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。
0 b H v0 H 图2 堰流 0 图1 堰流
图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响
0 b 0
H e H e 0
图3 堰流及闸孔出流
0 图4 闸孔出流
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 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。
0 δ v0 H 1 P1 11 v1 P2 0 图5 薄壁堰 当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降
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
0 0 δ 1 H 1 H v v0 1 Pvδ 0 P0 图6 曲线型实用堰 1 图7 折线型实用堰
0 1 H P1 v0 1 v1 P2 H P1 K δ 0 δ i > ik K
图8 宽顶堰 图9 明渠水流
二、堰流水力计算的基本公式
0
δ H v0 11 1 v1 P1 P2 0
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）
H?2?0v02g?H0?z?p??(?1??)?1v122g ①
式中：z?p?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 z?p???H0，则①式可变为
H0?? H0?(?1??)由②式得
?1v122g ②
v1?12g(H0??H0)
(?1??)令A1?kH0b，其中k 为系数，则
Q?v1A?kH0b?1??2g(H0??H0)?k?1??1??b2gH032
③
再令 ：流速系数 则③式可变为
??1k ；流量系数 m?1???k?1??
?1???1??32Q?mb2gH0 ④
由④式可知：Q?H0 影响流量系数的主要因素
32m?m(?,k,?)??,k,?
?——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
k——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
边墩 闸墩 B b’ d b’ 闸墩 边墩 b’ 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?s反映。
堰流公式：
Q???smb2g H0
32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。
0 δ
H 1
v0 1 0
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