公式運算
當孔口高度e與孔口水頭H(上游水面至孔口中心的高度)之比時為小孔口;當時為大孔口(圖1)。當孔壁厚度不影響孔口出流時為薄壁孔口;反之為厚壁孔口。水利工程中常見的閘門下泄流稱為閘孔出流(圖2)。
為保證閘孔出流,e/H必須小於或等於0.65,否則閘門下緣脫離水面而成為堰流。當下游水位不影響泄流量時為自由出流(圖1a、圖2a);反之為淹沒出流(圖1b、圖2b)。胸牆擋水時的堰頂溢流和壩體短孔泄流等亦屬孔流。孔口自由出流的流量為:
式中A為孔口面積;g為重力加速度;為孔口總水頭,其中H為孔口水頭,v0為孔口上遊行近流速,α為動能校正係數(見水流能量方程);┢=εφ為孔口流量係數,其中ε=Ao/A為孔口收縮係數(Ao為孔口收縮斷面C-C的面積),φ為孔口流速係數,與孔口對水流的阻力有關。對於薄壁圓形小孔口,ε=0.63~0.64,φ=0.97~0.98,μ=0.60~0.62。
當下游水位觸及孔口底緣時,流態即有改變,下游水位高於孔口上緣時為孔口淹沒出流(圖1b)。孔口淹沒出流的流量為:
式中z為孔口上下游水位差;μs為孔口淹沒出流流量係數。 閘孔自由出流的流量為:
式中B為閘孔寬度;e為閘孔高度;為閘孔總水頭,H為閘孔水頭(上游水面至閘底板的高度);μ=ε′φ為閘孔流量係數;h0=ε′e為閘孔收縮斷面C-C的水深。其中為閘孔垂向收縮係數,與有關;φ為閘孔流速係數,與閘孔形式有關。對於寬頂堰(見堰流)上平面閘門下的閘孔:當=0~0.65時,ε′=0.611~0.673,φ=0.85~1.0。
當閘孔下游水深 t大於收縮斷面水深ho的躍後水深hc2(見水躍)時為閘孔淹沒出流。其流量為:
Qs=σQ
式中Q為H及e值相同時的閘孔自由出流流量;σ為考下游水位影響的閘孔淹沒係數,與(t-hc2)/(H-hc2)有關。
參考書目
華東水利學院編:《水力學》,第2版,下冊,科學出版社,北京,1983。
武漢水利電力學院編:《水力學》,水利電力出版社,北京,1960。
湖南大學、武漢理工編:《水力學》,湖南大學出版社,2004。