泄水建筑物下游水流的衔接与消能

1、第九章 泄水建筑物下游水流的衔接与消能 9-1 概述一、泄水建筑物下游的水流特征为控制水流，合理开发利用水资源等目的，在河，渠上修建水闸，堰等建筑物。修建后，往往改变 水流的特征，抬高上游水位，下泄水流具有较高的速度，动能大，但由于建筑物缩 了河道， 增大，能量集中的总流，而下游一般为缓流，存在两种流态如何衔接，如果处理不当将会带来严重后果。因此，必须对泄水建筑物下游水流的衔接进行判断和处理，选择适当的消能方式。在下游较短距离内消除余能。下游水流衔接与消能的方式。衔接小的措施有多种，常见的为：1、底流式衔接消能当水流从急流向缓流过渡时，产生水跃，产生的表面旋滚和强烈的紊动消除大量的余能，使速度

2、急剧下降，与下游水流能良好的衔接，由于余流在底部。2、挑流式衔接与消能利用建筑物末端的跃坎，利用高进下泄水流的动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与下设水 衔接。消能分为三个部分，坝面摩擦空中扩散水垫。 适用于中高水头，q 大，下游基岩完整坚硬。3. 面流式衔接与消能利用建筑物末端的 坎，将高速水流送入下游河道的水流表层，坎后形成尺度很大的底部漩滚，将主流与河床隔开。 另外， 戽流式消能，孔板式消能，竖井涡流式消能，数轴式效能。 以上几种是由三种基本消能型式的结合或发展。9-2 底流式衔接与消能一、底流式衔接型式在泄水建筑物下游的水流一般为急流，存在一个收缩断面，水深为最小，为。且一般

3、运驱式水跃 淹没式水跃三种水跃型式，运驱式对工程最不利，因其 急流段长，加固河段长，工程量大。临界式水跃位置不稳定。一般采用稍有淹没式水跃进行消能较理想。二、下游水流衔接形式判断及的计算。1、要判断水跃衔接形式，首先要计算，。一般由河槽的水力特性或者通过Q 确定。只有知道即可用水跃公式求出。关键是要计算，先建立计算的基本方程。如图：以c-c 底 部 水平线为基准，建立o-o 与 c-c 的能量方程。 图 如果 c-c 为矩形， 则 流量系数，可根据P 203 表 9-1查 也可用经验公式来确定。 高坎 S 上游水位至 c-c 底部垂直距离 30 从 可看出，求要解二次方程，一般可采用试算法，图

4、解法 和渐近法。试算法已知 溢流坝断面形状，尺寸，Q 和 时。用 试算。设计算 ，如等于，则为所求，否则重设。2. 逐次渐近法将 设为 1)令 =0 求 ；2)将 代入 求 ;3)再将 代入 求 ，基本相等。 例 P 205 9-1 矩形断面可用图解法， ， ，三 . 消力池的水力计算当判断泄水建筑物下游发生临界式或远离式水跃，则就要采取工程措施，使水跃变为有一定淹没深度的淹没水跃，使泄水建筑物下游发生淹没的关键是增大下游水深，增大 的方法有三种：江堤护坝高程，形成消力池，挖深式消力池护坝末端建一道低坎，形成消力池，消力坎消力池。综合式消力池一) 挖深式消力池的水力计算1、主要确定消力池的d

5、和 当将下游河挖深后，深度为d ,形成消力池。 池内水力现象如图所示：由于水流竖向收缩，A 下降，上升，形成一水面跌落 D Z ，其水流特性与宽顶堰相似挖深后，池末水深 要保证池中发生稍有淹没的水跃，则 反映水跃淹没程度的淹没系数 =1.051.10 则： ， 挖深后的共轭水深。 Dz 由消力池出口断面1-1 和下游断面 2-2 建能方。以 2-2 底部水平面为基准面推得 将 代入 消力池出口的流速系数，一般 =0.95 挖深后， 在利用 计算池深d时，式中式挖深后的对应的跃后 水深，挖深后，变为 挖深后的， 因此要确定 d 需知，而 又与d 有关，二者之间存在复杂的隐函数关系，所以确定d 一

6、般用试算法。其试算步骤为：1）估算池深d 。当中小型工程 ，根据下游河道流速（式中 为挖深前的值。） v 3 m/s 2）计算建池后的 ，需计算建池后的 具体计算方法同挖深前相同3）计算 Dz ,建池后的 代入 4）验证 若 = 1.05 1.10 的范围，则d 满足要求，否则重设。2 . 消力池长度 的计算。修建消力池应保证水跃在消力池中发生，但过长，则增加建筑费用，一般计算 ： 从堰坎到收缩断面的距离。 消力池内的水跃长度，受消力池池壁的影响，水跃长度比平底渠道中产生的自由水跃长度短20% 30% 二) .消力坎，消力池的水力计算。当下游河床不易开挖或开挖不经济时，可在护坝末端修建消力坎，

7、中型高坎前水位形成消力池，发生淹没或水跃，其水流现象基本与挖深式消力池相同，不同之处，出池水流不是宽顶堰，而是折线型实用堰。 图坎前水深： 式中 不含 的坎上水头，由堰流公式求出。 m 消力坎流量系数，一般为折线型，估算时 m = 0.42 消力坎淹没系数，大小与 实验证明：当 为非淹没堰流。 淹没堰流。 查表 由 查表9-2。 注意：如果消力坎为非淹没堰，则应校核后的衔接情况，若仍为临界或者远离式水跃衔接，需设二级消力坎，或采取其他消能措施，消力坎流速系数 = 0.96.95。 计算时，当 为非淹没溢流， 即为所求消力坎高度，但需校核坎后水流衔接形式。 为淹没溢流，此时增大，要使消力池内水跃

8、的不变，需降低，因此需试算。 消力坎消力池池长的计算同挖深式消力池。 挖深式，消力坎式各有优缺点，需根据地质，施工等各方面具体条件，全面考虑确定，有时还需二者结合起来，为综合式消力池。计算时需先确定坎高c ,再确定d . 三 .消力池的设计流量。 前面池深，坎高和池长的计算时在给定Q 时及相应的下游水位下进行计算的。而消力池建好后，是在不同Q 下工作，每个Q 都对应一个 ，所以消力池必须能保证在各种情况下工作，因此在设计时要选择一个消力池尺寸的Q 值。挖深式消力池，从 . . 图可以看出，d 与 有关，当 最大时Q 即为池深的 ，由此求出的d 是各种Q 下的最大值，由此可见 对应的不一定是 。

9、 设计时，在给定Q 的范围内，每个Q 分别计算 和 （挖深前）。在 Q 关系曲线上查出Q 对应的 。计算 的数值，给出 Q 的关系曲线，在此曲线上，找出 最大值相应的。 池长取决于水跃长度 ， 池长的 应为在消力池内形成最长水跃的Q ，一般为 = 。 注意：d ， 对应的 可能不是一个。四 . 辅助功能。 为了更完善的提高消能，在消力池中加设各种形状的墩柱，为辅助消能。 1. 分流边墩 布置在消力池入口。 2. 消力墩 布置在消力池护坝上。3. 池末 将池末底部水流挑起。4. 护坝后的冲刷与河床加固。出消力池的水流仍有较大能量，对河床仍有冲击力，一般需修 和防冲槽加以保护，具体设计在水工课中讲

10、授。 9-3 排流式衔接与消能此种是通过泄水建筑物底端的鼻坎，将下泄水流挑至空中，然后跌入远离建筑物的下游 ，利用水流在溢流堰面的摩擦，空中扩散，掺气，跌入冲坑后形成两股巨大的漩涡进行消能。一般适用于中，高水头的泄水建筑物。其优点： 结构简单，不需修建大量的护坝工程，易于维修。缺点： 挑流引起较大雾化，尾水波动大。主要计算任务： 计算挑距，冲坑深度，校核是否安全。一 . 挑距的计算 挑流射程。 图挑距 挑流鼻坎下游壁面至冲刷坑最深点的水平距离。 一般 很小，0 则 空中射程。 水下距离空中挑程 .平滑连续式挑坎，出坎断面 1-1 ，流速分布均匀， ，忽略空气阻力和扩散影响，此时射流 运动 为自

11、由抛射体的运动。利用质点自由抛射体的运动原理导出空中挑 距 的计算公式： 上游水面至挑坎顶部的高差。 挑坎高度，下游河床底部至挑坎顶部的高差。 鼻坎挑射角。 冲刷坑后下游水深。 坝面流速系数，按经验公式计算。 长科院 k 流能比 。 适用 k = 0.004 0.15 k 0.15 = 0.95 东北社科院 坝面流程 p 坎顶以上坝高 溢流面顺水流水平投影。 适用 = 0.0250.25 0.25 = 0.95二 .水下射程 为水舌轴线与下游水面交点至冲坑最深点的水平距离。水股潜入下游水体属潜没扩散射流，不属自由抛射运动，所以以为沿 方向作直线运动。 冲刷坑深度。 下游水深 水舌入水角 。 近似 三 .挑流射程影响因素分析。影响因素很多。鼻坎的挑角。在物理学观点，对于自由抛体理论，挑角 时，挑距最远，但由于挑流不是一个质点，而是一般扩散和掺气的水流。所以 一般 。主要工程要试验确定。鼻坎高程。根据工程布置而定，从增加挑距，减小砼方量的角度讲，挑坎高程愈低愈好， 越大，v 越大，但为保证水舌下缘于水面之间有足够的空间，避免出现真空，压低水舌，减小挑距，甚至出现贴面流，冲刷坝址，设计中一般取挑坎最低高程等于或略低于下游最高水位。反弧半径 R .R 大小一定程度影响射程，经验 R = ( 4 10 ) h, h为校核洪水水位时反 弧段最低处