堰流及闸孔出流.pptx

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1、1一、定义一、定义：8.1 8.1 堰流的定义及分类堰流的定义及分类堰堰-既能挡水又能过水既能挡水又能过水的建筑物。的建筑物。堰流堰流-水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢流下泄，溢流水股的上流下泄，溢流水股的上表面不受外界任何约束表面不受外界任何约束，而为一连续自由降落水面。这种过流称之为堰而为一连续自由降落水面。这种过流称之为堰顶溢流。顶溢流。第1页/共38页2 根据堰墙厚度与堰上水头的比值不同，可将堰根据堰墙厚度与堰上水头的比值不同，可将堰流分成三类：流分成三类：u薄壁堰薄壁堰堰墙

2、很薄堰墙很薄 u实用剖面堰实用剖面堰堰墙稍厚堰墙稍厚 u宽顶堰宽顶堰二、分类二、分类：第2页/共38页3n 越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水舌越过堰顶的水舌形状不受堰坎厚度的影响，水舌下缘与堰顶只有线的接触，水面呈下缘与堰顶只有线的接触，水面呈单一的降落曲线单一的降落曲线1 1、薄壁堰：、薄壁堰：第3页/共38页4n n由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受到堰顶的约束和顶托，但这种影响还不大，舌受到堰顶的约束和顶托，但这种影响还不大，舌受到堰顶的约束和

3、顶托，但这种影响还不大，舌受到堰顶的约束和顶托，但这种影响还不大，越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落，越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落，越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落，越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落，这类堰的剖面可呈这类堰的剖面可呈这类堰的剖面可呈这类堰的剖面可呈折线型折线型折线型折线型或或或或曲线型曲线型曲线型曲线型。2 2、实用堰：、实用堰：第4页/共38页5n n堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显，堰顶的水堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显，堰顶的水堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显，堰顶的水堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显，堰顶的水流在进口处

4、形成流在进口处形成流在进口处形成流在进口处形成水流跌落水流跌落水流跌落水流跌落。此后，由于堰顶的顶托作。此后，由于堰顶的顶托作。此后，由于堰顶的顶托作。此后，由于堰顶的顶托作用，有一段水流与堰顶几乎平行，当下游水位较低时，用，有一段水流与堰顶几乎平行，当下游水位较低时，用，有一段水流与堰顶几乎平行，当下游水位较低时，用，有一段水流与堰顶几乎平行，当下游水位较低时，出堰水流又产生出堰水流又产生出堰水流又产生出堰水流又产生第二次水面跌落第二次水面跌落第二次水面跌落第二次水面跌落。3 3、宽顶堰：、宽顶堰：第5页/共38页6三、堰流的共同规律三、堰流的共同规律l作用力作用力:重力起主要作用，溢流的自

5、由水面有重力起主要作用，溢流的自由水面有明显降落。明显降落。l能量损失能量损失:能量损失以局部水头损失为主。能量损失以局部水头损失为主。流态流态:堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急剧堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急剧弯曲，弯曲，属于急变流动属于急变流动。流态的过渡流态的过渡从缓流向急流过渡从缓流向急流过渡。因此各种堰。因此各种堰流在其堰顶都要出现临界水深。流在其堰顶都要出现临界水深。第6页/共38页7四、堰流的基本公式四、堰流的基本公式 l这就是堰流的普遍公式。三种堰的物理本质并无这就是堰流的普遍公式。三种堰的物理本质并无差异，其间的差别仅体现在流量系数，淹没系数差异，其间的差别仅体现在流量系数

6、，淹没系数和侧收缩系数的确定方法及数值上。和侧收缩系数的确定方法及数值上。其中：其中：m为流量系数为流量系数考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响后：考虑下游水位的淹没影响及侧收缩影响后：淹没系数，淹没系数，1 1，不淹没时为，不淹没时为1 1侧收缩系数，侧收缩系数，1 1，无侧收缩时，无侧收缩时为为1 1第7页/共38页8 薄壁堰堰壁厚度不影响水舌形状，水头相对不大，且上游行近渠道一般建造的比较规则，为简便计，在公式8.2 薄壁堰流的水力计算薄壁堰流的水力计算 1 1：矩形薄壁堰：矩形薄壁堰中，用水头代替，而把的影响并入流量系数考虑，于是有：第8页/共38页9是包括行近流速影响在内的流量系数,也

7、称为流量系数，可用下列经验公式计算：适用条件：适用条件：第9页/共38页10矩形薄壁堰流测量流量应注意矩形薄壁堰流测量流量应注意1.1.矩形薄壁堰上游渠宽与堰宽相等，下游水位低于堰顶；矩形薄壁堰上游渠宽与堰宽相等，下游水位低于堰顶；2.2.堰上水头大于堰上水头大于2.5cm2.5cm，避免水舌受到表面张力影响；，避免水舌受到表面张力影响；3.3.水舌下面空间必须通气，避免真空影响精度。水舌下面空间必须通气，避免真空影响精度。第10页/共38页11 堰口横断面形状为三角形，一般采用 三角形堰，也可采用式：2 2：三角形薄壁堰：三角形薄壁堰由实验可得又,代入上式可得：实际中常用：第11页/共38页

8、128.3 实用堰的水力计算实用堰的水力计算 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄水的水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发展而不水工建筑物，它的剖面形式随着生产的发展而不断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、低断改进。如用条石或其它当地材料修建的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为溢流堰，堰顶剖面常做成折线形，称为折线型实折线型实用堰用堰。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶常。如用混凝土修建的中、高溢流堰，堰顶常做成适合水流特点的曲线形，称为做成适合水流特点的曲线形，称为曲线型实用堰曲线型实用堰。第12页/共38页13一、曲线型实用堰的剖面组成及其

9、设计一、曲线型实用堰的剖面组成及其设计第13页/共38页14 上游上游ABAB直线段直线段可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高可以做成垂直的，也可以做成倾斜的，其高度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取度主要取决于工程规模和设计要求，而垂直还是倾斜则往往取决于坝体的稳定要求。决于坝体的稳定要求。堰顶堰顶BCBC曲线段曲线段是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的是设计曲线型实用堰的关键，国内外对堰的剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。剖面形状有多种设计方法，其主要区别还在于曲线段如何确定。下游斜坡下游斜坡CDCD段段是连接堰顶曲线是连接堰顶曲线BCBC段与下

10、游反弧段段与下游反弧段DEDE的公切的公切线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取线，其坡度主要依据坝体强度和稳定要求确定，一般取1:0.651:0.651:0.751:0.75。反弧段反弧段DEDE是连接直线段是连接直线段CDCD与河床的圆弧，主要为使其连接与河床的圆弧，主要为使其连接光滑，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。弧半径应结合消能形式统一考虑。第14页/共38页15二、实用堰剖面的种类二、实用堰剖面的种类克里格奥菲采洛夫剖面克里格奥菲采洛夫剖面 我国多采用，剖面肥大，施工难度大

11、。我国多采用，剖面肥大，施工难度大。渥奇剖面渥奇剖面 美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝高美国内务部垦务局研究成果，主要考虑坝高对剖面影响对剖面影响WES剖面剖面 流行采用流行采用第15页/共38页16l水流进入宽顶堰后，出现两次跌落的水力现象，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。顶堰，按宽顶堰计算；公式依旧采用基本公式。8.4 宽顶堰的水力计算宽顶堰的水力计算 堰流堰流第16页/共3

12、8页17u直角进口直角进口u圆弧进口圆弧进口一、流量系数一、流量系数 m m l m m与宽顶堰的进口形式，水头与宽顶堰的进口形式，水头H H，堰高，堰高P P有关，可以有关，可以由经验公式或表查取；理论最大值由经验公式或表查取；理论最大值m=0.385m=0.385。第17页/共38页18二、侧收缩系数二、侧收缩系数式中：式中：a a为墩形系数，矩形边缘为墩形系数，矩形边缘a=0.19a=0.19；圆形边缘；圆形边缘a=0.10a=0.10。u 堰宽小于渠道宽度的宽堰宽小于渠道宽度的宽顶堰流将发生倾向收缩，顶堰流将发生倾向收缩，使主流的实际宽度使主流的实际宽度bcbc小于小于堰宽堰宽b b，

13、水流阻力也因此增，水流阻力也因此增大，泄流能力变小。大，泄流能力变小。u 用用来反映侧收缩影响。来反映侧收缩影响。u 与堰宽与渠宽的比值与堰宽与渠宽的比值b/Bb/B、边墩的进口形状及进、边墩的进口形状及进口断面变化口断面变化h/Hh/H有关，经验公式为：有关，经验公式为：第18页/共38页19三、淹没条件及淹没系数三、淹没条件及淹没系数 第八章第八章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流u 据实验，宽顶堰的淹没据实验，宽顶堰的淹没条件为：条件为：u 淹没系数淹没系数的大小取决于淹没程度，的大小取决于淹没程度，与与h hs s/H/H0 0成成反比，反比，可查表可查表8.28.2得到。得到。u 堰顶水

14、头堰顶水头H H0 0及进口形式及进口形式一定时，下游水位升高，一定时，下游水位升高，宽顶堰形成淹没出流后，宽顶堰形成淹没出流后，下游水位略高于堰顶水位，下游水位略高于堰顶水位，过水能力降低。过水能力降低。第19页/共38页20第八章第八章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流四、无坎宽顶堰流的水力计算简四、无坎宽顶堰流的水力计算简介介l 无坎宽顶堰流形式在工程上有很多，如经过小桥孔无坎宽顶堰流形式在工程上有很多，如经过小桥孔径、平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。均径、平底水闸、无压涵洞及廊道进口处的水流等。均可利用无坎宽顶堰原理对过流能力进行计算。可利用无坎宽顶堰原理对过流能力进行计算。l 无

15、坎宽顶是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流无坎宽顶是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面上的束窄产生侧向收缩，引起水面跌落而形成受平面上的束窄产生侧向收缩，引起水面跌落而形成的。的。l 无坎宽顶堰的计算公式与普通宽顶堰相同，但无坎宽顶堰的计算公式与普通宽顶堰相同，但计算计算中不单独考虑侧向收缩的影响中不单独考虑侧向收缩的影响，而包含在流量系数中，而包含在流量系数中一并考虑一并考虑,即令即令m=m*1,。m可查表可查表8.3得到。得到。第20页/共38页218.5 闸孔出流的水力计算闸孔出流的水力计算 闸孔闸孔-带有闸门来控制水流的泄水建筑物。带有闸门来控制水流的泄水建筑物。闸孔出流闸孔出流

16、-建筑物顶部闸门部分开启，水流受闸建筑物顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部和闸门下缘之间下泄。门控制而从建筑物顶部和闸门下缘之间下泄。2 2、堰、闸的区分（堰闸出流的转换）、堰、闸的区分（堰闸出流的转换）堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化为堰流。孔出流转化为堰流。1 1、基本概念、基本概念第21页/共38页22第22页/共38页23e e/H H 0.75 0.75 为堰流。为堰流。平顶宽顶堰平顶宽顶堰e e/H H 0.65 0.65 闸孔出流

17、闸孔出流e e/H H 0.650.65堰流堰流曲线型宽顶堰曲线型宽顶堰e e/H H 0.75 0.75 闸孔出流，闸孔出流，3 3、堰、闸的共同点和区别、堰、闸的共同点和区别（1 1）堰流和闸孔出流都是建筑物壅高水位，在重）堰流和闸孔出流都是建筑物壅高水位，在重力作用形成的水流运动，从能量观点，堰闸出流的力作用形成的水流运动，从能量观点，堰闸出流的出流过程都是一种势能转化为动能的过程。出流过程都是一种势能转化为动能的过程。u 共同点：共同点：第23页/共38页24（2 2）堰和闸都是属于控制建筑物，都属于急变流，）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。其能量

18、损失以局部水头损失为主。堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；续光滑的；闸孔出流受到闸门的控制，自由表面被闸门截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。断，闸孔上、下游水面是不连续的。u 区别：区别：l 堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。征、过水能力和规律都不相同。第24页/共38页254、闸孔出流的型式、闸孔出流的型式u 常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰常见闸底坎型式：宽顶堰，曲线型实用堰u 常见闸门型式：常见闸门型式：平板闸门，弧

19、形闸门平板闸门，弧形闸门第25页/共38页265、闸孔出流水力计算的主要任务、闸孔出流水力计算的主要任务u 在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的在一定闸前水头下，计算不同闸孔开度时的泄流量。泄流量。u 根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。根据已知泄流量求所需的闸孔宽度。按照出流形式可分按照出流形式可分实际工程中，为几种型式的组合实际工程中，为几种型式的组合第26页/共38页276、底坎为、底坎为宽顶堰型宽顶堰型的闸孔出流的闸孔出流淹没问题淹没问题:第27页/共38页28当当 运驱式运驱式 在在c-c c-c 下游下游 自由出流自由出流 临界式临界式 在在c-c c-c 断面断面 自由出流自由出流

20、 淹没式淹没式 在在c-c c-c 上游上游 淹没出流淹没出流 第28页/共38页29A A、底坎为、底坎为宽顶堰型宽顶堰型闸孔闸孔自由出流自由出流自由出流自由出流的水力计算的水力计算宽顶堰型闸孔自由出流的宽顶堰型闸孔自由出流的 流量系数流量系数垂直收缩系数垂直收缩系数流速系数流速系数第29页/共38页30a a）对于平板闸门的闸孔）对于平板闸门的闸孔儒可夫斯基应用理论分析法，求得无侧收缩儒可夫斯基应用理论分析法，求得无侧收缩系数条件下，垂直收缩系数随相对开度增大系数条件下，垂直收缩系数随相对开度增大而加大，表而加大，表8.7。流量系数按照南京水利科学研究院经验公式。流量系数按照南京水利科学研

21、究院经验公式。第30页/共38页31b b）对于弧形闸门的闸孔）对于弧形闸门的闸孔主要与闸门下缘切线与水平方向夹角的大小主要与闸门下缘切线与水平方向夹角的大小有关，表有关，表8.8。流量系数经验公式。流量系数经验公式。第31页/共38页32B B、底坎为、底坎为宽顶堰型宽顶堰型闸孔闸孔淹没出流淹没出流的水力计算的水力计算淹没系数与潜流比淹没系数与潜流比 有关，有关，查图查图8.348.34第32页/共38页337、底坎为、底坎为曲线型实用堰型曲线型实用堰型的闸孔出流的闸孔出流A、对于平板闸门、对于平板闸门流量系数可用经验公式流量系数可用经验公式第33页/共38页34B、对于弧形闸门、对于弧形闸

22、门现系统研究不足，初步计算可查表现系统研究不足，初步计算可查表8.9得到。得到。第34页/共38页35欢 迎 提 问 ！第35页/共38页36例题例题：如图所示曲线型实用堰上的单孔平板闸孔泄流，闸门底缘斜面朝向下游，当闸门开度e=1m时，其泄流量Q=24.3m3/s，闸孔宽b=4m，试求：堰上水头H。解：由于下游水位低于堰顶，故为自由泄流，其流量公式为由于=90，cos=0，所以流量系数计算公式为第36页/共38页37这里设H=5m，则 =24.28 m3/s 可见与题目所给流量Q=24.3m3/s基本相等，故取堰上水头H=5m。又由于水头 H未知，故也暂时求不出来，所以此题只能采用试算法，设若干个水头H值，求相应的流量Q值，即第37页/共38页38感谢您的观看！第38页/共38页