水力学教案——堰流和闸孔出流(中职教育)

'第八章堰流和闸孔出流第一节概述一、堰流及闸孔岀流的概念堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，水流从建筑物顶部口由下泄。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：堰流的水而线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水而是不连续的。由于边界条件的这种差界，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，是在重力作川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:—<0.65时为闸孔出流;—>0.65时为堰流。HH闸底坎为Illi线型堰时：—<0.75时为闸孔出流；—>0.75时为垠流。HH式中，c为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸両水深。 第二节堰流的类型及水力计算公式一、堰流的类型定义：垠前断面，垠顶水深，行近流速。垠前断面距上游壁曲的距离：1=（3〜5）H1.薄壁堰流：—<0.67,水舌形状不受垠坎厚度的影响，与垠顶呈线接触，水而呈H单一的降落曲线。此时堰顶常为锐缘形。2.实用堰流：0.67<—<2.5,水舌下缘与堰顶呈面接触，水舌受堰顶的压缩与顶托,H但影响不人，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<210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H+a(,V°:二(Z+£)+S|•2gY2g"+“必2-为堰上全水头。（"厶二刁2g/V乙则：—+吋堰顶宽度为b,水舌厚度为kH（）（k为堰顶水流垂向收缩系数），则:Q=kH°bV二kH°b」_』2gH-0二俅莎H(严=mb^H()3/2式屮0为流速系数；m为流量系数。QsH严。流量系数:m=还与堰的边界条件有关。自由出流/淹没出流；有侧收缩垠/无侧收缩垠。 则：Q=crss{mb^2gHj12 第三节薄壁堰流的水力计算-般用作量水工具。一.矩形薄壁堰流p◎匸h.b=B1m0为包含行近流速彩响在内的流矩形薄壁垠无侧收缩H由堰流时，水流稳定，测量精度最咼。要满足：A堰宽与上游渠宽相同；B下游水位低于堰顶（保证自由出流）；C堰上水头不能太小，一般H>2.5cm（以免除表面张力的彩响）；D水舌下面与人气相通（避免形成真空）。流量公式为：Q=mb^H^2=m.b^H3/2最系数,“）=0.403+0.0532+22221,单位全部用米，片为上游堰高。适用条件为:PHH>0.025m,—<2,P.>0.3m。片二、直角三角形薄壁堰流用于流量较小时。流量公式：Q=C.H5,2Co=1.354+^^+（0.14+菲）（乡—0.09）2，流量以AH’/s计,其余以米计。适用范围:0.5m1.0,m>m,；m具体由图8-8屮的a线确定。比H（1（1）Z-vl.33吋，称为低堰m由图8-8中的b、c>d、c线确定。 2、侧收缩系数®=1-0.2以+(—1以］H。nb式屮J—边墩形状系数;<0——中墩形状系数。3、淹没系数hP淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，鼻=/（亠，丄），查图8-10o5JIJIIH（）Ho式屮心为从堰顶算起的下游水深；Pg为下游堰高。 第五节宽顶堰的水力计算宽顶堰流（垂向收缩）/无坎宽顶堰流（侧向收缩）。流量公式：Q=（J一、有坎宽顶堰流的水力计算1、流量系数流量系数m取决于堰顶进口形式和堰的相对高度片!Ho眷>3时,"3』直角进口：m=0.32+0.01；适用于：0<^-<30当0.46+0.75勺日H3丄当—>3时,m=0.36«H圆角进口：m=0.36+0.01旦—；适用于：0<勺<3。1.2+1也日H宽顶堰流量系数的最人值加唤=0.385o2、侧收缩系数对单孔宽顶堰（冇边墩，无闸墩）:=1-.a（）=^（1--^）；b为闸孔净宽；B为上游渠道宽度；a。为墩头形状f24〃B系数（矩形时取。.19,圆形时取。.叭适用于：|>O.2；A<3;若牛0.2取牛0.2；若一-〉3取一-=3oHH对于多孔宽顶垠（有边墩及闸墩）：取边孔及中孔的加权平均值:£二色二坐上空，门为孔数，屛为中孔侧收缩系数（h=hB=hf+d）；外为n边孔侧收缩系数（b=bf-B=bf+2Ad为闸墩厚度，△为边墩计算厚度。3、宽顶堰的淹没条件及淹没系数下游水位较低时，自由出流，水流进入堰顶后，产牛水而跌落，在进口后约2H处形成收缩断而，并在出口示产生第二次跌落，在堰顶上的水流为急流状态。当下游水位与K—K线齐平时，产生波状水跃，收缩断而保持急流状态。在下游水位上升至高于K-K线时，宽顶堰形成淹没出流。下游水面要高于堰顶水深。 淹没条件：hs>O.8Woh淹没系数：b、.=/（亠）查表8・2。H。二、无坎宽顶堰流的水力计算将侧收缩系数包含在流最系数内一起考虑,=sm流量公式：Q=（ysm,b^H^2流量系数id据进口翼墙的形式及平而收缩程度，查表8-3。多孔时，取边孔及中孔的加权平均值。淹没系数与有坎宽顶堰一样。第六节其他堰流的水力计算白学第七节闸孔出流的水力计算闸底坎分为宽顶堰（包含无坎宽顶堰）及曲线型实用堰；闸门型式分为平板闸门及弧形闸门。一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流H为闸前水头，e为闸孔开度。出闸后流线继续收缩，在闸门下游（0.5〜l）e处形成收缩断面。收缩断面的水深心小于临界水深，水流呈急流状态。在下游发生水跃。口由出流：（下游超过堰顶的水深）hth^水跃发生在收缩断而上游，过闸流量随下游水深的增大而减小。闸孔自由出流闸孔淹没出流1.底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算列闸前断面与收缩断面的能量方程: 即：//（）=/—+（%+§）¥2gH()为闸前全水头。则V严(p』2g(Ho-h",其^(p=为流gc+§速系数。贝ij：Q=(phhcj2g(H()-化)，令：hc=e2eQ=“。加強巩//。-勺幺）=pbe』2gH°,QxHJ?均为闸孔白由出流的流最系数。流量系数“的影响因素有：闸底坎的形式、闸门的类型和闸门的相对开度。©与闸空入口的边界条件有关，对平底垠：©=0.95~1.0,(对有坎垠：0=0.85〜0.95；勺与闸门形式及e/H的关系可由表8-4及表8-5得。由于闸孔出流时，边墩及闸墩对流最的影响很小，因此不单独考虑其影响。(1)平板闸门:“0.60一。•叫(2)弧形闸门:ctaeA=(0.97-0.18^)-(0.56-0.81^)-,幼闸门下缘切线与水平线的夹角c—eCOSQ=——，R为闸门的半径，C为闸门转轴距堰顶的距离。适用于:R25。"90。;0<亓<0.65.注意:同样的e/H时，弧形闸门的流量系数人于平板闸门，因为弧形闸门更接近于流线形状.2.底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算流量公式：QW呢j2gH°,淹没系数s与潜流比(/zr-<)/(/7-Af)有关，查图8-21.二、底坎为曲线实用堰的闸孔出流一般为自由岀流.列堰前断面与堰顶闸孔断面的能量方程： ~y2~H（）=可+厶+（d|+§）彳-，令:可+山=化，则:V|=（p』2g（H°-俠）丫2gy流罐：Q二“加j2gH（）,其屮流量系数“1_0丄,流速系数（p=-1VH°流量系数与闸门形式，闸门的相对开度等因索有关.1.平板闸PJ://=0.65-0.186—+（0.25-0.375―）cos0,（）如图8-23所示.HH2.弧形闸门：查表&6。第八节明流洞、涵的过流白学'