第十章消能2013

1、第第1010章章 泄水建筑物下游水流泄水建筑物下游水流的的 衔接与消能衔接与消能10.1 10.1 概述概述河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，抬高上游水位，河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，抬高上游水位，加大势能之后转化为动能。加大势能之后转化为动能。泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床具有较大的破坏力。具有较大的破坏力。工程措施为防止河床冲刷采取的消能的三种方式：消能的三种方式：底流消能底流消能挑流消能挑流消能面流消能面流消能消力戽消力戽1.底流消能将水跃控制在建筑物附近，利用水跃产生的表面将水跃控制在建筑物附近，利用水跃产生的表面旋滚

2、和强烈的紊动消能。水跃区的主流靠近底部旋滚和强烈的紊动消能。水跃区的主流靠近底部2.挑流消能 在泄水建筑物下游端修建一挑流鼻坎，将下泄水流在泄水建筑物下游端修建一挑流鼻坎，将下泄水流向空中挑射至远离建筑物的下游。向空中挑射至远离建筑物的下游。在泄水建筑物末端设置一较小挑角的垂直鼻坎，将下泄的在泄水建筑物末端设置一较小挑角的垂直鼻坎，将下泄的高速水流引向下游水流的上层，主流在水面，坎后底部旋高速水流引向下游水流的上层，主流在水面，坎后底部旋滚消能滚消能 。 3 3、面流式消能、面流式消能 水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消能方式结合应用。上图采用

3、消能戽就是一种底流种消能方式结合应用。上图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。和面流结合应用的实例。4.4.消力戽消力戽 10.2.1 水跃发生的位置和水跃的形式临界水跃，02cthh 远离水跃，02cthh 淹没水跃，02cthh 。表示淹没程度淹没系数02/cthh1 . 105. 1设计时，一般要求10.2 10.2 底流式衔接与消能底流式衔接与消能 10.2.2收缩断面水深的计算gvhcc2)(2002200200022)(gvhgvhTcccc202202ccAgQh。，：为溢流坝的流速系数其中1gvgvhgvaHccc222202002010020201022TgvTgva

4、H令为有效总水头为有效水头0TT， 对矩形断面渠道，对矩形断面渠道，则则 收缩断面水深的计算可采用试算法收缩断面水深的计算可采用试算法bhAqbQcc00,2022002cchgqhT2022002ccAgQhThc0hc0值小于临界水深值小于临界水深hchc泄水建筑物的流速系数泄水建筑物的流速系数10.2.3 消能工的水力计算消能工的水力计算 如果判知建筑物下游发生远离或临界水跃，必如果判知建筑物下游发生远离或临界水跃，必须采取工程措施，建消能工：须采取工程措施，建消能工： 建消力池图建消力池图(a)(a)u建消力墙图建消力墙图(b)(b)u建综合消力池图建综合消力池图(c)(c)计算消力池

5、的池深、消力墙墙高及消力池的池长计算消力池的池深、消力墙墙高及消力池的池长1.1.消力池的水力计算消力池的水力计算（1 1）池深）池深d d的计算的计算 图中图中0 00 0线为原河床底面线，线为原河床底面线， 线为挖深线为挖深d d后的护坦面线。当池中形成淹没水跃后，水后的护坦面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时水面跌落为流出池时水面跌落为z z。 0 02c02hh2c02thhhdz c02tdhhz (1)(1)下游河床水深下游河床水深h ht t： 取决于流量和河床的水力特性，如有实测的水文资料取决于流量和河床的水力特性，如有实测的水文资料（水位与流量关系曲线等），则可根据给定的流

6、量查得，（水位与流量关系曲线等），则可根据给定的流量查得，否则可近似地按明渠均匀流求正常水深的方法计算否则可近似地按明渠均匀流求正常水深的方法计算 (2)(2)出池落差出池落差z z : : 以以下游河底下游河底0 00 0为基准面为基准面，对消力池，对消力池出口处的上游断面出口处的上游断面1 1及下游断面及下游断面2 2列能量方程，其中两断列能量方程，其中两断面间的水头损失为面间的水头损失为 ，则有，则有2j2tvhg222tt11tjt()222vvvHhhhggg22t11t()22vvHhgg1tHhz 21122t12122vvzgg2221tc 212()()oqzghht1tc0

7、2,qqvvhh (3) (3) 临界水跃的跃后水深临界水跃的跃后水深hc02hc02 由由hc0hc0用水跃共轭水深公式求得。用水跃共轭水深公式求得。 hc0hc0与池深与池深d d有关有关( (参见参见hc0hc0求解过程求解过程) ) 试算法求试算法求d d。 2c02t221tc 212()()oqdhhghh将与将与d d有关的项放在等式左边，已知项放在等式右边，可得有关的项放在等式左边，已知项放在等式右边，可得22c02t22c021t2()2()qqhdhghghc02tdhhz Adf)( 试算法求试算法求d d。 在实际试算时往往不直接假设在实际试算时往往不直接假设d d，而

8、是先假，而是先假设设hchc0 0，利用收缩断面水深计算公式，利用收缩断面水深计算公式 算出算出 ，根据，根据 算出算出d d ，代入上式试算，直到相等为止，代入上式试算，直到相等为止。 20c022c02qThgh010,TTdTT001 （2 2）池长）池长l l的计算的计算从收缩断面起算的消力池长度为：从收缩断面起算的消力池长度为：对于有垂直跌坎的宽顶堰：对于有垂直跌坎的宽顶堰：坎壁到收缩断面的距离坎壁到收缩断面的距离 为为：为平底明渠中自由水跃长为平底明渠中自由水跃长度度jl 2.2.消力墙的水力计算消力墙的水力计算消力墙的断面可以是矩形或梯形。水面在消消力墙的断面可以是矩形或梯形。水

9、面在消力墙前壅高而加大墙前水深力墙前壅高而加大墙前水深, ,形成淹没水跃。形成淹没水跃。池中水深池中水深2h由实用堰公式得：由实用堰公式得：取：取：可用试算法求解。可用试算法求解。池长池长l的计算同消力池。的计算同消力池。22110110221,2tqhhhThTgh 令，用水跃方程求出再用求出1001010HsTH用实用堰自由出流流量公式求出，则 计算、综合式消力池的水力300ds 和池深产生临界水跃时的墙高先求出保证池中及墙后0s求1202010202()2ccqdhsHgh 0可得200200100202()2ccqf dhdsHAgh 0d求202001chdsH由图中的几何关系由图中

10、的几何关系 以上计算出的以上计算出的 是池内及墙下游都发生临界水跃是池内及墙下游都发生临界水跃 时的池深及墙高，时的池深及墙高， 实际采用的池深实际采用的池深 略加大，而实际略加大，而实际00ds及0dd比采用的墙高采用的墙高 略减小略减小 0s比s 挑流消能过程的两个阶段挑流消能过程的两个阶段: :1.1.空中消能空中消能2.2.水中消能水中消能 水力计算的主要任务水力计算的主要任务: :1.1.计算挑射距离计算挑射距离( (挑距挑距););2.2.选择挑流坎的型式和确定挑流坎的高程；选择挑流坎的型式和确定挑流坎的高程；3.3.估算下游冲刷坑深度的范围。估算下游冲刷坑深度的范围。10.3 1

11、0.3 挑流消能挑流消能讨论挑流坎为连续式的情况：抛射体坐标：得水平距离： 10.3.1 挑距的计算要求要求通常取：通常取：冲刷坑的水深与挑流坎单宽流量、水股厚度、水股扩散程度、水股入水倾角和入水流速以及下游水深等有关,更复杂的是它还随下游河床地质情况的不同而异。冲刷坑水深经验公式冲刷坑水深经验公式冲刷坑深冲刷坑深为安全起见为安全起见,取取10.4 10.4 面流衔接与消能面流衔接与消能列衔接形式下游出现的系大泄水建筑物的由小逐渐变随着下游水深消力戽消能2 . 4 .10挑流、底流、面流消能的优缺点挑流、底流、面流消能的优缺点 工程实际中，消能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须工程实际中，消

12、能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下：分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下： 底流消能底流消能 优点优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下 游水面波动小。游水面波动小。 缺点缺点：消力池的工程量大，增加工程造价：消力池的工程量大，增加工程造价。 挑流消能挑流消能 优点优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。 缺点缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床：空中雾气大，尾水

13、波动大，要求下游河床 抗冲能力强。抗冲能力强。 面流消能面流消能 优点优点：主流在表面，底部流速小，不易冲刷河主流在表面，底部流速小，不易冲刷河 床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。 缺点缺点：水流衔接形式复杂多变，不易控制。下游：水流衔接形式复杂多变，不易控制。下游 水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍航运及水轮机工作水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍航运及水轮机工作。例例10.1 10.1 图图10.710.7所示为一修筑于所示为一修筑于矩形矩形断面河道中的溢流断面河道中的溢流坝，坝顶高程为坝，坝顶高程为110.0 m110.0 m，溢流面长度中等，河床高

14、程为，溢流面长度中等，河床高程为100.00 m100.00 m，上游水位为，上游水位为112.96 m,112.96 m,下游水位为下游水位为104.00 m104.00 m，通，通过溢流坝的单宽流量过溢流坝的单宽流量q q = 11.3 m = 11.3 m2 2/s/s。试判别坝下游是否要做。试判别坝下游是否要做消能工。如要做消能工，则进行消力池的水力计算。消能工。如要做消能工，则进行消力池的水力计算。（2 2）用试算法计算消力池池深）用试算法计算消力池池深22c02t22c021t2()2()qqhdhghgh设几个设几个h hc0c0值计算相应的值计算相应的f f（d d），计算结果

15、列于表），计算结果列于表10.310.3。当当f f（d d）= = A A = 4.45 m = 4.45 m时，时，d d = 1.63 m = 1.63 m。22c02t22c021t2()2()qqhdhghghhc0(m)hc02(m)d(m)f(d)(m)lj(m)l(m)0.75.75835142.41774653.758624434.9026227.92210.715.71061512.01612144.112310634.5042427.60340.725.66378751.6315284.449931534.1121327.289710.735.61783781.26303

16、944.772381833.7260826.98086设几个设几个h hc0c0值计算相应的值计算相应的f f（d d），计算结果列于表），计算结果列于表10.310.3。当当f f（d d）= = A A = 4.45 m = 4.45 m时，时，d d = 1.63 m = 1.63 m。22c02t22c021t2()2()qqhdhghghf（d）= A 计算得 A=4.45简单的水跃式消力池适用于超过10m或者是水 头差在30m到50m之间的情况 在10到30m水头差范围，消力墩将会增强水跃,造成一个较小的消力池，从而节约了建筑造价。 超过超过30m30m的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。超过超过50m50m以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。 20c022c02qThgh试算法求解：试算法求解： 已知已知T T0 0，Q Q及河渠断面形状，在选定及河渠断面形状，在选定 值后，可假定一个值后，可假定一个h hc0c0值，则由上式右端可