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。

一、矩形薄壁堰流量精度最高。

要满足：A 堰宽与上游渠宽相同；B 于堰顶（保证自由出流）；C H>2.5cm （以免除表面张力的影响）；D 气相通（避免形成真空）。

流量公式为：02/302m H g mb Q ==量系数，HP H m 0007.0053.0403.010++=，单位全部用米，1P 为上游堰高。

适用条件为：m H 025.0≥，m P P H3.0,211≥≤。

二、直角三角形薄壁堰流用于流量较小时。

流量公式：2/50H C Q =210)09.0)(2.014.0(004.0354.1-+++=BHP H C ，流量以s m /3计，其余以米计。

适用范围：3/;26.007.0;75.01.0;2.15.01B H m H m m P m m B m ≤≤≤≤≤≤≤。

粗略计算时取：4.10=C 。

第四节 实用堰流的水力计算一、曲线形实用堰的剖面组成及其设计 由四段组成：图8-5上游直线段AB ：常是垂直的，有时也是倾斜的。

其坡度由坝体的稳定和强度要求选定。

下游直线段CD ：其坡度也是由坝体的稳定和强度要求选定。

反弧段DE ：使直线段CD 与下游河底平滑连接，避免水流直冲河床；并有利于下游的消能。

反弧半径：H较大))(0.1~5.0(max z H r d +=;H 较小))(5.0~25.0(max z H r d +=堰顶曲线段BC ：对水流特性的影响最大，是设计曲线型实用堰剖面的关键。

曲线BC 与薄壁堰自由出流的水舌下缘吻合，水舌不受堰面形状影响，堰面压强为大气压；曲线BC 突出于水舌下缘，堰面将顶托水流，水舌不能保持原有形状，堰面压强大于大气压，过水能力降低；曲线BC 低于水舌下缘，脱离处空气被水流带走，堰面形成负压区，过水能力增大。

二、工程中常用的曲线型实用堰 1、克-奥堰2、WES 堰（图8-7） WES 堰的标准剖面 WES 堰的堰顶下游：85.1)(5.0)(dd H x H y =， d H 为设计水头。

堰顶上游由三段复合圆弧组成。

设计水头：max )95.0~75.0(H H d =，其原则是有较大的流量系数，又没有过大的负压。

三、WES 堰的剖面设计1、首先确定剖面设计水头H d ，堰高P 1，P 2，堰下游的坡比m c ，及其夹角α，反弧半径R 。

2、以堰顶最高点为坐标原点O ，Ox 水平轴以指向下游为正，Oy 铅垂轴以向下为正。

由85.1)(5.0)(dd H x H y =计算出堰顶曲线OC 段的坐标，可以点绘出堰面曲线；根据图8-7的数据，绘出堰顶上游段BO 的三段复合圆弧及垂直堰墙。

3、确定堰顶下游曲线段与直线段的切点C 的坐标，按下式计算：177.1096.1c dc m H x =177.2592.0c dc m H y =4、确定下游直线段与反弧段的切点D 的坐标()ααsin 21802R Rctg y P m x x C c C D -⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-+= αcos 2R R P y D +-=5、反弧段与河床的切点E 的坐标：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+=21802α Rctg y P m x x C c C E 6、反弧段圆心O ’的坐标：E O x x ='R P y o -=2'四、WES 堰的水力计算 1、流量系数 （1）33.11≥dH P 时，称为高堰 0.10=dH H ，502.0=d m 0.10<d H H ，d m m <；0.10>dH H，d m m >；m 具体由图8-8中的a 线确定。

（1）33.11<dH P 时，称为低堰 m 由图8-8中的b 、c 、d 、e 线确定。

2、侧收缩系数()[]nbH n k 00112.01ζζε-+-= 式中 k ζ——边墩形状系数； 0ζ——中墩形状系数。

3、淹没系数淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，),(020H P H h f s s =σ，查图8-10。

式中s h 为从堰顶算起的下游水深；2P 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：2/3012H g mb Q s εσ=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H P /1。

直角进口：HP HP m 1175.046.0301.032.0+-+=；适用于：301≤≤H P 。

当>HP13时，m=0.32。

圆角进口：HP H P m 115.12.1301.036.0+-+=；适用于：301≤≤H P 。

当>HP13时，m=0.36。

宽顶堰流量系数的最大值385.0max =m 。

2、侧收缩系数对单孔宽顶堰（有边墩，无闸墩）：)1(2.0143101BbB b HP -+-=αε；b 为闸孔净宽；B 为上游渠道宽度；0α为墩头形状系数（矩形时取0.19，圆形时取0.10）。

适用于：3;2.01<>H P B b ；若2.0<B b 取2.0=Bb；若31>H P 取31=HP。

对于多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）：取边孔及中孔的加权平均值：nn 111)1(εεε''+'-=， n 为孔数，1ε'为中孔侧收缩系数（d b B b b +'='=;）；1ε''为边孔侧收缩系数（∆+'='=2;b B b b ），d 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，产生水面跌落，在进口后约2H 处形成收缩断面，并在出口后产生第二次跌落，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，收缩断面保持急流状态。

在下游水位上升至高于K —K 线时，宽顶堰形成淹没出流。

且下游水面要高于堰顶水深。

淹没条件：08.0H h s > 淹没系数：)(H h f ss =σ 查表8-2。

二、无坎宽顶堰流的水力计算将侧收缩系数包含在流量系数内一起考虑，m m 1ε=' 流量公式：2/302H g b m Q s '=σ流量系数m’据进口翼墙的形式及平面收缩程度，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 自学第七节 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(0.5~1)e 处形成收缩断面。

收缩断面的水深c h 小于临界水深，水流呈急流状态。

在下游发生水跃。

自由出流：（下游超过堰顶的水深）c t h h ''≤（收缩断面水深c h 的跃后水深），水跃发生在收缩断面处或收缩断面的下游，下游水深不影响闸孔出流。

淹没出流：ct h h ''>，水跃发生在收缩断面上游，过闸流量随下游水深的增大而减小。

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：w c c c h gV h gV H ++=+222200αα，即：gVh H c c c 2)(20ςα++=H 为闸前全水头。

则)(20c c h H g V -=ϕ，其中ςαϕ+=c 1速系数。

则：)(20c c h H g bh Q -=ϕ， 令：h c 202002)(2gH be e H g be Q μεμ=-=， 2/10H Q ∝其中022201;H eεϕεμϕεμ-==， 均为闸孔自由出流的流量系数。

流量系数μ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。

ϕ与闸空入口的边界条件有关，对平底堰：0.1~95.0=ϕ，（对有坎堰：95.0~85.0=ϕ；2ε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，边墩及闸墩对流量的影响很小，因此不单独考虑其影响。

（1） 平板闸门：He176.060.0-=μ （2） 弧形闸门：He)18081.056.0()18018.097.0(︒︒--︒︒-=ααμ，α为闸门下缘切线与水平线的夹角Rec -=αcos ，R 为闸门的半径，c 为闸门转轴距堰顶的距离。

适用于：65.00;9025<<︒≤<︒Heα.注意:同样的e/H 时, 弧形闸门的流量系数大于平板闸门, 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: 02gH be Q s μσ=, 淹没系数s σ与潜流比)/()(c ct h H h h ''-''-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出流. 列堰前断面与堰顶闸孔断面的能量方程:g V p z H 2)(211110ςαγ+++=, 令:e p z βγ=+11, 则:)(201e H g V βϕ-= 流量: 02gH be Q μ=, 其中流量系数01H e βϕμ-=,流速系数ςαϕ+=11 流量系数与闸门形式, 闸门的相对开度等因素有关.1. 平板闸门:θμcos )375.025.0(186.065.0H e H e -+-=, θ如图8-23所示. 2. 弧形闸门: 查表8-6。