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第八章 堰流及闸孔出流 水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。 堰是顶部过流的水工建筑物。 图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响 闸孔出流：过堰水流受闸门控制时，就是孔流 堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。它们的共同点是壅高上游水位；在重力作用下形成水流运动；明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力；出流过程的能量损失主要是局部损失。 相对性： 堰流和孔流是相对的，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件（涨水或落水）。 平顶堰： e /H ≤0.65 孔 流 曲线型堰：e/H ≤ 0.75 孔 流 e/H ＞ 0.75 堰 流 e/H ＞0.65 堰 流 式中：e为 闸孔开度； H为 堰上水头 堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是研究过水能力。它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。 第一节 堰流的分类及水力计算基本公式 一、堰流的分类 水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。 堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。 堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示 行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离：L =（3～5) H 研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ /H 而变，工程上，按δ与H的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。 1. 薄壁堰：δ/H ＜0.67 越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线。由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰。 2. 实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5 水利工程，常将堰作成曲线型，称曲线型实用堰。堰顶加厚，水舌下缘与堰顶为面接触，水舌受堰顶约束和顶托，已影响水舌形状和堰的过流能力。折线型实用堰：水利工程，常将堰作成折线形。 3. 宽顶堰：2.5＜δ/ H ＜10 宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。 水流特征：水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流二次水面降。 4. 明渠水流：堰坎厚度δ＞10H 二、堰流水力计算的基本公式 对堰前断面0-0和堰顶断面1-1列能量方程 基准面：通过堰顶的水平面 分析：0-0断面为渐变流，1-1 断面为急变流（流线弯曲） ① 式中：为1-1 断面测压管水头的平均值； v0 为0-0 断面的平均流速； v1为1-1 断面的平均流速； ζ为 局部阻力系数 令 ，则①式可变为 ② 由②式得 令，其中k 为系数，则 ③ 再令 ：流速系数 ；流量系数 则③式可变为 ④ 由④式可知： 影响流量系数的主要因素 ——反映局部水头损失的影响。包括：堰顶水头、上游堰高P1、堰顶口边缘形状等 ——反映堰顶水流垂直收缩程度（1-1断面水舌厚度 kH） ——代表堰顶断面平均测压管水头与堰顶全水头之比 侧向收缩影响 有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数反映其影响。 下游水位的影响 堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数反映。 堰流公式： 第二节 薄壁堰流 薄壁堰具有稳定的水头和流量关系，常作为水力学模型实验、野外量测中的一种有效量水工具。有的临时档水建筑物，如叠梁闸门也可近似作为薄壁堰。 曲线型实用堰的外形一般按薄壁堰水舌下缘曲线设计。因此，研究薄壁堰具有重要的实际意义。 一、矩形薄壁堰流 矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。 为保证下游为自由出流，矩形薄壁堰应满足： ① H 2.5 cm ，否则堰下形成贴壁流，出流不稳定 ② 水舌下与大气通，否则水舌下有真空，出流不稳定 无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流水舌形状 由堰流计算公式 令 式中， 为包括行进流速在内的流量系数，可按雷白克(T.Rehbock) 公式计算。 雷白克 (T.Rehbock) 式中，P1为上游堰高，H 为堰上水头，均以米计算。 二、直角三角形薄壁堰流 当所需测流量较小 (例如 Q ＜0.1m3/s)时，若用矩形薄壁堰，则水头过小，误差大。一般可改用三角形薄壁堰。