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1、水工专业(本科) 水力学 HYDRAULICS,思考题：闸孔出流,上节回顾,堰流及闸孔出流,堰流的类型及计算公式,堰流分类,薄壁堰流水力计算,堰流计算公式,薄壁堰流,实用堰流,宽顶堰流,薄壁堰流分类,计算公式,矩形薄壁堰流,三角形薄壁堰流,梯形薄壁堰流,矩形薄壁堰流,三角形薄壁堰流,上节回顾,堰流及闸孔出流,实用堰流水力计算,分类,宽顶堰流水力计算,计算 公式,曲线型实用堰流,折线型实用堰流,分类,计算 公式,有坎宽顶堰流,无坎宽顶堰流,剖面形状,淹没出流及水力设计,淹没条件,上节回顾,例8-5 今拟在某拦河坝上游设置一灌溉进水闸如图所示。已知，进闸流量Q为41m3/s，引水角为450，闸下游
2、渠道中水深h1为2.5m，闸前水头H为2m，闸孔数n为3，边墩进口处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为1m，边墩的计算厚度为0.8m，闸底坎进口为圆弧形，坎长为6m，上游坎高P1为7m，下游坎高P2为0.7m，拦河坝前河中流速v0为1.6m/s。求所需的堰孔净宽b。,解：因为 ， ，故闸孔全开时为宽顶 堰流，其计算公式为 现分别计算式中各项： 1闸前全水头H0 由于行近流速v0的方向与进水闸轴线交角为450， 故全水头H0可以下列公式计算,2流量系数m 当P17m， 时，对堰顶入口为圆弧形的宽顶堰，流量系数m=0.36。 3淹没系数 由 因为 ，故为淹没出流。 根据 ，从表8-2查得,4侧
3、收缩系数 对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的宽顶堰，（8-15）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数 边孔侧收缩系数,因b 未知，故计算只能按试算法进行。 设nb9m，则 ；由此可求得 0.980,则 将各已知值代入堰流计算基本公式的右端，当所得值等于已知流量时，所假定的nb即为所求： 41m3/s 故所需的堰孔净宽b=9m，分三孔（n=3），每孔净宽b=3m。,12,例8-6 某泄洪排沙闸共四孔，每孔净宽b为14m；闸墩头部为半圆形，墩厚d为5m，闸室上游翼墙为八字形，收缩角为300，翼墙计算厚度为4m；上游河道断面近似矩形，河宽B为79m；闸室下游边一陡坡渠道坡度i为2，闸底高程为
4、100m（图8-28）。试计算闸门全开，上游水位高程为111.0m时的流量。,解：因闸室下游为陡坡渠道，下游为急流。故闸门全开时通过闸室的水流应为多孔无坎宽顶堰自由出流。计算公式为 式中，b=nb =414=56m； 应为包括侧收缩影响的各孔流量系数的加权平均值。可分别计算中孔流量系数 及边孔流量系数 ，然后用加权平均法求 ，具体计算如下： 中孔流量系数,边孔流量系数 平均流量系数 由于堰前过水断面不大，必须计入行近流速的影响。但流量未知， v0无法求出。可采用“逐步近似法”计算。,第一次近似计算： 假定v010，即H01H11m，则 第二次近似计算： 根据已求得的流量，可计算行近流速的的近似
5、值 则,第三次近似计算： 第四次近似计算： 按第三次求得的流量计算得 因为Q4与Q3相当接近 。故可认为所求的 Q3690m3/s，v0=4.23m/s。,实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线型实用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。,7-6 闸孔出流的水力计算,闸孔出流水力计算任务：（1）在一定闸前水头下计算不同闸孔开度时的泄流量Q；（2）根据已知的泄流量求所需的闸孔宽度b。,一、底坎为宽顶堰的闸孔出流,闸孔自由出流,闸孔淹没出流,闸孔出流受水跃位置影响可分为自由出流及淹没出流。,水跃发生在收缩断面处或下游。,水跃发生在收缩断面上游。,1、底坎为宽顶堰闸孔自由出流的水力计算,式中：
6、宽顶堰型闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头,计算基本公式：,（1）对于平板闸门的闸孔 流量系数可按南京水利科学研究所的经验公式计算：,讨论流量系数,（2）对于弧形闸门的闸孔 流量系数可由下面的经验公式计算 ：,上式的适用范围是：250900； 。,2、底坎为宽顶堰闸孔淹没出流的水力计算,计算基本公式：,式中： s淹没系数 闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头,讨论淹没系数,据南京水利科学研 究所的研究淹没系数s 与潜流比 有关，可由图8.35查得。,s,水流流线在闸前整个深度内向闸孔集中，故水流的收缩比平底闸孔充分和完善得多。出闸后水舌
7、在重力作用下紧贴溢流面下泄，不存在明显的收缩断面。,(a),(b),二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流,在实际工程中，由于下游水位过高而使曲线型实用堰顶闸孔形成淹没出流十分少见，所以对曲线型实用堰顶的闸孔，我们只讨论自由出流的情况。,流量系数 1对于平板闸门,式中，值如图所示。,2对于弧形闸门,式中： s淹没系数（自由出流s1） 闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头,计算基本公式：,总 结：,解: 因为 故为闸孔出流。 先判别闸孔出流的性质： 由表8-7，当e/H0.2时，垂直收缩系数20.619，则收缩水深为,例8-8 矩形渠道中修建一水闸，闸底板与渠底齐平，闸孔宽
8、b等于渠道宽度，b为3m，闸门为平板门。今已知，闸前水深H为5m，闸孔开度e为1m。求下游水深ht为3.5米时通过闸孔的流量。,收缩水深hc的共轭水深 由下式计算 收缩断面的流速vc为 若不计行近流速的影响；上式中闸孔自由出 流的流量系数用（8-23）式计算。则,收缩断面的共轭水深为 因为 故闸孔为淹没出流，流量应根据（8-25）式计算。 潜流比 ； 从图8.35查得淹没系数s0.72。所以闸孔出流量为,解： ，由表8.10查得闸孔流量系数0.667。则通过闸孔的流量为:,例8-9 某水库溢流坝共五孔，每孔净宽b为7m；坝顶设弧形闸门。试求坝顶水头H为5m，各孔均匀开启，开度e为1m时，通过闸
9、孔的流量（不计行近流速水头）。,7-7 泄水建筑物下游的水流衔接与消能,1、问题：高速下泄水流对河床的冲刷,2、任务：消除下泄水流多余的能量,3、解决办法： 能量转化,底流式消能,挑流式消能,面流式消能,常用消能措施：,1、底流式消能（underflow energy dissipation）,利用水跃表面旋滚和 强烈紊动消能,在建筑物下游采取一定工程措施，控制水跃发生位置，使得c-c断面的急流与下游正常缓流衔接起来。高流速主要在底部。,2、挑流式消能(ski-jump energy dissipation),利用挑流水舌与旋滚消能,利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物
10、的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。,3、面流式消能(surface flow energy dissipation),当下游水深较大且比较稳定时，可采取一定工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。,利用表面旋滚消能,下图采用消能戽是一种底流和面流结合应用的实例。,7.8 底流消能的水力计算,主要内容：,1、控制断面水深hc的计算,2、水跃位置与形式的判别,3、消能池的设计,一、控制断面水深hc的计算,1、推导：利用能量方程（E.E）,2、h
11、c计算方法： 试算图解法 迭代计算（矩形断面） 查图法,令,对于矩形断面：,二、水跃的位置与形式及其对消能的影响,临界式水跃,远驱式水跃,淹没水跃,平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图,水流衔接形式与消能要求,淹没系数 j1 淹没水跃,消能要求：稳定略淹没的水跃 控制淹没系数 j1.051.1,三、消能池的水力计算, 降低护坦高程消力池的设计,1、特点：降低护坦高程；,2、设计内容： 池深d； 池度Lk；,3、池深d的确定：,3、池深d的确定：,消能条件,几何条件,出口能量条件,确定池深d的步骤：,1、根据设计流量Q设，初估一个初始值d1；,2、计算,3、根据 确定 和 ；,4、计算 ；,5、
12、计算 ；,6、比较 ； 较大时，重新假设进行试算，重复步骤26，直到 满足要求。,粗略估算：,4、消能池长度Lk的确定：,Lk（0.70.8）Lj,5、消能池设计流量的确定：,1）池深设计流量的确定：,2）池长设计流量：, 在护坦末端设置消能坎所形成的消能池,主要内容：,1、确定坎高c；,2、确定池长Lk；,特点: E0保持不变; 坎后水流的衔接;,1、坎高c的设计,1) 满足的条件:,消能要求:,几何要求:,出池能量条件: 看成折线型或曲线型实用堰,出池能量条件:,坎的流量系数;,坎后淹没系数;,自由出流;,查表9.2;,2) c的计算步骤:,Qd,E0,hc,hc,H10, H1,校核,出
13、流,一级坎设计合理: A,试算坎高: B,A:坎后水流衔接校核，,设第二级坎；,End；,B: 试算坎高，,，A,，B,2、消能池长Lk的计算,Lk（0.70.8）Lj,3、设计流量的确定,在不同流量范围内假定不同的流量，确定不同c，取较大值。, 综合式消能池,设计：先按坎后产生临界水跃设计c，降低c值，由c和H1确定d, 辅助消能工,目的：加剧扩散，紊动，混掺，,方法：趾墩，消能墩，尾槛等, 下游防护,组成：护坦， 海漫，齿墙等,溢流坝,水利工程的泄流建筑物 和下游消能设施,消力池,2、挑流式消能(ski-jump energy dissipation),7-9 挑流消能的水力计算,主要任务
14、是：按已知的水力条件选定适宜的挑坎型式，确定挑坎高程、反弧半径和挑射角，计算挑流射程和下游冲刷坑深度。,一、挑流消能水力计算,1）挑流射程的计算 2）冲坑深度的计算 3）挑坎的设计,挑流消能的优点是：节约下游护坦，构造简单，便于维修；缺点是雾气大，尾水波动大。,1）挑流射程的计算,1、射程 L0 的计算公式,2、水下射程 L1,其中，ts 为冲刷坑的深度。,式中： a为坎高，即下游河床至挑坎顶部的高差；ht为冲刷坑后的下游水深；h1为1-1断面的水深。,2）冲刷坑深度的估算,（1）对于砂卵石河床，可用下式计算：,（2）对于岩石河床，经验公式为,式中：ts为冲刷坑深度，m； ht为冲刷坑后的下游
15、水深，m； 为反映流速脉动的某一系数值，可取1.52.0； vt为水舌进入下游水面的流速（单位为m/s）； z为上下游水位差，m； q为单宽流量。,3）挑坎型式及尺寸的选择,常用的挑坎有连续式和差动式。,采用较多的是连续式挑坎。 (1) 挑坎高程 挑坎高程愈低，出口断面流速愈大，射程愈远。 (2) 反弧半径r0 反弧半径愈小，离心力愈大，挑坎内水流压能增大，动能减小，射程也减小。为保证较好挑流条件，反弧半径r0至少应大于反弧最低点水深 h c的4倍。 (3) 挑角 挑角愈大 （ /4），射程 L0 愈大。但挑角增大，入水角也增大，入水角增大后，冲刷坑深度增加。,（1）面流消能,面流及消能戽消能简介（了解）,利用设置在溢流坝末端的垂直鼻坎，将自坝顶下泄的高速主流导致下游水流表层，主要通过底部旋滚和表面旋滚的总用消能。,面流消能对河床防冲要求较低；有利飘木及泄冰。面流流态随鼻坎布置型式、q、ht，冲淤后河床变化情况而变。,（2）消能戽消能,利用泄水建筑物出流部分造成具有一定反弧半径和较大挑角所形成的挑坎（戽斗），在下游尾水淹没挑坎条件下
