀況變化的。???堰流的類(lèi)型雖然有以上幾種，但其水流的運(yùn)動(dòng)卻有著共同的規(guī)律。比如，水流在趨近堰頂時(shí)，由于流線收縮，流速增大，溢流自由水面均有明顯的降落；從作用力方面來(lái)講，重力作用是主要的；從水流的流線變化情況來(lái)看，堰流都屬于明渠急變流，離心慣性力的影響比較顯著，有時(shí)還存在表面張力的影響；從能量方面講，都是勢(shì)能轉(zhuǎn)換

7、為動(dòng)能，而且水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以局部水頭損失為主。既然如此，堰流問(wèn)題就可以用同一個(gè)公式來(lái)描述。二、?堰流的基本公式????堰流水力計(jì)算的基本公式?????式中，流量系數(shù)，所有這些影響堰流過(guò)流能力的因素除與堰上水頭有關(guān)外，還與堰高、堰頂邊緣的進(jìn)口形狀等邊界條件有關(guān)。因此，不同類(lèi)型、不同高度的堰其流量系數(shù)是不盡相同的。???下游水位過(guò)高，以致影響了堰的過(guò)流能力，這時(shí)的堰流就稱(chēng)為淹沒(méi)出流；反之，稱(chēng)為自由出流。其影響以淹沒(méi)系數(shù)???閘墩及邊墩的存在會(huì)引起水流的側(cè)向收縮，降低過(guò)流能力，這種堰稱(chēng)為有側(cè)收縮堰；反之，稱(chēng)為無(wú)側(cè)收

8、縮堰，其影響以側(cè)收縮系數(shù)來(lái)反映。???若堰頂有孔閘門(mén)，上式中的堰頂寬度可表示為，其中為單孔凈寬。上述堰流水力計(jì)算的基本公式對(duì)于過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝娴谋”谘吡?、?shí)用堰流、寬頂堰流都是適用的，只是堰流類(lèi)型不同，其流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒(méi)系數(shù)的確定方法與計(jì)算公式不同，這是值得特別關(guān)注的問(wèn)題?！　〉谌?jié)?薄壁堰流的水力計(jì)算???薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，因此薄壁堰常用作實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)或野外量測(cè)流量的