水流消能

泄水建筑物下游水流衔接与消能

【教学基本要求】

1、了解泄水建筑物下泄水流的特点和衔接消能方式。

2、掌握底流消能的水力设计方法，会进行消力池尺寸的计算。

3、了解挑流消能的基本概念

【内容提要和学习指导】

1.1 概述

（1）泄水建筑物下游水流的消能方式

经堰、闸、桥、涵、陡坎等泄水建筑物下泄的水流，流速高，动能大，必须采取工程措施消耗水流多余的能量，防止其对下游河床的严重冲刷和淤积，避免破坏水工建筑物的正常运行。

常用的消能方式有3种：底流消能、挑流消能、面流消能。此外还有兴建消力戽的消能方式。

①底流型衔接消能

底流式消能就是在泄水建筑物下游采取一定的工程措

施，使沿建筑物下泄的急流贴槽底射出，利用水跃原理，有

效地控制水跃发生的位置，使下泄的高速水流通过水跃转变

为缓流，通过主流在水跃区的扩散、混掺达到消能的目的。

这种衔接消能方式中，高流速的主流位于底部，故称为底流型衔接消能。如图所示。

②挑流型衔接消能

挑流型衔接消能就是利用下泄水流所挟带的巨大动能，采用挑流鼻坎因势利导将水股挑射空中，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的

冲刷坑不会危及水工建筑物的安全。下泄水流的余能一部分

在空中消散，大部分则在水股跌入下游冲刷坑水垫塘之后，

通过水股前后两侧的水滚而消除。如图所示。

③面流型衔接消能

面流型衔接消能就是在建筑物的出流部分采用跌

坎，将泄出水流导入下游水域表层（当然要求下游水

深比较大而且比较稳定），主流和河床之间由巨大的底

部漩滚隔开，避免了高速主流对河床的冲刷。余能主

要通过水舌扩散、流速分布的调整以及底部漩滚主流之间的相互作用而消除。由于衔接消能段高速主流位于表层，故称为面流型衔接消能。如图所示。

④戽流型衔接消能

戽流型衔接消能是在溢流坝末端建造一个具有较大反弧半径和挑角的形同戽勺的鼻坎，下泄水流由于受到下游水位的顶托，在戽内形成表面漩滚，主流则仍然贴着戽壁沿鼻坎挑起，形成涌浪，并向下游扩散，同时

在鼻坎下产生一个反向漩滚，涌浪后面产生一个微弱的表面漩滚，即“三滚一浪”是戽流型衔接消能的典型流态。其余能主要是依靠戽内漩滚、鼻坎下底部漩滚以及涌浪后的掺气和扩散过程来消除。如图所示。 1.2 底流消能的水力计算

底流消能也称为水跃消能，它是通过修建消力池来控制水跃发生的位置，消耗大量多余的能量。底流消能一般适用于软土地基和中低水头泄水建筑物，是在渠系中最常见的消能方式。挑流消能在岩石基础和高水头水利枢纽中得到广泛应用。面流消能适用于下游水深较大而且稳定的情况，可以将急流导向下游河流的表面，避免主流冲刷河床。 一、 底流消能的收缩断面水深计算

收缩断面水深用下式计算

(1—1)

式中：E 0是以收缩断面底部为基准的堰前总比能；A c 收缩断面过水面积；φ堰的流速系数，可查阅表和用公式计算。

对于矩形断面渠道： （1－2）

收缩水深计算公式是关于c h 三次函数，不能直接求解，需采用试算法求解，也可采用查图法求解。

矩形断面的收缩水深也可采用迭代法求解，其迭代公式如下：

cn

cn h E g

q

h -=

+012φ

取初值为0,一般3～5步可得到准确解。

对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深hc 也可用下式计算

h c =ε2 e （1—3） 矩形断面明渠，已知h c 可以计算其对应的共轭水深 h c ″

（1－4） 222

02c A g Q c h E ϕ+=22022

c h g c h E q ϕ+=)13281(2''-+=c

gh q c h c h

设泄水建筑物下游水深为h t ，根据h c ″和h c 的对比关系，水跃有三种衔接形式： 当h c ″＞h t 时，产生远驱水跃； 当h c ″＝h t 时，产生临界水跃； 当h c ″＜h t 时，形成淹没水跃。

当产生远驱水跃和临界水跃时，不利于进行消能。为了控制急流段的长度，保证消能效果，必须采取消能工程措施，即修建消力池。

二、消力池的水力设计计算

形成消能池的首要条件是在泄水建筑物下游造成能发生稍有淹没水跃所要求的跃后水深，通常是采用局部增大下游水深的办法来实现。工程实际中，增大下游局部水深的措施有两方面：一是降低护坦高程，在下游形成消能池；二是在护坦末端设置消能坎或消能墙用来壅高水位，使坎前形成消能池。另外，也有同时采用这两种措施的综合方式。此外，为了有效而又经济地将水跃控制在消能池内，消能池还应有足够的长度。故消能池水力计算的任务就在于确定能够满足以上两个条件的池深和池长，即解决消能池轮廓尺寸的水力设计问题。

1 降低护坦高程形成的消能池 （1）、池深d 确定

降低护坦高程形成消能池后，池中水流情况如图所示。

为使消能池内产生稍许淹没的水跃，则消能池末端水深应为

1c

j T h h ''=σ （1—5）

式中，

j

σ为淹没系数，一般取

05

.1=j σ；

1c

h ''为护坦高程降低后收缩水深

1

c h 相共轭

的跃后水深。

形成消能池后，水跃将发生在池内，离开消能池的水流，由于竖向收缩，水面将跌落一个z ∆值，其水流特性与淹没宽顶堰流相同。由几何关系可知：

z

h d H d h t T ∆++=+=1 （1—6）

将式（8—5）代入式（8—6）中，可得到消能池池深计算公式

)(1z h h d t c

j ∆+-''=σ （1—7）