《水力學(xué)》(課件)講稿9

1、第九章 堰流及閘孔出流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，常修建水閘或溢流壩等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。這是一種局部水流狀態(tài)，有兩種形式閘孔出流：明槽水流受閘門(mén)控制而從建筑物頂部與閘門(mén)下緣間的孔口流出時(shí)的水流狀態(tài)。特點(diǎn)：閘孔出流時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝媸艿介l孔開(kāi)啟尺寸的限制，其水面是不連續(xù)的。堰流：明槽水流受建筑物的影響，上游水位壅高，水流經(jīng)過(guò)建筑物溢流至下游的水流現(xiàn)象。這種既能壅高明渠水流水位又能從自身溢流的建筑物稱(chēng)為溢流堰（簡(jiǎn)稱(chēng)堰）。這種流動(dòng)也稱(chēng)堰頂溢流。特點(diǎn)：堰流的溢流水面上緣不受任何約束而為連續(xù)的自由降落水面。 兩種水流可相互轉(zhuǎn)化對(duì)于明渠中具有閘門(mén)控制的同一過(guò)流建筑物

2、，在某種條件下出流為堰流，也可以轉(zhuǎn)變成閘孔出流。這種水流的轉(zhuǎn)化條件是：閘孔的相對(duì)開(kāi)度e/H；閘底坎及閘門(mén)(或胸墻)的型式；上游來(lái)流的漲水或降水。一般情況下，有下列判別界限閘底坎為平頂堰時(shí)閘底坎為曲線型堰時(shí)式中：e為閘孔開(kāi)度；H為堰頂水頭為閘孔出流為堰流為堰流為閘孔出流兩種水流的共同點(diǎn)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能堰流和閘孔出流都是因水閘或溢流堰等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流運(yùn)動(dòng)。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，出流的過(guò)程都是一種勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。明渠急變流這兩種水流都是在較短的距離內(nèi)流線發(fā)生急劇彎曲，離心慣性力對(duì)建筑物表面的壓強(qiáng)分布及建筑物的過(guò)水能力均有一定影響。因而，都屬于明渠急變流，其出流過(guò)程的能量

3、損失主要是局部損失。 堰流及閘孔出流是水利工程中常見(jiàn)的水流現(xiàn)象，工程上對(duì)這兩類(lèi)水流現(xiàn)象進(jìn)行水力計(jì)算的主要任務(wù)是研究過(guò)水能力。本章將應(yīng)用水力學(xué)基本原理，分析堰流及閘孔出流的水力特性，并介紹有關(guān)的水力計(jì)算方法。 第一節(jié) 堰流的類(lèi)型及計(jì)算公式堰是水電站和水利工程中常用的溢流建筑物，它的主要作用是抬高并控制河道和渠道的水位、宣泄和控制過(guò)堰的流量。水流經(jīng)堰頂下溢(泄)的水力現(xiàn)象稱(chēng)為堰流，也稱(chēng)堰頂溢流。本節(jié)將簡(jiǎn)要敘述堰的種類(lèi)、堰流基本公式以及水力計(jì)算。 一、堰流的類(lèi)型如圖所示，堰上游水流接近堰頂時(shí)，由于流線收縮，流速加大，自由表面將逐漸下降。一般將堰前水面無(wú)明顯下降的 0-0 斷面稱(chēng)為堰前斷面，在該斷面由

4、水面到堰頂?shù)母卟罘Q(chēng)為堰頂水頭， 以 表示。圖中 稱(chēng)為堰頂厚度， 為堰高。實(shí)測(cè)表明，堰前斷面距堰上游壁面的距離約為l=(3 5) 上下游堰基礎(chǔ)不是同 一高程時(shí)分別有堰 高P1、P2 按照堰頂厚度和堰頂 水頭的比值大小可 以將堰分為：H。1薄壁堰， 。由于堰頂厚度較薄，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，水流越過(guò)堰頂時(shí)的溢流水舌的下緣在堰頂翹起，其水舌形狀不受堰厚度的影響。水舌下緣與堰頂為線接觸，過(guò)堰的水面為單一的降落曲線，如圖所示。這種堰的堰頂通常削尖做成銳緣形，故薄壁堰又稱(chēng)銳緣堰。薄壁堰在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流中被廣泛用作量水設(shè)備，如矩形薄壁堰、三角形薄壁堰等，如圖所示。2實(shí)用堰， 。由于堰頂厚度增加，水流越過(guò)堰頂時(shí)的溢

5、流水舌的下緣與堰頂呈面接觸，水舌受到堰頂?shù)募s束和頂托。但這種約束和頂托的影響還不大，水流越過(guò)堰頂后，主要還是在重力作用下自由跌落，如圖所示。實(shí)用堰從剖面上可分為折線型和曲線型兩類(lèi)，如圖所示。前者稱(chēng)為折線型實(shí)用堰，一般用于低堰，其輪廓尺寸多根據(jù)具體情況擬定； 低堰也有：低WES堰、駝峰堰等等后者稱(chēng)為曲線型實(shí)用堰，一般用于具有較高水頭的溢流壩。 曲線型實(shí)用堰又根據(jù)壩面是否允許出現(xiàn)真空分為：真空堰和非真空堰兩種。非真空剖面堰的堰面曲線形式基本上是參照薄壁堰溢流水舌的下緣，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，使壩面不出現(xiàn)過(guò)大的真空并獲得盡可能大的過(guò)水能力。真空剖面堰常用的有： 克里格-奧菲采洛夫(簡(jiǎn)稱(chēng)克-奧)剖面 美國(guó)水

6、道實(shí)驗(yàn)站(W.E.S)標(biāo)準(zhǔn)剖面 我國(guó)長(zhǎng)研I型剖面等3寬頂堰， 。堰頂厚度的增加，使堰頂厚度對(duì)水流的頂托作用非常明顯。進(jìn)入堰頂?shù)乃?，受到堰頂垂直方向的約束，過(guò)流斷面逐漸縮小，流速逐漸加大。這時(shí)水流的動(dòng)能也逐漸加大，勢(shì)能則隨之減小，加上進(jìn)入堰頂時(shí)產(chǎn)生的局部水頭損失，水流則在堰頂進(jìn)口處形成水面跌落，如圖所示。在此之后，由于堰頂對(duì)水流的頂托作用，有一段水流的水面幾乎與堰頂平行。當(dāng)下游水位較低時(shí)，流出堰頂?shù)乃饔之a(chǎn)生第二次跌落。下圖表示了幾種寬頂堰上的水流情況。渠道、河道的寬度與堰頂溢流寬度相等的稱(chēng)為無(wú)側(cè)收縮堰或全寬堰；渠道、河道的寬度大于堰頂溢流寬度的稱(chēng)為有側(cè)收縮堰。有坎寬頂堰 堰高P0，以上為有坎

7、寬頂堰。 無(wú)坎寬頂堰 堰高P=0無(wú)底坎寬頂堰：寬頂堰的堰頂高程與上游引水渠渠底高程相同(堰高P=0)，堰寬小于上游引水渠渠寬。也稱(chēng)平底堰。如施工中的圍堰。特點(diǎn)：堰前，由于堰孔寬度小于引水渠寬度，過(guò)堰水流雖無(wú)底坎阻礙，但在平面上過(guò)堰水流受到側(cè)向束縛，過(guò)水?dāng)嗝鏈p少、局部阻力增加，上游水面被迫壅高。堰后，由于過(guò)流斷面逐漸縮小，流速逐漸加大。這時(shí)水流的動(dòng)能也逐漸加大，勢(shì)能則隨之減小，加上入堰時(shí)產(chǎn)生的局部水頭損失，水流則在堰進(jìn)口處形成水面跌落。過(guò)堰后，水流有一段水流幾乎與堰頂平行。當(dāng)下游水位較低時(shí)，流出堰頂?shù)乃饔之a(chǎn)生第二次跌落。下游水位達(dá)到一定高度后影響過(guò)水能力的稱(chēng)為淹沒(méi)堰流，否則稱(chēng)為自由堰流。 ，堰

8、流以局部水頭損失為主； ，沿程水頭損失不可忽略，屬于明槽水流。 二、堰流的基本公式應(yīng)用能量方程式來(lái)推求堰流計(jì)算的基本公式。對(duì)堰前斷面0-0及過(guò)堰水舌中部斷面1-1列能量方程，并以通過(guò)堰頂?shù)乃矫鏋榛鶞?zhǔn)面其中0-0為漸變流斷面，代表點(diǎn)在水面； 1-1為急變流斷面，過(guò)水?dāng)嗝嫔蠝y(cè)壓管水頭不為常數(shù)，用 表示測(cè)壓管水頭平均值(9-2)令 = ， 為行近流速水頭， 為堰頂總水頭令 ， 為某一修正系數(shù)，則上式可改寫(xiě)為堰頂過(guò)水?dāng)嗝嫘螤钜话銥榫匦?，面積為kH0 b。其中， b為斷面寬度， kH0為斷面的水舌厚度，k為堰頂水流的垂直收縮系數(shù)。則通過(guò)的流量為 =(9-3)(9-4) (9-5)為流速系數(shù) 令 ，m為

9、堰的流量系數(shù)，則有式(9-6)就是堰流計(jì)算的基本公式，對(duì)堰頂過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦蔚谋”谘吡?、?shí)用堰流或?qū)掜斞吡鳎歼m用。注意：1) 由式(9-6)可知，過(guò)堰流量與堰頂總水頭的3/2次方成比例，即 。2) 流量系數(shù)m的主要影響因素是 、k、 ，其中： 主要是反映局部水頭損失的影響；k是反映堰頂水流垂直收縮的程度； 是堰頂斷面的平均測(cè)壓管水頭與堰頂總水頭之比。 (9-6)另外，流量系數(shù)m還與上游堰高、堰頂進(jìn)口邊緣形狀等堰的邊界條件有關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，影響堰流的過(guò)流能力： 流量系數(shù)m、水頭H等。還有- 淹沒(méi)溢流狀態(tài) 側(cè)收縮堰流狀態(tài) 下游水位較高或下游堰高較小影響了堰的過(guò)流能力，這種堰流稱(chēng)為淹沒(méi)溢流，否則為自由

10、溢流。堰頂?shù)倪^(guò)流寬度小于上游渠道寬度或是堰頂設(shè)有閘墩、邊墩，都會(huì)引起水流的側(cè)向收縮，降低了過(guò)水能力，這種堰叫做有側(cè)收縮堰，否則為無(wú)側(cè)收縮堰。第二節(jié) 薄壁堰溢流 薄壁堰常作為一種有效的量水工具，因?yàn)楸”谘吡骶哂蟹€(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。薄壁堰流的研究具有實(shí)際意義。工程上廣泛應(yīng)用的曲線型實(shí)用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌下緣曲線設(shè)計(jì)。常用的薄壁堰頂部過(guò)水?dāng)嗝娉Ｗ龀删匦魏腿切?，分別稱(chēng)為矩形薄壁堰和三角形薄壁堰。 一、矩形薄壁堰流實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)矩形薄壁堰流為無(wú)側(cè)收縮、自由溢流時(shí)，水流最為穩(wěn)定，測(cè)量精度也較高。無(wú)側(cè)收縮：上游渠寬與堰寬相同自由溢流：下游水位低于堰頂，還需要：（1）堰上水頭不宜過(guò)?。ㄒ话銘?yīng)

11、使H2.5cm），否則溢流水舌受表面張力作用，出流很不穩(wěn)定。（2） 水舌下面的空間與大氣相通，否則由于溢流水舌把空氣帶走，壓強(qiáng)降低，水舌下面形成局部真空，這種出流也是不穩(wěn)定的。 1、矩形無(wú)側(cè)向收縮薄壁堰自由溢流的水舌形狀矩形薄壁堰穩(wěn)定水舌的輪廓，巴贊做了有意義的觀測(cè) 表明只要堰壁厚度 ，堰壁就不會(huì)影響水舌的形狀，這就是 堰為薄壁堰的原因。 2、矩形薄壁堰自由溢流的計(jì)算對(duì)于無(wú)側(cè)收縮、非淹沒(méi)矩形薄壁堰，有公式為便于計(jì)算，把行近流速的影響包括在流量系數(shù)中去：流量系數(shù)m0可采用巴贊公式 其中則得(9-8)應(yīng)用巴贊公式(9-8)時(shí)，注意適用條件還有雷伯克公式(9-9)、愛(ài)格利公式(9-10)等等薄壁堰在

12、形成淹沒(méi)溢流時(shí)，下游水面波動(dòng)較大，溢流很不穩(wěn)定。所以，一般情況下量水用的薄壁堰不宜在淹沒(méi)條件下工作。二、三角形薄壁堰流 已知堰頂水頭較小時(shí)，矩形薄壁堰溢流水舌很不穩(wěn)定，不能保證穩(wěn)定的水頭流量關(guān)系。這時(shí)應(yīng)使用三角形薄壁堰。對(duì)于等腰三角形薄壁堰的流量公式可推導(dǎo)如下 設(shè)三角形頂角為 ，頂點(diǎn)以上的水頭為H。在距頂點(diǎn)水平距離為 處取微元堰寬 ，則通過(guò)該微元堰寬 的溢流量為此處認(rèn)為微小矩形薄壁堰。并且有下列幾何關(guān)系代入式(9-12)，將m0看作常數(shù)，積分后得頂角為 的等腰三角形薄壁堰的流量公式 實(shí)用中，頂角為直角的直角三角形薄壁堰，有流量公式 Q=C0H5/2式中，直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)C0為誤差=

13、1.33 m不變0.3 P1/Hd1.33 m減小P1/Hd0.3 m迅速減小2、低堰剖面設(shè)計(jì)WES剖面，主要適用于高溢流堰WES剖面可直接移用作低堰剖面，即低WES剖面可使所設(shè)計(jì)的堰剖面在超水頭下工作（即H0Hd)時(shí)堰面負(fù)壓較小，有利于節(jié)省工程量。另外，還有駝峰堰 、折線型實(shí)用堰等等 第四節(jié) 寬頂堰流的水力計(jì)算 寬頂堰流是實(shí)際工程中一種極為常見(jiàn)的水流現(xiàn)象。由底坎引起水流在垂直方向產(chǎn)生收縮，會(huì)形成寬頂堰流；當(dāng)水流流經(jīng)橋墩之間、隧洞或涵管進(jìn)口以及流經(jīng)由施工圍堰束窄了的河床時(shí)，水流由于側(cè)向收縮的影響，也會(huì)形成進(jìn)口水面跌落，產(chǎn)生寬頂堰的水流狀態(tài)，稱(chēng)作無(wú)坎寬頂堰流。當(dāng)堰頂水平且厚度滿(mǎn)足即為寬頂堰流。寬

14、頂堰流的流動(dòng)特點(diǎn)是：在堰進(jìn)口處形成水面跌落，在堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行堰頂?shù)臐u變流動(dòng)。在 10時(shí)應(yīng)按明渠水流處理。 ，一、矩形寬頂堰無(wú)側(cè)向收縮的自由溢流1. 流量公式寬頂堰厚度滿(mǎn)足 ，過(guò)堰水流在進(jìn)口處形成水面跌落，然后有一段流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流動(dòng)。 對(duì)0-0和c-c兩過(guò)水?dāng)嗝媪锌偭鞯哪芰糠匠淌街?為流速系數(shù)， 為動(dòng)水壓強(qiáng)分布改正系數(shù)。流量公式為 ， 可得令式中 堰頂水平段水深h，看作為H0的倍數(shù)，系數(shù)k1 ，最大值k=2/3 流量系數(shù)取決于局部水流阻力(以 表征)、動(dòng)水壓強(qiáng)分布情況(以 表征)及坎頂最小相對(duì)水深 等因素寬頂堰流流量系數(shù)的最大值為0.385 ( kmax=2/3 ) 2流

15、量系數(shù)寬頂堰的流量系數(shù) 決定與堰頂?shù)倪M(jìn)口形式和堰的相對(duì)高度 ，理論分析表明寬頂堰的最大流量系數(shù) ，實(shí)際的流量系數(shù) 應(yīng)小于 。關(guān)于流量系數(shù) ，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。(1) 有底坎寬頂堰堰頂入口(底坎進(jìn)口邊緣)為直角的寬頂堰，如圖所示，當(dāng) 時(shí) 當(dāng) 時(shí) 上述公式是根據(jù)下圖圖9-24中 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的 進(jìn)口邊緣為直角的寬頂堰流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)成果圖 圖9-24對(duì)于堰頂入口為圓角(底坎進(jìn)口邊緣修圓)的寬頂堰，如圖所示，當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 時(shí)， 上述公式是根據(jù)圖9-24、圖9-25中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的 從圖9-24及圖9-25可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散，因此，上述4式只能用作近似計(jì)算。 進(jìn)口邊緣修圓的寬頂堰流量系數(shù)實(shí)

16、驗(yàn)成果圖 圖9-25二、側(cè)收縮的影響有坎矩形寬頂堰自由溢流所受的側(cè)向收縮影響，實(shí)質(zhì)上與實(shí)用堰的情況相同。因此，側(cè)向收縮系數(shù)也可以采用式(9-26)或(9-27)計(jì)算。 (9-26)(9-27)三、無(wú)底坎寬頂堰流量系數(shù)寬頂堰的堰頂高程與上游引水渠渠底高程相同時(shí)，稱(chēng)為無(wú)底坎寬頂堰，或平底堰。此時(shí)，由于堰孔寬度小于引水渠寬度，過(guò)堰水流雖無(wú)底坎阻礙，但在平面上，過(guò)堰水流受到側(cè)向束縮，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小、局部阻力增加，上游水面被迫壅高，然后在過(guò)堰時(shí)水面又降落。這種水流，完全是一種寬頂堰溢流，故稱(chēng)為無(wú)底坎寬頂堰流。 由于無(wú)底坎寬頂堰的特點(diǎn)是平面上側(cè)向束縛，使這種堰流具有三維流動(dòng)性質(zhì)。通過(guò)平底閘形成的無(wú)底坎寬頂堰

17、流 通過(guò)涵洞形成的無(wú)底坎寬頂堰流無(wú)底坎寬頂堰堰流的流量系數(shù)不同于有坎寬頂堰流流量系數(shù)，包含不同堰孔寬和引水渠寬比值的影響，以及各種邊墩、閘墩的影響等等，不需再單獨(dú)考慮側(cè)收縮系數(shù)。直角形翼墻進(jìn)口的流量系數(shù)m 表9-4八字形翼墻進(jìn)口的流量系數(shù)m 表9-5圓弧形翼墻進(jìn)口的流量系數(shù)m 表9-6注意：關(guān)于被閘墩分割的多孔無(wú)底坎寬頂堰的流量系數(shù)計(jì)算，需要做些修正被閘墩分割的多孔無(wú)底坎寬頂堰的流量系數(shù)，應(yīng)按下式進(jìn)行修正式中 為堰孔數(shù)目， 為中孔的流量系數(shù)，按圖9-31處理，這時(shí)三個(gè)表中的b為一對(duì)閘墩間的寬(堰孔寬)，B為b+d。 為邊孔的流量系數(shù)，如圖9-31， B為 四、寬頂堰的淹沒(méi)條件及淹沒(méi)系數(shù)流動(dòng)條件

18、 自由出流進(jìn)入堰頂?shù)乃鳟a(chǎn)生進(jìn)口水面跌落，并在進(jìn)口后約2H處形成收縮斷面，收縮斷面1-1的水深hchk，堰頂水流保持急流狀態(tài)。當(dāng)下游水位低于臨界水深線k-k時(shí)，寬頂堰流都是自由出流。如圖(a) 這時(shí)，堰頂收縮斷面下游急流，堰下游水位變化不影響收縮斷面水深hc。 當(dāng)下游水位上升至k-k線 附近時(shí)，堰頂將產(chǎn)生水 躍，如圖(b)。流動(dòng)條件 淹沒(méi)出流當(dāng)下游水位高于k-k線并繼續(xù)上升時(shí)，水躍位置隨下游水深ht的增加而向上游移動(dòng)。當(dāng)堰頂以上的下游水深hs(0.750.85)H0時(shí)，水躍移動(dòng)到收縮斷面1-1的上游，收縮斷面水深增大為h，而hhk，此時(shí)，整個(gè)堰頂上水流變?yōu)榫徚鳡顟B(tài)，成為淹沒(méi)出流 淹沒(méi)條件和淹沒(méi)

19、系數(shù)寬頂堰形成淹沒(méi)出流后，過(guò)水能力要減小，可用小于1的淹沒(méi)系數(shù) 來(lái)表示。淹沒(méi)出流的判定條件： 在進(jìn)口平順時(shí) 在進(jìn)口不平順時(shí)或者取平均值的淹沒(méi)條件hs為下游水位高于堰頂?shù)乃?當(dāng)溢流出現(xiàn)淹沒(méi)出流時(shí)，淹沒(méi)系數(shù) 的取值可從表9-7由 值查得。寬頂堰的淹沒(méi)系數(shù) 隨淹沒(méi)的程度 的增大而減小 五、 考慮側(cè)向收縮、淹沒(méi)出流影響的計(jì)算公式六、 討論(1)寬頂堰堰頂自由溢流一般具有一次或二次（下游水深較低時(shí)）跌落的特點(diǎn)(2)一般情況下，堰頂水流水深小于臨界水深(K-K線)(3)盡管下游水深ht高于堰頂(有坎)時(shí)有可能出現(xiàn)淹沒(méi)出流，但還需要 大于某值和堰頂水流水深大于臨界水深的條件。第五節(jié) 閘孔出流1. 定義 若

20、在寬頂堰或曲線形堰的堰頂常設(shè)置閘門(mén)來(lái)控制水位、流量，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，水流從閘門(mén)底緣和閘底板之間形成的孔口中沖出。這種水流稱(chēng)閘孔出流。2. 閘孔出流和堰流的轉(zhuǎn)化 如果閘門(mén)開(kāi)啟到一定高度，經(jīng)過(guò)閘孔的水流不再受閘門(mén)控制，就形成堰流；由此可推斷，閘孔出流和堰流在一定條件下會(huì)互相轉(zhuǎn)化。3. 轉(zhuǎn)化條件 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，閘孔出流和堰流的轉(zhuǎn)化條件為： 3. 轉(zhuǎn)化條件 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，閘孔出流和堰流的轉(zhuǎn)化條件為：1) 閘底坎為寬頂堰（包括有坎和平底）時(shí)， 閘孔出流 堰流2) 閘底坎為曲線形實(shí)用堰時(shí) 閘孔出流 堰流教材中P(230)4. 影響閘孔過(guò)水能力的有關(guān)因素 閘前水頭 H 或 H0 閘孔開(kāi)度e 也就是閘孔過(guò)流

21、面積 閘門(mén)形式 平板閘門(mén)、弧形閘門(mén)等 閘底坎的形式 平底，有坎或無(wú)坎寬頂堰，實(shí)用堰等 出流是否淹沒(méi) 自由出流，淹沒(méi)出流 收縮水深hc下游水深ht 一、閘底坎為寬頂堰(平底)的閘孔出流1. 收縮斷面水深水流沿垂直平板閘門(mén)向下運(yùn)動(dòng)，從閘門(mén)底緣流出時(shí)，由于慣性作用，流線不能急劇改變方向，因而在閘后發(fā)生垂直方向的收縮；接著，由于水流阻力，流速漸減，水深漸增。在閘門(mén)下游(0.51.0)e的地方出現(xiàn)水深最小，流速最大的收縮斷面c-c。該 斷面水深為收縮水深hc2. 閘孔出流形式 對(duì)于收縮斷面水深 ，其值一般小于 ， ，急流。而下游河槽水流一般為緩流， ， 。急流向緩流過(guò)渡，必定會(huì)產(chǎn)生水躍。水躍的位置與下游

22、水深 的大小有關(guān)；還與收縮斷面的Fr有關(guān)。定義：遠(yuǎn)驅(qū)水躍，臨界水躍，淹沒(méi)水躍 遠(yuǎn)驅(qū)水躍假設(shè)收縮斷面水深 hc ，相應(yīng)的躍后水深為 ，如 果 ，且由于 所具有的勢(shì)能不能迫使水躍發(fā)生在收縮斷面c-c處，那么水躍必然會(huì)被推向下游，并在收縮斷面c-c后形成一段雍水曲線；當(dāng)這一曲線段某一斷面的水深增至 與所要求的躍前水深 相等時(shí)，才在該斷面開(kāi)始發(fā)生水躍，如圖9-33(a)所示。這種 水躍稱(chēng)為遠(yuǎn)驅(qū)水躍。 也稱(chēng)遠(yuǎn)離水躍。 臨界水躍若躍后水深 等于 ，即 ，則下游水深 所具有的勢(shì)能剛好能使水躍發(fā)生在收縮斷面c-c處。這種水躍稱(chēng)為臨界水躍。如圖(b)淹沒(méi)水躍若躍后水深 小于 ，即 ，則下游水深 所具有的勢(shì)能將把

23、水躍推向閘孔，水躍旋滾將蓋住收縮斷面。這時(shí)所發(fā)生的水躍稱(chēng)為淹沒(méi)水躍。 如圖(c)自由出流和淹沒(méi)出流根據(jù)水躍發(fā)生位置的不同，閘孔出流又可分為自由出流和淹沒(méi)出流。在遠(yuǎn)驅(qū)水躍和臨界水躍兩種情況下，閘孔出流的過(guò)水能力不受 的影響，稱(chēng)閘孔自由出流。在淹沒(méi)水躍情況下，下游水位淹沒(méi)到閘孔，閘孔出流的過(guò)水能力受 的影響，稱(chēng)閘孔淹沒(méi)出流。 1. 寬頂堰頂閘孔自由出流水力計(jì)算 如圖9-33，對(duì)0-0和c-c斷面列能量方程： 可得或令 寬頂堰頂閘孔出流基本流量系數(shù)，e閘孔開(kāi)度， 垂直收縮系數(shù) 寬頂堰頂閘孔自由出流流速系數(shù)(9-44) 改寫(xiě)上式：取 寬頂堰頂閘孔自由出流流量系數(shù)則即為寬頂堰頂閘孔自由出流的計(jì)算公式討論

24、 (9-45)(9-44)討論1) 閘孔出流的流量與閘前水頭的二分之一次方成正比，即 2) 流量系數(shù) 直接影響閘孔出流的流量， 值主要決定于閘孔入口的邊界條件（如閘底坎形式、閘門(mén)類(lèi)型等）： 對(duì)坎高為零的寬頂堰型閘孔， 0.950.97；對(duì)有底坎的寬頂堰型閘孔， 0.850.95。垂直收縮系數(shù) 反映水流行經(jīng)閘孔時(shí)流線的收縮程度。 與閘孔入口的邊界條件和閘孔的相對(duì)開(kāi)度 有關(guān)。 總的來(lái)說(shuō)，流量系數(shù) 綜合反映水流能量損失和收縮影響，與閘底坎形式、閘門(mén)類(lèi)型和閘孔相對(duì)開(kāi)度值有關(guān)。 3) 當(dāng) 較小亦即 較小時(shí)，可用H代替H0；4) 閘孔出流不計(jì)算側(cè)收縮的影響。(因?yàn)殚l孔前各斷面水深較大流速較小，邊墩或閘墩對(duì)水流的側(cè)收縮影響因而較小)。5）進(jìn)行閘孔出流水力計(jì)算時(shí)，應(yīng)先判別是自由出流還有淹沒(méi)出流。若 ，則為閘孔自由出流，若 ，則為閘孔淹沒(méi)出流。由于用水躍公式計(jì)算 較為麻煩，可用下面公式 閘孔自由出流 閘孔淹沒(méi)出流進(jìn)行閘孔出流水力計(jì)算時(shí)，可以用此式判別自由出流和淹沒(méi)出流，比用水躍公式計(jì)算 來(lái)判別簡(jiǎn)單。(9-48)(9-49)6) 關(guān)于幾種情況下參數(shù)的選取(1) 平板閘門(mén)閘孔出流 垂直收縮系數(shù) 與閘孔