水力学 课件 第9章泄水建筑物下游水流的衔接与消能

第9章泄水建筑物下游水流的

衔接与消能2本章主要内容：1、常见的几种消能方式2、底流式消能的水力计算3、挑流和面流消能方式简介

9.1概述

天然河道中的水流一般多属于缓流，水流流量沿河宽方向的分布较均匀。但河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生较大变化，从而引起一系列水力学问题。下泄水流的特点如下：1.建坝后的水头也增加,下泄水流（比未建坝前的水流）流速增大，即流速高；2.建坝时，为节省工程造价，使泄水建筑物的泄水宽度比原河床宽度小，使泄水时的单宽流量加大，即水流集中。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。拱坝坝身挑流消能（二滩原型）工程中常采用的衔接与消能方式1、底流式消能

就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动以达到消能的目的。

2、挑流式消能

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的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。(新安江水库)

3、面流式消能当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，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(富春江水库)。4、消能戽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。下图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。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：

底流消能优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小。缺点：消力池的工程量大，增加工程造价。挑流消能优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床抗冲能力强。

面流消能优点：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。缺点：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。9.2底流式衔接与消能9.2

底流式衔接与消能9.2.2泄水建筑物下游收缩断面水深的计算列坝前断面0-0及收缩断面c-c的能量方程：令，T为有效水头，T0称为有效总水头，则有

令流速系数

则有将(Ac0为收缩断面面积)代入上式

对于矩形断面河渠

泄水建筑物的流速系数

值试算法求解：

已知T0，Q及河渠断面形状，在选定值后，可假定一个hc0值，则由上式右端可以算得某一数值，若恰好等于已知的T0，则所设的hc0即为所求，若不等，再假定hc0值进行试算，直到相等为止。注意：上式为一个三次方程，可以有三个根，而符合实际情况的是小于临界水深hc的那一个hc0值，因此，代入试算的hc0应小于同一流量的临界水深。

水跃的淹没程度用水跃淹没系数表示：

工程中常采用淹没系数为

的淹没水跃

泄水建筑物下游水跃发生的位置不同可分为临界式水跃、远离式水跃和淹没式水跃三种形式。从水跃发生的位置、水跃的稳定性以及消能效果等方而综合考虑，采用稍有淹没的淹没水跃进行衔接与消能较为适宜。9.2.3消能工的水力计算

当泄水建筑物下游出现远离式水跃时，需采取一定的工程措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没式水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。为此，可采用下列工程措施消力池，消力墙，综合式消力池。

（1）池深d的计算

图中0--0线为原河床底面线，

线为挖深d后的护坦底面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时水面跌落为△z，然后与下游水面相衔接，其水流现象与宽顶堰的水流相似。

计算的原则是使消力池中形成稍有淹没的水跃，要求池末水深

①下游河床水深ht：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

②出池落差△z:

以下游河底0—0为基准面，对消力池出口处的上游断面1及下游断面2列能量方程，其中两断面间的水头损失为，则有上式可改写为以代入上式得③

临界水跃的跃后水深hc02

hc0和hc02都与池深d有关(参见hc0求解过程)

f（d）=A

试算法求d。在实际试算时往往不直接假设d，而是先假设hc0，利用共轭水深关系式求得hc02，算得池深d，再将算得的池深d代入上式算得方程的左边，若等于式右边已知的数值A，则此时的d为所求，若不等，再重新假设hc0进行试算，直到相等为止。

将与d有关的项放在等式左边，已知项放在等式右边，可得（2）消能池长度的计算消能池长度必须保证水跃不越出池外。由于消能池末端对水流产生反作用力，减小水跃长度，因此消能池内的水跃长度仅为平底明渠中自由水跃的70-80%。为平底明渠中自由水跃长度

12由图中的几何关系

以上计算出的是池内及墙下游都发生临界水跃时的池深及墙高，实际采用的池深

略加大，而实际采用的墙高

略减小

例1图所示为一修筑于矩形断面河道中的溢流坝，坝顶高程为110.0m，溢流面长度中等，河床高程为100.00m，上游水位为112.96m,下游水位为104.00m，通过溢流坝的单宽流量q=11.3m2/s。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。解

（1）判别下游是否要做消能工上游有效总水头

上游有效总水头临界水深按坝的溢流面长度为中等，由表9.1查得=0.95。试算收缩断面水深hc0

，公式如下假设hc0分别为0.75，0.78，0.77，0.76，0.767，0.768计算得相应的T0值见下表。hc0/m0.750.780.770.760.7670.768T0/m13.5712.6312.9313.2513.025112.9941当T0=13时，hc0=0.768m。利用共轭水深关系求hc02下游水深

因ht<hc02，坝下游发生远离式水跃，需做消能工。（2）用试算法计算消力池池深设几个hc0值计算相应的f（d），计算结果列于下表。当f（d）=A=4.45m时，d=1.63m。hc0(m)hc02(m)d(m)f(d)(m)lj(m)l(m)0.75.75835142.41774653.758624434.9026227.92210.715.71061512.01612144.112310634.5042427.60340.725.66378751.6315284.449931534.1121327.289710.735.61783781.26303944.772381833.7260826.98086f（d）=A计算得A=4.45（3）计算消力池池长池长l

=l0

+（0.7~0.8）lj。对于曲线型实用堰l0

=0，lj

=6.9（h2

–

h1），式中h2与h1均为挖池以后的跃后和跃前水深已算出，故h1=

hc01=0.72mh2=

hc02=5.66m

lj

=6.9（h2

–

h1）=6.9（hc02

–

hc01）=6.9×（5.66–

0.72）=34.11m因此池长l

=0.8lj