挑流消能计算

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。

挑流消能(冲坑计算)

-0.821 -1.060
-1.636 -6.71578
0.0 -0.371
-0.755 -1.000
0 -6.1759
0.2 -0.300
-0.681 -0.919
1.636 -5.57058
0.4 -0.200
-0.586 -0.821
3.272 -4.79348
0.6 -0.075
0.8
0.075
1.5
0.18
0.22
1.6
0.20
0.23
1.7
0.22
0.24
1.8
0.25
0.26
1.9
0.27
0.27
2
0.30
0.28
2.1
0.33
0.29
2.2
0.36
0.30
2.3
0.39
0.31
2.4
0.42
0.33
2.5
0.46
0.34
2.6
0.49
0.35
2.7
0.53
0.36
2.8
0.56
0.37
-4.908 -7.5256
-0.4 -0.482
-0.930 -1.218
-3.272 -7.6074
-0.2 -0.440
-0.925 -1.244
-1.636 -7.5665
0.0 -0.383 0.2 -0.265
-0.779 -0.651
-1.103 -0.950
0 -6.37222 1.636 -5.32518
(2)、边界层计算方法
曲线h-L与曲线δ-L交点求Lk (3)、掺气水深hb=(1+ζ*v/100)*h，见冲坑计算

挑流消能的水力计算

hc

c2 2g 2
以
c
Q Ac
代入上式得
Q2
E0 hc 2gAc2 2
对于矩形断面， Ac b hc 。取单宽流量计算，则
q2
E0 hc 2g 2hc2
12
泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响水跃的位置决定于坝趾收缩断面水
深 hc 的共轭水深 hc 与下游水

2.5
t

1

sin
0.175 cot

0.75ht
22
式中：ts为冲刷坑深度，m；ht为冲刷坑后的下游水深，
10
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出
坝前断面0－0及收缩断面c－c的能量方程式，可得
E0

hc

2
cc
2g

c2
2g

hc
(c

) c2
2g
由图可以看出
E0

P2
H
002
2g

P2
H0
11
令流速系数 1
c
则
E0
天然河道中水流一般属缓流，但当河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，下泄水流往往具有很高的流速，单位总量水体所具有的能量也比下游河道中水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。
1
• 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。
8
第二节底流消能
• 从泄水建筑物下泄的水流一般为急流，存在一个收缩断面，水深为最小，为hc0，且一般hc0<hc，即处于急流状态。根据下游河道水深ht与跃后水深hc02的相对大小，水流存在有三种水跃型式。

挑流消能计算书挑流消能计算书

挑流消能计算书一、示意图：二、基本设计资料1．依据规范及参考书目：武汉大学水利水电学院《水力计算手册》（第二版）2．计算参数：单宽流量q = 37.125 m3/s上游水位高程E1 = 420.140 m 下游水位高程E2 = 383.515 m鼻坎出口水深h = 2.954 m 下游水深ht = 3.515 m鼻坎顶点高程E3 = 412.080 m 鼻坎反弧半径R = 14.600 m坝面水平角φc = 3.43 度鼻坎挑角θ= 21.00 度抗冲系数K = 1.500三、计算过程1．鼻坎至下游水面的挑距xp计算：计算公式：x p＝{v2sinθscosθs+vcosθs×[v2sin2θs+2g(ΔS+hcosθs)]1/2}/g (式1.1) 式1.1中鼻坎出口断面的流速v可近似按下式计算：v ＝φ×(2gS1)1/2(式1.2)式1.2中流速系数φ可按下面的经验公式计算：φ＝[1-0.055/K11/2]1/3(式1.3)式1.3中流能比K1＝q/(g1/2×Z1.5) (式1.4)式1.4中上下游水位差Z ＝E1-E2 ＝36.625m将Z代入式1.4得：K1＝37.125/(9.811/2×36.6251.5) ＝0.053将K1代入式1.3得：φ＝[1-0.055/0.0531/2]1/3＝0.913式1.2中上游水位至鼻坎顶点高差S1＝E1-E3 ＝8.060m将φ、S1代入式1.2得：v ＝0.913×(2×9.8×8.060)1/2＝11.481 m/s式1.1中水舌射出角θs ＝θ-(βo-α) (式1.5)式1.5中溢流坝面与挑坎反弧末端切线的夹角βo ＝θ+φcβo ＝3.430+21.000 ＝24.430 度式1.5中鼻坎出口断面中点水流方向与溢流坝面间夹角α可由图表查得从《水力计算手册》图4-3-4中根据βo与R/h'的值查得α＝19.257 度将βo、α代入式1.5得：θs ＝3.430-(24.430-19.257) ＝15.827 度式1.1中鼻坎顶点与下游水位高差ΔS ＝E3-E2 ＝28.565m将v、θs、ΔS代入式1.1得：x p＝{11.4812×sin15.83°×cos15.83°+11.481×cos15.83°×[11.4812×sin215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)]1/2}/9.8＝31.716 m2．冲刷坑深度t计算：计算公式：t ＝K×q1/2×Z0.25-ht (式1.6)t ＝1.500×37.1251/2×36.6250.25-3.515 ＝18.969 m3．水面以下水舌长度的水平投影Lc计算：计算公式：Lc ＝T/tanβ(式1.7)式1.7中水舌外缘与下游水面的夹角β按下式计算：tanβ＝[tan2θs+2g(ΔS+hcosθs)/(v2cos2θs)]1/2(式1.8)＝[tan215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)/(11.4812×cos20.28°)]1/2＝2.264将tanβ代入式1.7得：Lc ＝(t+ht)/tanβ＝(18.969+3.515)/2.264 ＝9.931 m 4．冲刷坑后坡计算：计算公式：i ＝t/L1 ＝t/(x p+Lc) (式1.9)i＝18.969/(31.716+9.931) = 1/2.196消力池和消力坎的区别：。

挑流、跌流消能计算

（1）按跌流消能计算
按《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）附录A.4公式计算。

跌流射距：L d=2.3q0.54z0.19
式中：Ld——射距，m；
z——鼻坎至河床高差，m；
q——鼻坎末端断面单宽流量，m3/（m·s）。

当下游不设护坦时最大冲坑水垫厚度：
t k=α1q0.5H0.25
冲刷坑深度：t0= t k-h t
t k——最大冲坑水垫厚度，由水面至坑底，m；
q——鼻坎末端断面单宽流量，m3/（m·s）；
H——上、下游水位差，m；
α1——基岩特性影响系数，根据地质提供资料；
t0——最大冲坑深度，由河床面至坑底，m；
计算结果见下表（表5-44）：
鼻坎高程
784.98m 河床高程
768.7m 鼻坎末端宽度
15m 基岩特性影响系数
1.3鼻坎至河床高差16.28m
上游水位
下游水位上下游水位差（m）790.51
772.0418.47789.87
771.418.47789.58
771.1118.47789.25
770.7718.48788.79770.2818.51使用说明：蓝色字体为输入部分，红色为计算结果。

挑流消能计算书

挑流消能计算书项目名称_____________日期_____________设计者_____________校对者_____________一、示意图：二、基本设计资料1．依据规范及参考书目：武汉大学水利水电学院《水力计算手册》（第二版）2．计算参数：单宽流量q = 37.125 m3/s上游水位高程E1 = 420.140 m 下游水位高程E2 = 383.515 m鼻坎出口水深h = 2.954 m 下游水深ht = 3.515 m鼻坎顶点高程E3 = 412.080 m 鼻坎反弧半径R = 14.600 m坝面水平角φc = 3.43 度鼻坎挑角θ= 21.00 度抗冲系数K = 1.500三、计算过程1．鼻坎至下游水面的挑距xp计算：计算公式：x p＝{v2sinθscosθs+vcosθs×*v2sin2θs+2g(ΔS+hcosθs)+1/2}/g (式1.1) 式1.1中鼻坎出口断面的流速v可近似按下式计算：v ＝φ×(2gS1)1/2(式1.2)式1.2中流速系数φ可按下面的经验公式计算：φ＝[1-0.055/K11/2]1/3(式1.3)式1.3中流能比K1＝q/(g1/2×Z1.5) (式1.4)式1.4中上下游水位差Z ＝E1-E2 ＝36.625m将Z代入式1.4得：K1＝37.125/(9.811/2×36.6251.5) ＝0.053将K1代入式1.3得：φ＝[1-0.055/0.0531/2]1/3＝0.913式1.2中上游水位至鼻坎顶点高差S1＝E1-E3 ＝8.060m将φ、S1代入式1.2得：v ＝0.913×(2×9.8×8.060)1/2＝11.481 m/s式1.1中水舌射出角θs ＝θ-(βo-α) (式1.5)式1.5中溢流坝面与挑坎反弧末端切线的夹角βo ＝θ+φcβo ＝3.430+21.000 ＝24.430 度式1.5中鼻坎出口断面中点水流方向与溢流坝面间夹角α可由图表查得从《水力计算手册》图4-3-4中根据βo与R/h'的值查得α＝19.257 度将βo、α代入式1.5得：θs ＝3.430-(24.430-19.257) ＝15.827 度式1.1中鼻坎顶点与下游水位高差ΔS ＝E3-E2 ＝28.565m将v、θs、ΔS代入式1.1得：x p＝{11.4812×sin15.83°×cos15.83°+11.481×cos15.83°×[11.4812×sin215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)]1/2}/9.8＝31.716 m2．冲刷坑深度t计算：计算公式：t ＝K×q1/2×Z0.25-ht (式1.6)t ＝1.500×37.1251/2×36.6250.25-3.515 ＝18.969 m3．水面以下水舌长度的水平投影Lc计算：计算公式：Lc ＝T/tanβ(式1.7)式1.7中水舌外缘与下游水面的夹角β按下式计算：tanβ＝[tan2θs+2g(ΔS+hcosθs)/(v2cos2θs)+1/2(式1.8)＝[tan215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)/(11.4812×cos20.28°)]1/2＝2.264将tanβ代入式1.7得：Lc ＝(t+ht)/tanβ＝(18.969+3.515)/2.264 ＝9.931 m4．冲刷坑后坡计算：计算公式：i ＝t/L1 ＝t/(x p+Lc) (式1.9)i＝18.969/(31.716+9.931) = 1/2.196。

第九章消能(zhu,2013)

综合式消力池
消力墩
§9.5 挑流型衔接与消能(ski-jump energy dissipation)
挑流消能的水力计算
主要任务是：挑坎型式，确定挑坎高程、反弧半径和挑射角，计算挑流射程和下游冲刷坑深度。
一、挑流消能水力计算 1）挑流射程的计算 2）冲坑深度的计算 3）挑坎的设计
一、挑流射程的计算
hT 4.27 1.05 hc1 4.07
池中水跃的淹没程度 j
满足要求
确定池深d的步骤：
取1.05～1.1
初估池深：
ht 1、根据设计流量Q设，初估一个初始值d1； d1 j hc
2、计算 E0 E0 d1 3、根据 E0 确定 hc1 和 hc1 ； 4、计算 z1 ； 5、计算 d 2 ；
主要内容： 1、确定坎高c； 2、确定池长Lk；
特点: E0保持不变; 坎后水流的衔接;
1、坎高c的设计 1) 满足的条件: 消能要求:
hT j hc
几何要求:
hT c H1
出池水流看成折线型实用堰堰流，堰上水头
1 v12 1q 2 q 2 /3 H10 H1 H1 ( ) 2g s m1 2 g 2 g( j hc ) 2
hc ht 3.05m
故溢流坝下游将发生远离式水跃衔接
控制水跃位置的工程措施
当建筑物下游产生远离(驱)式或临界式水跃衔接时，为了改变这种不利的衔接形式，必须采取一定的工程措
施，加大建筑物下游水深。
C C
ht
ht
降低护坦高程，在下游形成消能池
C C
ht
ht
在护坦末端修建消能坎来壅高水位，使坎前形成消能池

差动式挑流消能挑距分析

圈２挑射水流运动轨迹
收稿日期：０９０＿Ｏ２０ — ５２
Ｌ＝ｃｓｏＯ
（）１
基金项目：新疆水利水电工程重点学科基金资助项目（ｊｘｘｄｋ一２０ｚ０２—１０—
０）新疆高校科研计划重点资助项目（ｊＤ２０１）５；ｘＵ０５０。Ｅ９作者简介：吴鹏（９３）男，东单县人，士研究生，究方向为水利水电１８一，山硕研
连续式挑坎结构简单，挑射出的水流掺气率较低，其且水舌与空气的接触面积较小，在空气中的消能率比其他挑坎要低；而其他有特殊构造的挑坎，引导的水舌状态各不相同。如差动式挑坎引导出的高速水流掺气率较高，散式挑坎引导的高速水扩
流与空气的接触面较广，这些形式挑坎的挑距计算要得到与实际情况比较相近的结果，不能不考虑空气的阻力与浮力。
Ｌ： —￣ｉＯＶｓｎ
—
在挑流消能设计中，挑距和冲坑深度是判断大坝安全的重要水力参数。在铜场水库导流（泄洪）洞水工模型试验中，我们发现差动式挑坎引导水舌在空中的运动曲线并不是理想的抛
ｇ
ｅＯ１（＋ｏｆ＋１ｓ
Ｌ
ｓｎ０ｉ
）１ ∽
工程设计。
Ｙ：ｓ０一ｇ２ｉｎｔ／
（）２
式中：为水平运动距离，ｌｙ为竖直运动距离，Ｖ为挑射速Ｉ；ｌｍ；度，／；为水舌运功时问，：ｍｓｔｓｇ为氧力加速度，／。ｍｓ。
由式（）式（）得：１、２可

挑流消能计算表格(两种方法)

水舌挑矩L计算表
v1 33.600m/s
θ 25.000°
32.792m/s
25.000°
32.672m/s
25.000°
h1 3.301m 2.561m 2.388m
冲坑深度T计算表
q
H
100.43m³/s
76.600m
76.11m³/s
76.550m
70.70m³/s.m
76.730m
H2 13.490m 10.940m 10.580m
i=t/L1= 0.17389206
θ= 25.000°
φc= 32.000°
R= 20
设
β0= 57.000°
h'= 2.321m
计
α/β0= 0.98
R/h'= 8.61697544
冲
α= 55.86
v= 32.792m/s
刷坑
θs= 23.86
tg2θs= 0.19563286
后
△S= 6.060m
5.1 相关参数
挑坎参数
下游河床参数
校核情况参数
设计情况参数
消能防冲情况参数
坎顶高程： 510.000m 坎顶宽度： 9.250m 挑坎挑角θ： 25.000° 下游河床高程： 493.000m 冲刷系数K: 1.5 校核洪水位（P=0.05%）： 583.090m 校核洪水标准相应下游水位： 506.490m 校核标准上下游水位高差H： 76.600m 校核标准坎顶至下游水面高差h2： 3.510m 校核标准下游水深H2： 13.490m 校核洪水标准相应下泄流量： 929.00m³/s 校核标准单宽流量q： 100.43m³/s.m 校核标准标准泄槽末端断面流速v1： 33.600m/s 校核标准标准泄槽末端断面水深h： 2.992m 校核标准标准坎顶铅直方向水深h1： 3.301m 设计洪水位（P=1%）： 580.490m 设计洪水标准相应下游水位： 503.940m 设计标准上下游水位高差H： 76.550m 设计标准坎顶至下游水面高差h2： 6.060m 设计标准下游水深H2： 10.940m 设计洪水标准相应下泄流量： 704.00m³/s 设计标准单宽流量q： 76.11m³/s.m 设计标准标准泄槽末端断面流速v1： 32.792m/s 设计标准标准泄槽末端断面水深h： 2.321m 设计标准标准坎顶铅直方向水深h1： 2.561m 消能防冲标准洪水位（P=2%）： 580.310m 消能防冲洪水标准相应下游水位： 503.580m 消能防冲标准上下游水位高差H： 76.730m 消能防冲标准坎顶至下游水面高差h2： 6.420m 消能防冲标准下游水深H2： 10.580m

学习单元8 建筑物下游消能水力计算

学习单元八泄水建筑物下游消能水力计算【教学基本要求】本章要求了解泄水建筑物下游的水流特点和衔接消能方式，掌握底流消能的水力设计方法，会进行消力池尺寸的计算。

【内容提要和学习指导】1. 泄水建筑物下游水流的消能方式2. 底流式消能的水力设计3. 挑流式消能的水力设计8.1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。

我们主要讨论底流消能。

8.2底流消能的水力计算（1）底流消能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。

(2) 底流消能的收缩断面水深计算对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深h c 用下式计算h c =ε 2 e对于实用堰和跌坎下的收缩断面水深用下式计算2202ϕg v h E c c += 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；堰的流速系数流速系数ζαϕ+=c 1。

对于矩形断面渠道： 22202c c h g q h E ϕ+=由于h c 与A c 有关，无法直接求解，一般采用试算法迭代计算。

迭代公式： )(20c c h E g qh -=ϕ形断面渠道，已知h c 可以计算其对应的共轭水深 h c ″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：消力池有三种形式：即降低护坦形成消力池，修建消力坎形成的消力池和综合式消力池。

降低护坦式消力池计算的主要任务是确定池深d （或消力坎高c ）和池长L k 。

关于挑流消能挑距估算的探讨

Ｌ＝＝
‘
／２ｏ・ｓ１９２￣Ｈｃ１）．。．（１
・
、２・／ｇ‘Ｈｏ（一１ｏ／．）
④坝工丛书《石坝设计》砌，华东水利学
学》下册（称教科书）和坝工丛书《简砌石坝设计》（称坝工丛书）简，下面将这些书籍的估算公
『￣＋＂％ＨＨ・１／２ｇ（ｏ＋１Ｚ－）］
Ｌ— ＬｌＺ＋
［稿日期］２０～０ —１收０８３２
（１型按重力坝考虑，堰型为实用堰，弧形闸门控制１６１）．
（１１１．７）
建造材料是浆砌石外包一层钢筋混凝土，计算模
表２
序号公式推荐书籍Ｖ
（ｓｍ／）
计得一０８７．６，落在０８．５— ０９．５范围内，为
方便比较，计算时四者先统一取０８７．６，代人四种估算公式分别计算，计算结果见表２标识有
泻流。计算基本参数见表ｌ，设计阶段为安全鉴
［者简介］曾楚武（９８）男，工学学士，助理工程师，现从事水利水电工程设计工作。作１７一，
一
３９ —
维普资讯
吉林水利
维普资讯
第６期（３３）第１期
［章编号］１０ —８６（０８０ —０９０文０９２４２０）６０３—４
吉林水利

基于Matlab的挑流消能计算

基于Matlab的挑流消能计算摘要：本文通过Matlab编程实现挑流消能计算，计算快速准确。

并且在算例可以看出通过matlab软件的使用，解决了在设计过程中不好解决的一个问题即：怎样确定最适挑角的问题。

而且通过matlab还实现了绘出射流的水舌轨迹。

为水利设计工作者带来很大方便。

关键词：Matlab 编程；挑流消能；挑角；挑距Abstract ：In this paper, matlab programming is used to achieve the calculations of the free jets for energy dissipation,whitch are be quickly and accurately calculated. And in the example can be seen through the use of matlab software have solved a poor problem in the design process that is: the issue of how to determine the optimum free jets angle. But also achieved through the matlab draw jet of water tongue trajectory. Water workers to bring great design to facilitate. Keywords：matlab programming; the free jets for energy dissipation;free jets angle;free jets distance引言挑流消能的先例是法国勒安格尔坝的厂顶滑雪式陡槽溢洪道采用了大规模自由挑射进行消能，之后，类似的型式相继出现（张岩和刘平2009）。

挑流消能作为主要的效能形式之一已被广泛用于工程中，也是水利设计者在进行消能设计中首选对象之一。

水力学第九章

二、水跃的位置与形式及其对消能的影响
ht hc 临界式水跃
ht hc
远驱式水跃
ht hc 淹没水跃
平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图
ht j hc
j 1.05 ~ 1.10
三、消能池的水力计算挖深式～降低护坦高程；消能池的形式：消力坎式～在护坦末端修建消力坎；
hs H 10
hs 0.45 H10
hs 0.45 H10
c1 c d 一级坎设计合理: A
c1 cd 试算坎高: B
hc1 ht End；
E01 H10 c A:坎后水流衔接校核，
hc1 ht 设第二级坎；
c1 c2 H 2 , H 20 B: 试算坎高，
q计 q实
1 (ht z) d j hc
6、比较 d1 , d 2 ；
d d1 d 2 较大时，重新假设d进行试算，重复步骤2～6，直到 d 满足要求。
ht 粗略估算： d j hc
4、消能池长度Lk的确定：
Lk＝（0.7～0.8）Lj
0.93 Lj 10.8h1 (Fr 1 ) 1
P2 H
2 00
2g
hc
cc2
2g
Hale Waihona Puke c22g E0 hc ( c )
c2
2g
P2
令

1 c
vc
Q Ac
Q2 q2 E0 hc hc 2 2 2 2 gAc 2 ghc 2
2、计算方法：试算图解法迭代计算查图法
对于矩形断面可采用查图法：
E0 hc

第4章高速水流的消能

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。

挑流消能的水力计算

挑流消能的水力计算通过中、高水头泄水建筑物下泄的水流，动能往往很大。

当下游水深较小时，如采用底流式消能，常需很大的池深及深长，并且需要很强的护坦，工程费用较大，如采用面流消能，下游水深又不能满足形成面流所需要的下游水深较大且较稳定的要求，因此，可以采用挑流消能。

经挑流鼻坎将水流挑入空中，形成水舌，并降落在远离建筑物的下游，形成冲刷坑，只要冲刷坑与建筑物的距离足够长，建筑物可保安全，挑流消能的原理及过程简述如下：一是空中消能：水舌在空中受空气阻力，逐渐扩散，与空气接触面积加大并掺入空气，空气阻力加大，水舌内摩擦碰撞加剧，消耗小部分水流能量。

二是水下消能：水舌入水后，冲刷河床，形成冲刷坑，坑深加大，形成较厚的水垫，对水舌起缓冲、消能作用，同时水舌入水后在其前后形成两个漩滚，漩滚紊动强烈，消耗了大部分水流能量。

挑流消能的优点是工程费用比底流消能节省很多，且构造简单，节约下游护砌，所以应用广泛。

缺点是水舌扩散、掺气、造成下游大量雾气，且尾水波动大。

挑流消能水力计算的主要任务是：选定适宜的挑坎形式、尺寸，计算下泄水流的挑射距离(挑距)和冲刷坑深度，并校核是否影响建筑物的安全。

一、挑距L的计算挑距是指挑坎末端至冲刷坑最深点间的水平距离。

计算挑距的目的是为了确定冲刷坑最深点的位置。

试验和原型观测表明，冲刷坑最深点大体位于水舌轴线在水中的延长线上，如图9-13所示，挑距L由空中挑距L0和水下挑距L1组成L=L0+L1 (9-14)图9-13的计算(一)空中挑距L空中挑距L0是指挑坎末端至水舌轴线与下游水面交点间的水平距离。

对平滑的连续式挑坎(见图9-13)，假定挑坎出口断面1-1上流速均匀分布，且为υ1。

略去空气阻力和水舌扩散影响，把抛射水流的运动视为自由抛射体的运动，应用质点自由抛射运动原理可导出空中挑距L 0的计算公式：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++=θϕθϕ212120sin )(112sin S h a S L t (9-15)式中 S 1—上游水面至挑坎顶部的高差；a —挑坎高度，即下游河床至挑坎顶部的高差；θ—鼻坎挑射角；h t —冲刷坑后下游水深； 35.0055.01K-=ϕ (9-16) ϕ—坝面流速系数，上式为长江流域规化办公室1973年提出的经验公式。

挑流消能计算书挑流消能计算书

挑流消能计算书一、示意图：二、基本设计资料1．依据规范及参考书目：武汉大学水利水电学院《水力计算手册》（第二版）2．计算参数：单宽流量q = 37.125 m3/s上游水位高程E1 = 420.140 m 下游水位高程E2 = 383.515 m鼻坎出口水深h = 2.954 m 下游水深ht = 3.515 m鼻坎顶点高程E3 = 412.080 m 鼻坎反弧半径R = 14.600 m坝面水平角φc = 3.43 度鼻坎挑角θ= 21.00 度抗冲系数K = 1.500三、计算过程1．鼻坎至下游水面的挑距xp计算：计算公式：x p＝{v2sinθscosθs+vcosθs×[v2sin2θs+2g(ΔS+hcosθs)]1/2}/g (式1.1) 式1.1中鼻坎出口断面的流速v可近似按下式计算：v ＝φ×(2gS1)1/2(式1.2)式1.2中流速系数φ可按下面的经验公式计算：φ＝[1-0.055/K11/2]1/3(式1.3)式1.3中流能比K1＝q/(g1/2×Z1.5) (式1.4)式1.4中上下游水位差Z ＝E1-E2 ＝36.625m将Z代入式1.4得：K1＝37.125/(9.811/2×36.6251.5) ＝0.053将K1代入式1.3得：φ＝[1-0.055/0.0531/2]1/3＝0.913式1.2中上游水位至鼻坎顶点高差S1＝E1-E3 ＝8.060m将φ、S1代入式1.2得：v ＝0.913×(2×9.8×8.060)1/2＝11.481 m/s式1.1中水舌射出角θs ＝θ-(βo-α) (式1.5)式1.5中溢流坝面与挑坎反弧末端切线的夹角βo ＝θ+φcβo ＝3.430+21.000 ＝24.430 度式1.5中鼻坎出口断面中点水流方向与溢流坝面间夹角α可由图表查得从《水力计算手册》图4-3-4中根据βo与R/h'的值查得α＝19.257 度将βo、α代入式1.5得：θs ＝3.430-(24.430-19.257) ＝15.827 度式1.1中鼻坎顶点与下游水位高差ΔS ＝E3-E2 ＝28.565m将v、θs、ΔS代入式1.1得：x p＝{11.4812×sin15.83°×cos15.83°+11.481×cos15.83°×[11.4812×sin215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)]1/2}/9.8＝31.716 m2．冲刷坑深度t计算：计算公式：t ＝K×q1/2×Z0.25-ht (式1.6)t ＝1.500×37.1251/2×36.6250.25-3.515 ＝18.969 m3．水面以下水舌长度的水平投影Lc计算：计算公式：Lc ＝T/tanβ(式1.7)式1.7中水舌外缘与下游水面的夹角β按下式计算：tanβ＝[tan2θs+2g(ΔS+hcosθs)/(v2cos2θs)]1/2(式1.8)＝[tan215.83°+19.6×(28.565+2.954×cos15.83°)/(11.4812×cos20.28°)]1/2＝2.264将tanβ代入式1.7得：Lc ＝(t+ht)/tanβ＝(18.969+3.515)/2.264 ＝9.931 m 4．冲刷坑后坡计算：计算公式：i ＝t/L1 ＝t/(x p+Lc) (式1.9)i＝18.969/(31.716+9.931) = 1/2.196消力池和消力坎的区别：。

溢流坝设计：

溢流坝设计：溢流坝设计:(一)泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。

因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求;且使水流平顺，不产生空蚀破坏。

溢流坝的泄水方式主要有以下两种:1、开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其它漂浮物，如图1所示。

堰顶可设置闸门，也可不设。

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常高水位，泄洪时库水位雍高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程;设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。

2、孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流可采用带有胸墙的溢流堰，如图2所示。

这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力。

为使水库具有较大的泄洪潜力，宜优先考虑开敞式溢流孔。

图1 开敞溢流堰图2 孔口溢流堰(二)孔口设计,、洪水标准的确定根据建筑物的级别及运用情况确定洪水标准。

见表1 表1 山区、丘陵区水利工程水工建筑物洪水标准水工建筑物级别1 2 3 4 51000,500 500,100 100,50 50,30 30,20 洪水重现设计情况5000,2000 2000,1000 100,500 500,200 200,100 期(年) 校核情况,、设计流量的确定确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算，求得各方案的防洪库容、设计洪水位和校核洪水位及其相应的下泄流量;然后估算淹没损失、枢纽造价、效益，进行综合比较，选出最优方案。

若考虑泄水孔及其它建筑物能分担一部分泄洪任务，则通过坝顶溢流的下泄流量,为:,,,s,α,o (1)式中 ,s—下泄流量(经过调洪演算确定的枢纽中总的下泄流量);α—系数，考虑电站部分运行等因素对下泄流量的影响，正常运用时，α,0.75,0.9，校核情况α,1.0;,o,经过泄水孔、电站、船闸等建筑物下泄的流量。

水力学：泄水建筑物下游的水流衔接与消能

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差动式挑流消能挑距分析

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