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，以控制水庫或渠道中的水位和流量。堰、閘等泄水建筑物水力設計的主要任務是研究其水流狀態(tài)和過流能力。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)象稱為堰流。???水流受到閘門或胸墻的控制，閘前水位壅高，水流由閘門

2、底緣與閘底板之間孔口流出，過水斷面受閘門開啟尺寸的限制，其水面是不連續(xù)的，這種水流現(xiàn)象稱為閘孔出流。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，水流不受閘門或胸墻控制，水面曲線是一條光滑連續(xù)的降落曲線。而閘孔出流時，水流要受到閘門的控制，閘孔上下游水面是不連續(xù)的。對明渠中具有閘門控制的同一過流建筑物而言，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)化的條件除與閘門相對開度有關外，還與閘底

3、坎形式或閘門（或胸墻）的形式有關，另外，還與上游來水是漲水還是落水有關。經(jīng)過大量的試驗研究，一般可采用如下關系式來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，為閘門開度。???堰流與閘孔出流又有許多共同點：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能。泄水過程中，都是

4、在重力作用下將勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。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，離心慣性力對建筑物表面的動水壓強分布及過流能力均有一定的影響；④流動過程中的水頭損失也主要是局部水頭損失。第二節(jié)??堰流的類型及水力計算公式一、堰流的類型???常見的有薄壁堰、曲線型實用堰、折線型實用堰、寬頂堰等。堰的形式不同，其水流特征也不相同。在水力計算時，并不按堰的用途分類，而是按堰坎厚度與堰上水頭的比值大小來劃分堰流類型，即按堰的相對厚度對堰流進行分

5、類。（1）薄壁堰流：。此時越過堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎呖埠穸鹊挠绊?，水舌下緣與堰頂只呈線的接觸，水面為單一的降落曲線。由于薄壁堰常將堰頂做成銳緣，故薄壁堰也稱為銳緣堰。（2）實用堰流：。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：。此時堰頂厚度對水流的頂托作用已經(jīng)非常明顯，進入堰頂?shù)乃魇艿窖唔敶怪狈较虻募s束，過水斷面減小，流速增大，加之水流進入堰頂時存在局部水頭損失，因此，在進口處形成了水面跌落。然后水面幾乎與堰頂保持平

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

7、為動能，而且水流運動過程中以局部水頭損失為主。既然如此，堰流問題就可以用同一個公式來描述。二、?堰流的基本公式????堰流水力計算的基本公式?????式中，流量系數(shù)，所有這些影響堰流過流能力的因素除與堰上水頭有關外，還與堰高、堰頂邊緣的進口形狀等邊界條件有關。因此，不同類型、不同高度的堰其流量系數(shù)是不盡相同的。???下游水位過高，以致影響了堰的過流能力，這時的堰流就稱為淹沒出流；反之，稱為自由出流。其影響以淹沒系數(shù)???閘墩及邊墩的存在會引起水流的側(cè)向收縮，降低過流能力，這種堰稱為有側(cè)收縮堰；反之，稱為無側(cè)收

8、縮堰，其影響以側(cè)收縮系數(shù)來反映。???若堰頂有孔閘門，上式中的堰頂寬度可表示為，其中為單孔凈寬。上述堰流水力計算的基本公式對于過水斷面為矩形斷面的薄壁堰流、實用堰流、寬頂堰流都是適用的，只是堰流類型不同，其流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)的確定方法與計算公式不同，這是值得特別關注的問題?！　〉谌?jié)?薄壁堰流的水力計算???薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭和流量關系，因此薄壁堰常用作實驗室模型試驗或野外量測流量的