水流消能
水闸的消能和防冲处理的工程措施
（2）折冲水流的防止措施
①总体布置时，尽量使上游渠道有一段较长的 顺直段，确保来水顺均匀。
②控制下游翼墙的扩散角，扩散角宜7~12，使 水流均匀扩散。 ③制订合理的闸的开启程序，注意均匀齐步，间 隔对称等开启原则，力避开启、关闭时大起大落 和多孔闸部分闸孔泄流的运用方式。
5、海漫
(1)布置 水平海漫：下游河床局部冲刷大。适用于下游河床 抗冲能力较强的情况 倾斜海漫：倾斜段坡度以1：6~1：10为宜
可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防 冲墙。
2、消能防冲设计的水力条件选择
三、水闸的消能防冲设计
1、底流消能消力池型式
• 下挖式：当闸下尾水深度小于跃后水深 • 突槛式：闸下尾水深度略小于跃后水深的消力池消能 • 综合式：当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池
深度又较深时
（a）下挖式；（b）突槛式；（c）综合式
(3)消力池的底板计算
消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，并取其最大值。
抗冲要求 抗浮要求
t k1 q H
t
k2
U
W
b
Pm
3、辅助消能工
①水流受辅助消能的阻挡，抬高了原来小于跃后 水深尾槛前水深。 ②辅助消能的作用改变了原来水流的流速分布， 增加了对水跃阻力，降低了对跃后水深的要求。
（1）尾槛
2、消力池尺寸计算 (1)消力池的深度计算
d 0hc hs Z
hc
hc 2
1
8q 2
ghc3
1
b1 b2
0.25
Z q2 q2 2g 2hs2 2ghc2
hc3
T 0hc2
q2 2g 2
0
消力池的深度计算示意图
水工建筑物下游水流衔接与消能
目 录
• 水工建筑物下游水流衔接的重要性 • 水工建筑物下游水流衔接方式 • 水工建筑物下游消能技术 • 水工建筑物下游水流衔接与消能案例分析 • 水工建筑物下游水流衔接与消能技术发展趋势
01
水工建筑物下游水流 衔接的重要性
保护河岸和河床的稳定性
河岸和河床的稳定性对于河流生态系统和水资源利用至关重 要。水工建筑物下游的水流衔接不当可能导致河岸和河床的 冲刷、坍塌和变形，进而影响河流的行洪能力、水资源利用 和生态环境。
05
水工建筑物下游水流 衔接与消能技术发展 趋势
新型消能技术的研发和应用
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度Biblioteka 总结词随着科技的不断进步， 新型消能技术在水工建 筑物下游水流衔接与消 能领域的应用越来越广 泛。
详细描述
近年来，一些新型的消 能技术如挑流消能、底 流消能、面流消能等不 断被研发出来，这些技 术具有更高的消能效率 ，能够更好地保护下游
根据不同的水流条件和消能需求， 消能墩有多种类型，如柱状消能 墩、块状消能墩、排柱式消能墩 等。
消能墩的设计需要考虑多个因素， 如水流的流量、流速、落差等， 以及河床的地质条件、材料选择、 施工方法等。同时，还需要考虑 消能墩的稳定性、耐久性和安全 性。
04
水工建筑物下游水流 衔接与消能案例分析
某水电站下游消能工程案例
03
水工建筑物下游消能 技术
消力池
01 02
消力池概述
消力池是一种通过改变水流的流动方式，降低水流能量的设施。它通常 设置在水工建筑物（如溢洪道、坝、闸等）的下游，以减小水流对下游 河床或岸坡的冲刷。
消力池类型
根据不同的水流条件和消能需求，消力池有多种类型，如平底消力池、 斜底消力池、台阶式消力池等。
底流消能的水力特征
底流消能的水力特征
底流消能是一种水利工程措施，旨在减缓底部水流速度，使水流逐渐流回河道中心，从而减少河岸侵蚀和河床淤积。
底流消能的水力特征主要包括以下几个方面：
1. 底流消能的流体力学特征：底流消能通常采用人工构筑物或者自然沙滩堤防等方式进行，其流体力学特征主要包括阻力系数、流动状态和速度分布等。
采用不同的结构形式和布置方式，会对底流消能的水力特性产生不同的影响。
2. 底流消能的水动力特征：底流消能的水动力特征主要包括流量、水头、冲淤、波浪、泥沙运动等。
其中，底流消能对冲淤的控制效果比较显著，它可以有效减少河床淤积和河岸侵蚀。
同时，底流消能还可以降低底部水流速度和波浪高度，从而提高水域安全性。
3. 底流消能的水文特征：底流消能的水文特征主要包括河流水位、水流速度、泥沙运动等方面。
底流消能的设计需要考虑到水文条件的变化，以保证其有效性和稳定性。
4. 底流消能的生态环境特征：底流消能对河流生态环境的影响是不可忽略的。
它可以改善水质、增加生境、保护生物多样性等方面，但同时也可能对河流生态环境造成负面影响。
因此，在底流消能的设计和实施过程中，需要考虑到生态环境的保护和恢复。
水闸下游常用的消能方式
水闸下游常用的消能方式（原创版）目录一、水闸下游消能方式的背景和意义二、水闸下游常用的消能方式1.挑流式消能2.底流式消能3.面流式消能4.消力戽消能5.联合消能三、各种消能方式的适用条件和优缺点四、总结正文一、水闸下游消能方式的背景和意义水闸作为水利工程的重要组成部分，其在调节水流、控制水位、改善河道水流条件等方面起着关键作用。
然而，水闸的运行也会对下游河道产生一定的影响，如产生水流的冲击力，对河床和河岸造成冲刷等。
为了减轻这些影响，需要在水闸下游采取一定的消能措施。
二、水闸下游常用的消能方式1.挑流式消能：这种消能方式主要是通过建设挑流墙，将水流挑射到下游，以减轻水流对河床和河岸的冲刷。
适用于基岩比较坚固的高坝或中坝，低坝需经论证才能使用。
2.底流式消能：这种消能方式是通过设置底部流出口，使水流从底部流出，从而减小水流对河床和河岸的冲刷。
适用于中、低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。
3.面流式消能：这种消能方式是通过设置面流墙，使水流从墙面流出，从而减小水流对河床和河岸的冲刷。
适用于水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。
4.消力戽消能：这种消能方式是通过设置消力戽，将水流引入消力戽内，通过消力戽的消能作用，减小水流对河床和河岸的冲刷。
适用于尾水较深（通常大于跃后水深），变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。
5.联合消能：这种消能方式是将多种消能方式联合使用，以达到更好的消能效果。
适用于泄流量大，河床相对狭窄，下游地质条件差的高、中坝或单一消能形式经济合理性差的情况。
三、各种消能方式的适用条件和优缺点挑流式消能适用条件：基岩比较坚固的高坝或中坝，低坝需经论证才能使用。
优点：消能效果较好，对河床和河岸的冲刷较小；缺点：设计和施工难度较大。
底流式消能适用条件：中、低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。
水力学：泄水建筑物下游的水流衔接与消能
1
12
H1 ht z
z
vt2
2 g12
v12
2g
vt
q ht
v1
q hc02
z
q2 2g
1
1ht
2
( hc02 )2
❖ ③ 临界水跃的跃后水深hc02 ❖ 根据挖池后的收缩断面水深hc0用水跃共轭水
深的公式求得。用试算法求解。
z
q2 2g
1
1ht
2
( hc02 )2
d hc02 ht z
H
a1
v02
2g
hc0
vc20
2g
vc20 2g
❖
令H
a1
v02
2g
T ， 2Tvg02为 有T0 效水头，T0为有效总水头，
则
T0
hc0
(
)
vc20 2g
1
1
2
T0
hc0
vc20
2g 2
vc0
Q Ac0
T0
hc0
Q2
2g 2 Ac20
一、收缩断面水深的计算
T0
hc0
Q2
2g 2 Ac20
综合式消力池：适用范围较广
（一）消力池的水力计算
❖ (1) 池深d的计算
❖ 计算原则：使消力池中形成稍有淹没的水跃，
要求池末水深
h2 ， 一hc02般取
，1.h05c02
为池中发生临界水跃时的跃后水深。
h2 hc02 ht d z
d hc02 ht z
（一）消力池的水力计算
面流式消能：将下泄的高速水流导向 下游水流的上层，主流与河床被巨大 的底部旋滚隔开。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。
水闸下游常用的消能方式
水闸下游常用的消能方式
下游水闸的常用消能方式有以下几种：
1. 消能坎：在水闸下游设置一排或多排的消能坎，用来减缓水流的速度和冲击力。
消能坎的形状可以是多种形式，如渐变坎、直坎等，以便将水流的动能转化为热能和垂直高度的损失。
2. 消能埋块：在水闸下游的河床或河岸中埋设消能块，用来分散水流的冲击力，减少冲刷和侵蚀的可能。
消能块的形状和材料可以根据具体情况来设计，常见的有混凝土块、木材块等。
3. 消力水道：在水闸下游设置消力水道，将水流引导到特定的通道中，以减少水流撞击地面或其他建筑物的冲击力。
消力水道可以采用自由溢流、弯管溢流等形式。
4. 消能地坪：在水闸下游设置消能地坪，通过改变水流的流向和速度，使水流平稳地流出，减少对下游水体的冲击力。
消能地坪的材料通常选择具有一定耐磨性和防冲刷性能的材料，如混凝土、聚合物等。
5. 抗冲石坝：在水闸下游设置抗冲石坝，通过石块的摩擦力和阻力效应，减缓水流速度，消减水流的冲击力和能量。
石坝的形状和排列方式可以根据具体情况进行设计，以实现最佳的消能效果。
需要注意的是，不同水闸下游的情况和要求可能不同，因此在
选择和设计消能方式时，需要根据具体情况进行综合考虑和分析。
重力坝的消能方式
重力坝的消能方式1. 引言重力坝是一种常见的大型水利工程结构，用于控制河流的水流和积水。
在大坝上方堆积的水压力对坝体产生巨大的压力，因此需要采取措施来减轻这种压力对坝体结构的影响。
消能是指将水流动能转化为其他形式的能量或通过其他方式来减小水流冲击和侵蚀。
本文将详细介绍重力坝常见的消能方式，包括溢流坝、低能量消耗泄流、引导墩、护脚墩以及特殊材料等。
同时还将讨论每种方式的原理、优缺点以及适用条件。
2. 溢流坝溢流坝是最常见也是最简单有效的重力坝消能方式之一。
当洪峰过境时，溢流坝会通过设计好的泄洪孔或溢洪道将多余的水流引导到下游。
这样可以避免过多的水压对重力坝造成损害。
溢流坝原理：当洪峰超过了重力坝设计容量时，多余的水位将超过溢洪堰顶部高度，水流将通过溢洪堰流出。
优点： - 简单可靠，易于维护和操作。
- 适用于各种大小的重力坝。
缺点： - 需要足够的空间来建设溢洪堰，这可能会导致土地利用问题。
- 溢流过程中会产生较大的水力冲击，可能对下游环境造成影响。
适用条件： - 需要考虑下游环境对水流冲击的容忍度。
- 坝址上下游地形条件适宜。
3. 低能量消耗泄流低能量消耗泄流是一种通过设计合理的泄水结构来消耗水流动能的方式。
与溢流坝相比，低能量消耗泄流可以减小水流冲击和侵蚀。
低能量消耗泄流原理：通过合理设计泄水结构的形状和尺寸，使得水从高位向低位转化时动能损失较大，从而减小冲击力和侵蚀。
优点： - 减小了水力冲击和侵蚀对重力坝造成的影响。
- 可以更好地控制泄洪过程。
缺点： - 设计和建设较为复杂，需要考虑水流过程的各种因素。
- 需要对泄水结构进行定期维护和检查。
适用条件： - 对水力冲击和侵蚀要求较高的重力坝。
- 有足够的技术和经济条件来设计和建设低能量消耗泄流。
4. 引导墩引导墩是一种通过引导水流流向来减小冲击力的结构。
它通常位于重力坝下游，可以将水流引导到更安全的位置，从而减小对重力坝本身的冲击。
第-九-章-泄水建筑物下游的水流衔接与消能
第23讲（2课时）第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能泄水建筑群下游水力设计的主要任务是，选择及计算适当的消能措施，在较短的距离内消除余能，并使收缩断面的高速集中水流，安全地转变为下游的正常缓流，保证建筑物的安全。
1．底流式消能：下游采取工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃的表面旋滚和强烈的紊动达到消能的目的。
2．挑流式消能：利用下泄水流的动能，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，余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后消除。
3．面流式消能：采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的表面。
通过水舌扩散、流速分布的调整及底部旋滚与主流的相互作用消除余能。
此外，可将几种消能方式集合起来，如消能戽就是一种底流和面流结合应用的消能方式。
★9-1 底流消能的水力计算一般的水闸、中小型溢流坝或地质条件较差的各类泄水建筑物，多采用底流式消能。
底流式消能的水力计算：下游的水流衔接形式（即水跃发生的位置），确定必要的工程措施。
一、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：g V h H P E c c c 2)(2020ςα++=+=， 令流速系数ςαϕ+=c 1，则：2202ϕg V h E c c += 即：22202ϕc c gA Q h E +=， 对矩形断面：22202ϕc c gh q h E +=由于上述方程是一元三次方程，一般需用试算法求解， 矩形断面也可迭代法求解：)(2)(022)1(i c i c h E g q h -=+ϕ，初始收缩断面水深取0。
矩形断面时，跃后水深：]1)(81[2)181(2332-+=-+=''c k c cc c h h h gh q h h 对矩形断面的图解法：22021c c ξϕξξ+=， （因为gq h k 23=），其中：k c c k h h h E ==ξξ;00 ]1181[23-+=''c cc ξξξ，其中kc c h h ''=''ξ， 查附图I ，)(),,(0c c c f f ξξϕξξ=''= 以上的计算不但适用于溢流坝，也适用于水闸及其它形式的建筑物，流速系数决定于建筑物的型式和尺寸，可参考表里9-1选取。
利用水跃消能的方式
利用水跃消能的方式
利用水跃消能的方式，是一种减少水流能量的方法。
在水流的过程中，水流遇到障碍物会产生阻力和波动，如果能够利用这种波动对水的能量进行消耗，就可以实现减少水流能量的目的。
以下是利用水跃消能的几个方式：
一、垂直壁面鱼梁
垂直壁面鱼梁是一种常见的消能措施。
它是由一个垂直的钢筋混凝土墙面和一组鱼骨式结构组成的。
当水流流经垂直壁面鱼梁时，水流被分裂成多个细小的水流，并通过鱼骨式结构消耗水的动能。
这种方式可以有效地降低水流能量，并且不会影响水的正常流动。
二、跃流器
跃流器是一种通过水流与结构摩擦的方式消耗水的能量。
跃流器一般由一个钢制辊子和一组垂直安装的梁组成。
当水流流经跃流器时，水流产生的能量被辊子和梁的摩擦消耗掉。
这种方式由于需要有一定的安装高度，一般适用于有一定落差的水流。
三、缓跌池
缓跌池是一种通过水流落差消耗水的能量的方式。
缓跌池一般是由一组台阶式结构和一定高度的水坝组成。
当水流从水坝上方跌落到缓跌池中时，水流的动能被逐渐释放，并通过台阶式结构消耗掉。
这种方式不仅能够减少水流能量，还可以形成一定的景观效果。
四、横向挡水梁
横向挡水梁是一种在水流中设置障碍物来消耗水的能量的方式。
横向挡水梁一般由一组垂直于水流的梁组成。
当水流流经横向挡水梁时，水流被强制分裂成多个细小的水流，同时在梁的摩擦力的作用下消耗掉水流的能量。
这种方式适用于对水流的流速和流量变化要求不高的场合。
通过以上几种方式，可以有效地利用水跃消能，减少水的能量，降低水流的速度和流量，达到保护河道、防止洪水和发电等目的。
水跃消能方式
水跃消能方式
水跃消能方式是指在水流速度较快的情况下，通过水体跃起消耗水流的能量。
水跃消能方式可以应用于水电站、水渠、堤坝等水利工程中，可以有效地减小水流对工程的影响。
水跃消能方式主要有以下几种：
1. 水跃消能坎：在水流速度较快的水渠或河段中，设置一定高度的消能坎，使水流跃起后撞击消能坎，将水流的动能转化为热能和声能，从而减小水流的速度和冲击力。
2. 跳石防冲：在水流速度较快的河段中，设置一定数量的大小不一的石头，使水流在石头之间跳跃，从而消耗水流的能量，减小水流的速度和冲击力。
3. 引流消能：在水电站下游或水渠中，设置一定长度的引流渠道，将水流引离主流，并在引流渠道中设置消能坎或跳石，使水流跃起后消耗能量，减小水流对下游工程的影响。
4. 水平层流：在水电站发电机舱及上游引水渠道中，通过设置一定长度的水平层流段或使用水平层流引流构造物，使水流在水平层流段中缓慢流动，从而减小水流的速度和能量。
综上所述，水跃消能方式是一种有效的水利工程控制水流速度和冲击力的方法，可以大大降低水利工程的风险和维护成本。
- 1 -。
一建《水利水电》高频考点解析：消能方式
一建《水利水电》高频考点解析：消能方式知识点：消能方式【考频指数】★★★★【考点精讲】修建闸、坝等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速，动能比较大。
为了减小对下游河道的冲刷，采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能。
一、底流消能底流消能是利用水跃消能，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。
它主要是靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。
高流速的主流在底部。
该法具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物。
但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。
该法对地质条件的要求较低，既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基。
二、挑流消能挑流消能是利用溢流坝下游设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量。
但跌落的水流仍将冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能。
适用于坚硬岩基上的高、中坝。
三、面流消能面流消能是当下游水深较大且比较稳定时，利用鼻坎将下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流与河床之间形成巨大的底部旋滚，旋滚流速较低，避免高速水流对河床的冲刷。
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。
高流速的主流位于表层。
适用于中、低水头工程尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。
一般不需要作护坦。
四、消力戽消能消力戽消能是利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半径和较大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹没挑坎的条件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，后经鼻坎将高速的主流挑至水面。
并通过戽后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。
适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。
水闸的消能和防冲处理的工程措施
挑流消能
利用挑流鼻坎将下泄水流挑射至下游 河床或人工设置的消能工上，通过碰 撞、雾化、冲刷等作用消减水能。
消能效果的评估
消能率
消能率是衡量消能效果的重要指标，计算公式为消能率=（下游 水位对应的能量/上游水位对应的能量）×100%。
水闸的消能和防冲处理的工 程措施
汇报人： 2024-01-08
目录
• 水闸消能概述 • 水闸消能工程措施 • 水闸防冲处理工程措施 • 水闸消能和防冲处理案例分析 • 水闸消能和防冲处理工程措施
的未来发展
01
水闸消能概述
消能方式
底流消能
通过在下游设置消力池或消力槛，利 用水跃消减水能，使下泄水流在消力 池内形成水跃，达到消能目的。
流速分布
通过测量下泄水流在不同位置的流速，分析流速分布情况，评估 消能效果。
冲刷深度
冲刷深度是衡量消能效果的另一个重要指标，过大的冲刷深度可 能导致下游河床破坏。
消能设施的维护与管理
1 2
定期检查
对消能设施进行定期检查，发现损坏或异常情况 及时修复。
清理淤积
定期清理消能设施内的淤积物，保持设施畅通。
3
调整运行方式
根据实际情况调整水闸的运行方式，以降低对下 游河床的冲刷影响。
02
水闸消能工程措施
重力坝的消能方式
重力坝的消能方式1. 介绍重力坝是一种常见的水利工程结构，用于阻断河流或储存水源。
由于其巨大的体积和质量，当水流通过重力坝时会产生巨大的冲击力，这可能会对坝体和周围环境造成损害。
为了减少这种冲击力和保护坝体安全稳定，需要采用一些消能方式。
本文将详细介绍重力坝的消能方式，包括溢流消能、底洞消能和剖面设计等。
2. 溢流消能溢流消能是最常见的重力坝消能方式之一。
当水位超过重力坝顶部时，多余的水通过溢流堰顶从而减少冲击力。
2.1 溢流堰顶设计溢流堰顶通常由混凝土或钢板构成。
为了确保溢流堰顶的稳定性和耐久性，需要进行详细的结构设计和计算。
工程师需要考虑水位变化、洪水过程以及材料强度等因素来确定合适的堰顶高度和厚度。
2.2 溢流坝段设计为了减少溢流坝段的冲击力，可以采用一些措施，如设置消能坎、设置消能槽等。
这些设计可以有效地将溢流水流的动能转化为潜能或热能，从而减少冲击力。
3. 底洞消能底洞是重力坝中的一个重要组成部分，用于排放坝内的沉积物和调节坝内流量。
底洞也可以用作消能装置，通过将水流引导到底洞中进行消能。
3.1 底洞设计底洞设计需要考虑多个因素，如水流速度、底洞尺寸和布置、材料强度等。
合理的底洞设计可以有效地降低水流速度并减少冲击力。
3.2 底洞出口结构底洞出口结构通常由闸门和溢流堰组成。
这些结构可以帮助调节水流和降低冲击力。
闸门的设计需要考虑操作灵活性和防止水流逆流等因素。
4. 剖面设计剖面设计是重力坝消能方式中一个重要的方面。
合理的剖面设计可以减少水流速度并分散冲击力。
4.1 坝顶宽度坝顶宽度的选择应考虑到坝体稳定性和消能效果。
较宽的坝顶可以增加消能区域，减少冲击力。
4.2 坝脚宽度坝脚宽度的选择应考虑到坝体稳定性和消能效果。
较宽的坝脚可以分散水流并减少冲击力。
4.3 剖面曲线剖面曲线的选择应考虑到水流速度和流线形状等因素。
合理的剖面曲线可以减少水流速度并降低冲击力。
5. 结论重力坝的消能方式包括溢流消能、底洞消能和剖面设计等。
第四节 消能与防冲
第四节消能与防冲通过坝体的下泄水流具有很大的能量，当水位差为40m时，单宽流量q=50秒立方米，一米宽河床内的水流动能可达24000匹马力，如此巨大的能量主要消耗于两个方面：1、水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；2、水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全；消能设计原则：1°尽量增加水流的内部紊动, 2°限制水流对河床的冲刷范围消能方式：(底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能)1、底流消能1°工作原理在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。
见图5.62°产生底流消能的条件3°岩基上护坦的构造要求：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。
荷载：①水重集度②平均脉动压强③动水压力 (比较复杂，由试验确定)④扬压力强度(设排水时，仅有浮托力，不设排水时, 除考虑浮托力外还有渗透压力) .图5.6 底流消能措施图5.7所示为设计底流消能时, 水跃第二共轭水深与下游水深的关系.2、挑流消能1°工作原理利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20％。
起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。
见图5.8.图5.7 水跃第二共轭水深与下游水深的关系.图 5.8挑流消能示意图2°设计内容选择鼻坎型式, 反弧半径, 鼻坎高程, 挑射角度.3°连续式挑坎R增加水流转向容易，但鼻坎向下游延伸较长，工程量增加；减小水流转向困难，一般取(8～10)hc；θ↑挑射距离远，入水角大，冲坑深；θ↓挑射距离近，入水角小，冲坑浅；θ=20～35°, 鼻坎高程一般高出下游最高水位1～2m。
4°对坝体安全的评估挑距: L, 冲坑: tk5°差动式挑坎使水流通过高低坎分为两股射出，在垂直方向有较大的扩散，水舌入水宽度增加，减少了单位面积上的冲刷能量，两股水流在空中互相撞击、掺气加剧。
水闸底流消能的工作原理
水闸底流消能的工作原理水闸底流消能是指利用适当的工程措施，减少水闸下游底流的水流能量，防止下游底流冲击闸底和下游工程，保护水闸和下游工程的安全。
水闸底流消能的工作原理主要有以下几个方面。
首先，水闸底流消能的工作原理之一是通过底流控制设施的设置来减少底流的流速和流量。
底流控制设施通常包括底孔泄流和闸后激流消能措施。
底孔泄流是指在水闸底部设置合适的放水孔，通过控制底流的放水速度和放水流量，有效降低下游底流的水流能量。
闸后激流消能措施是指在水闸下游设置合适的消能结构，如消能坎、碎石坝等，通过消耗下游底流的水流能量，减少其对下游工程的冲击。
其次，水闸底流消能的工作原理之二是通过导流建筑物的设置来引导底流流向适当的位置，并减少底流的水流能量。
导流建筑物通常包括导流堤坝、导流闸门等。
导流堤坝是指在水闸下游设置的一道横向的堤坝，通过改变水流的流向，减少水流冲击闸底的力量。
导流闸门是指在水闸底部设置的可调节的闸门，通过控制闸门的开启程度，调节底流的流速和流量，减轻下游底流的水流能量。
第三，水闸底流消能的工作原理之三是通过改变底流的流态来减少其水流能量。
底流的流态改变包括流态控制和漫流消能。
流态控制是指通过合理设计流道的形状和尺寸，使底流由迅速流态逐渐变为缓慢流态，从而减少其流速和水流能量。
漫流消能是指在水闸下游设置适当的漫流水工建筑物，如漫坝、漫床等，通过改变底流的流态，将其能量转化为水体的势能和动能，从而消耗底流的水流能量。
最后，水闸底流消能的工作原理之四是通过合理的堆石排列来减少底流的水流能量。
合理的堆石排列可以增加摩擦阻力，使底流的流速降低，从而减少其水流能量。
此外，堆石排列还可以使底流的水流分散，减轻水流对下游工程的冲击。
因此，在水闸底流消能工程中，堆石排列是一种经济有效的工程措施。
综上所述，水闸底流消能通过底流控制设施的设置、导流建筑物的设置、改变底流的流态和合理的堆石排列等工程措施，减少底流的流速和流量，改变底流的流向和流态，从而降低底流的水流能量，防止其对下游底部和工程的冲击，保护水闸和下游工程的安全。
水流消能措施
水流消能措施介绍水流消能措施是为了减少或防止水流冲击引起的能量损失和损坏而采取的一系列措施。
水流冲击可以在河流、河口、堰坝、海岸线等地方发生，对水利工程和人类活动都会带来不利影响。
因此，开展水流消能措施对于保护水利工程和附近区域的安全具有重要意义。
防止水流冲击的原因水流冲击主要源于以下几个原因： 1. 水流速度过大：当水流速度超过一定阈值时，水流冲击会因动能的释放而引起破坏； 2. 水流方向的改变：当水流方向迅速发生改变时，水流会产生冲击力，对结构物造成破坏； 3. 水流中的颗粒物：如沙粒、石块等，都会增加水流的冲击力。
水流消能措施的分类根据不同的应用场景和需求，水流消能措施可以分为以下几大类：1. 阳离子型聚合物阳离子型聚合物可以通过与水流中的颗粒物发生化学反应，从而改变水流中颗粒物的物理状态，减小颗粒物对结构物的冲击力。
这种措施在河流治理、河岸固定等领域有着广泛的应用。
2. 防浪堤防浪堤是一种用于保护沿海地区的结构。
它可以减轻大风和高浪带来的冲击力，保护沿海建筑物、码头和航道。
防浪堤一般由堆石、混凝土或钢筋混凝土等材料构建而成，具有抗冲击和耐久性强的特点。
3. 减速坝减速坝是一种用于降低河流水流速度的结构物。
通过设置减速坝，可以使水流的流速逐渐降低，减少水流对下游结构物的冲击。
减速坝一般由混凝土或金属材料构建而成，通过改变水流的流向和流速来实现消能的效果。
4. 消能坝消能坝是一种用于减轻水流冲击力的结构。
消能坝通常由人工设置，可通过改变水流流动的方向和速度来减少水流的冲击力。
消能坝一般由混凝土或其他抗冲击材料建造，具有较好的抗冲击性能。
5. 消声装置消声装置是一种用于减少水流噪声和冲击力的设备。
通过改变水流的进出口形状或安装阻尼装置等方式，可以有效地降低水流的冲击力和噪音，提供更好的环境条件。
水流消能措施的选择和设计在选择和设计水流消能措施时，需要综合考虑以下几个因素：1. 水流特性水流的特性包括流速、流量和流向等参数。
河道消能措施
河道消能措施
河道消能措施是指为了减小水流对河道的冲刷和破坏，采取的一系列工程技术手段。
常见的河道消能措施包括以下几种：
底流消能：通过修建消力池、消力墙等工程措施，控制水流的流速和流向，使水流在消力设施内部产生水跃，通过水跃的强烈紊动和表面旋滚来消除水流的余能。
这种消能方式适用于中、低水头的泄水建筑物。
挑流消能：利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床与下游水流相衔接的消能方式。
能耗大体分三部分：急流沿固体边界的摩擦消能；射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。
挑流消能应用较广，适于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。
面流消能：利用泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，将下泄急流的主流挑至水面，通过主流在表面扩散及底部旋滚和表面旋滚以消除余能的消能方式。
面流消能分跌坎面流消能和戽斗面流消能两类。
这些消能措施的选择应根据具体的工程条件、水流特性、地质环境等因素进行综合考虑。
同时，在设计和施工过程中，还需要进行详
细的模型试验和数值模拟，以确保消能措施的有效性和安全性。
水跃消能方式
水跃消能方式
水跃消能是一种绿色、低能耗的非常有效的消能方式，它充分利
用水的物理性质，通过改变水的惯性系数，实现有效的能量消散。
水跃消能原理：流体本身具有物理性质，如流体运动后会产生一
种“压强-侧向风阻力”组合力，即所谓“瓦斯-拉克斯”力，因此，
当水流向一定容积时，其前面会有一个阻力，而在该阻力之后，水流
内在的压强会出现一个可以消散能量的区域，从而达到消能的作用。
水跃消能系统主要有两类，一类是开式系统，即以锥形、半球形
或V形静水池形式，将湍流水流引入容积内的水库中，以此作为阻尼
消能的装置。
另一类是封闭式系统，包括涡旋扩散器和旋流器，可以
有效利用湍流水流的旋转能量来消除地表和河床的冲击波。
水跃消能流程：通常首先需要设计消能流道，水跃消能需要使用
水库、锥形池或收容系统，然后将湍流水引入其中。
其次，安装形成
和调节消能装置，主要是利用阻力流变化实现适当的消能量。
最后，
进行实际消能，即将湍流水流经过消能装置，使阻力流变化，从而实
现消能的目的。
水跃消能的优点：消能系统采用自然环境消能，无需外加能源和
燃料，不占用土地，安装容易，运行成本低，投资周期短，运行效果好，消能效果高，能量消散大，有利于维持河流环境，可用于河流大
坝处理消能、排放消能等。
总而言之，水跃消能是一种有效的消能方式，具有低能耗、绿色、安装方便、运行成本低和消能效果高等优点，可以有效减少河流和海
洋的污染，保护环境。
第4章 高速水流的消能
水利与生态工程学院 张 强
主要内容
概述 挑流消能 底流消能 面流消能 宽尾墩出流消能 其他类型的消能
一、概述
在水利水电上程中，由泄水建筑物下泄的高速水流具有以 动能为主的大量机械能，此巨大的能量可能对下游河床产生强 烈的冲击。因此，消能防冲常常是泄水建筑物(尤其高水头、大 流量泄水建筑物)设计过程中要解决的主要问题之一。 从物理学中可知，能量是不能“消”掉的。这里所谓的消 能有两方面的含意：其一是设法将对工程有潜在危害的动能尽 可能地转化为热能而散失掉，让水流在预计的空间，通过水与 水、水与固体边界、水与空气等各种相互摩擦、掺混、冲击、 碰撞等方式，实现能量形式的转变；其二是设法让带有剩余动 能的水流与防冲保护对象(建筑物基底及其附近河床)远离或分 隔，以冲刷不危及建筑物本身安全为条件。
（2）差动式挑流鼻坎 差动式挑流鼻坎由两种挑角的一系列高坎与低坎相间 布置所构成，也称齿槽式鼻坎。水舌离开这种鼻坎时上、下 分散，以加大各股水舌与空气的接触面积，增强紊动、掺气 和扩散，提高消能效果，减小冲刷深度。差动式鼻坎的缺点 是在高速水流作用下较易发生空蚀，特别是矩形差动式的齿 坎侧面易蚀。梯形差动式齿坎就是改进抗蚀性能的另一型 式。
方法之二是采用双层模型进行计算，在内层，也即靠近溢 流坝面附近，由于水流运动受分子黏性影响较大，用溢流边 界层理论描述，而在离溢流坝面距离较远的外层则可忽略分子 黏性影响而用势流理论进行计算，两层之间通过速度的匹配建 立联系；方法之三是完全忽略黏性作用将溢流坝面全区的水流 运动看成是势流运动，直接用势流理论进行计算；方法之四 是运用水力学的方法直接建立挑坎处的水力要素与上、下游水 位差及流量等之间的关系，再运用试验及原型观测资料确定其 中的有关系数。
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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：cncn h E gqh -=+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） 22202c A g Q c h E ϕ+=22022c h g c h E q ϕ+=)13281(2''-+=cgh 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1cj T h h ''=σ （1—5）式中，jσ为淹没系数，一般取05.1=j σ；1ch ''为护坦高程降低后收缩水深1c 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：zh 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 cj ∆+-''=σ （1—7）上式中，1ch ''、z ∆都是未知量，故需建立1ch ''及z ∆的关系式。
由水跃共轭方程可知]181[231211-+=''c c c gh q h h （1—8）而1c h 可由收缩水深公式求得，即21221012c c h g q h E φ+= （1—9）其中dE E +=001 （1—10）消能池出口水面跌落值z ∆。
])(1)(1[22122cj t h h g q z ''-'=∆σφ (1—11)当已知E 、q 、φ时，由式(8—7)、式(8—8)、式(8—9)、式(8—10)及式(8—11)可求得池深d 。
由于是复杂的函数关系，故需要试算求解。
初步估算时，可取池深t cj h h d -''=σ。
（2）、池长kL 的确定消能池长度必须保证水跃不越出池外。
由于降低护坦高程形成的坎对水跃有一个反向作用力，该力的存在可使水跃长度减小，实验表明，消能池中水跃的长度要比无升坎阻挡的完全水跃缩短（20%～30%），故从收缩断面算起的消能池长度为jk L L )8.0~7.0(= （1—12）式中，jL 为平底完全水跃的长度。
（3）、消能池设计流量的选择上面讨论的池深及池长设计都是针对某一个给定的流量及相应的下游水深，但建成的消能池必须在不同的流量情况下工作。
为使所设计的消能池在不同流量情况下，都能形成稍许淹没的水跃，就必须选择一个恰当的设计消能池尺寸的设计流量。
从t cj h h d -''=σ可以看到，池深d 随着)(t ch h -''的增大而增大。
所以，可以认为相当于max )(t ch h -''时的流量q 即为消能池池深的设计流量。
据此求得的池深d 应该是各种流量下所需消能池深度的最大值。
实践表明，消能池池深d 的设计流量不一定是建筑物所通过的最大流量。
实际计算时，应在给定的流量范围内，找出max )(t ch h -''时的流量，以此作为池深的设计流量。
池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量，其原因是水跃长度随流量的增大而增大。
2 护坦末端建造消能坎形成的消能池当河床开挖困难或开挖太深不经济时，可在护坦末端建造消能坎，壅高坎前水位，形成消能池内具有一定淹没程度的水跃。
其水力计算的主要任务是确定消能坎高度c 及池长kL 。
（1）、坎高c 的确定护坦末端建造消能坎形成消能池之后的水流情况如图9—10所示。
消能坎一般做成折线形实用堰或曲线型实用堰形式，流经坎顶的水流一般属于实用堰流，这一点与降低护坦高程形成的消能池的水流现象不同。
要使消能池内产生稍许淹没的水跃，其消能坎前水深应为cj T h h ''=σ由图中几何关系可知1H c h T += （1—13）式中，1H 为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得。
即2232122101)(2)2()(2cj s cj h g q gm qh g q H H ''-=''-=σσσ （1—14）式中，1m 为消能坎的流量系数，与坎的形状及池内水流状态有关，目前尚无系统资料，初步设计时可取42.01=m ；s σ为消能坎的淹没系数，其值与1010H hH c h st =-有关。
由于消能坎前存在水跃，它与一般的实用堰前水流状态不同。
故淹没系数及淹没判定条件也应有所不同。
消能坎的淹没判定条件是：45.010≤H h s，消能坎为非淹没堰，1=s σ；45.010>H h s，消能坎为淹没堰，此时淹没系数1〈s σ，其值可参考下表确定。
表1-2 消能坎的淹没系数计算坎高c 时，先假定消能坎自由出流，即取1=s σ，由式（1—13）、式（1—14）可求出坎高c 。
然后再根据10H c h t -的值判断上述假定是否成立。
若消能坎为非淹没堰，则前面算出的坎高c 即为所求，但要校核消能坎后的水流衔接状况。
即将消能坎看作溢流堰，计算坎后收缩水深及其共轭水深，并与下游水深相比较，若为远驱式水跃衔接，则需要设置第二道消能坎或采取其它消能措施，并注意校核第二道消能坎后水流衔接状况，直至消能坎后产生淹没水跃衔接为止。
校核消能坎后水流衔接状况时，消能坎的流速系数可取0.90～0.95。
若消能坎为淹没出流，则需考虑淹没系数之后重新计算坎高，此式坎高c 需要试算求解。
（2）、池长kL 的确定池长kL 仍由水跃长度确定，即jk L L )8.0~7.0(=。
3、设计流量的选择 当所设计的建筑物在min q 与m axq 之间运用时，则应在流量范围内选择几个有代表性的流量值，分别计算坎高c ，然后取坎高c 的最大值作为设计值，相应的流量即为设计流量。
池长的设计流量仍应是建筑物通过的最大流量。
有些水工建筑物（如跌水），由泄流进口至收缩断面之间尚有一段距离，这段距离需根据实际情况确定，其长度也不包括在上述消能池长度计算公式当中。
如果单纯降低护坦高程开挖量太大，单纯建造消能坎，坎又太高，坎后容易形成远驱式水跃衔接。
在这种情况下，可以考虑适当降低护坦高程，同时修建高度不大的消能坎，这种型式的消能池称为综合式消能池。
综合式消能池的设计原则是消能池中及坎后均产生临界水跃，据此计算坎高和池深，然后，为了产生稍许淹没的水跃，将消能坎和池底整体地降低一个高程（必要时应校核消能池中水跃的淹没程度）。