第八章水流衔接

8.1 水流衔接与消能简介
单位宽度河床上每秒应消耗能量： N = gqE
设溢流坝的单宽流量
q = 80m3/s m
上下游水位差为 60m 不计坝面的能量损失，则有：
N = gqE = 98008060 = 47000kN m/s = 47000kW
巨大的动能如不消除，将对下游河槽形成冲刷，影响岸坡稳 定，甚至危害建筑物安全。
(2) 消能池长度 LK 的计算
LK = (0.7 ~ 0.8)Lj
式中，Lj 为平底渠道中的自由水跃长度。
(3) 消能池设计流量的选择
池深 d 是随 (hc− ht ) 增大而增加。所以，可以认为，相当 于 (hc− ht ) 为最大时的流量，即为池深的设计流量，该流量 不一定是建筑物通过的最大流量。
8.2 底流消能的水力计算
趾墩：加强扰动。 消能墩：增加反向作用力，减小消能池深度及长度。 尾槛：改变流速分布，减少对下游冲刷。
8.2 底流消能的水力计算
4．护坦下游的河床保护 在护坦后还需要设置较为简易的河床保护段，称为海漫。离 开海漫的水流还具有一定的冲刷能力，往往在海漫末端形成 冲刷坑。为保护海漫的基础不遭破坏，海漫后常作成比冲刷 坑略深的齿槽或防冲槽。
2g( jh"c )2
应在建筑物通过流量范围内分别选取不同的 q 计算坎高， 取最大值为设计值。
单纯降低护坦高程可能导致开挖量太大；单纯建造消能坎， 可能因坎高大而在坎后形成远驱式水跃衔接。可考虑适当降 低护坦高程，同时修建高度适当的消能坎，形成综合式消能 池。
8.2 底流消能的水力计算
3．辅助消能工 为了改善消能池的消能效果，常在池中设置辅助消能工， 如趾墩、消能墩及尾槛等。
1. 降低护坦高程所形成的消能池
(1) 消能池深度 d 的计算
消力池内的水深应为 hT = jhc1 。
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j = 1.05 ； hc1 为护坦高程降低后收缩水深 hc1 的跃后水深。
消力池内的水深 hT 为
整理，可得：
hT = d + ht + z d = jhc1 − ht − z
8.1 水流衔接与消能简介
水利水电工程中常结合具体工程的需要，将三种消能方式结 合应用。消能戽就是一种将底流和面流结合应用的实例。
第八章 水流衔接
本章主要内容： 8.1 水流衔接与消能简介 8.2 底流消能的水力计算 8.3 挑流消能的水力计算 8.4 面流和戽流消能简介 8.5 水流衔接消能新技术
由于跃长随流量增加而增大，所以消力池长度的设计流量应 为建筑物通过的最大流量。
8.2 底流消能的水力计算
2. 在护坦末端修建消能坎所形成的消能池 当河床不易开挖或开挖太深造价不经济时，可在护坦末端修 建消能坎，壅高坎前水位形成消能池，以保证在建筑物下游 产生淹没程度不大的水跃。
坎前水深应满足：
hT = jhc
第八章 水流衔接
本章学习基本要求：
➢ 理解水跃消能的机理； ➢ 掌握底流消能水力计算方法（工程措施控制水跃发生位置）； ➢ 了解面流和挑流等消能方式的水力计算方法。
第八章 水流衔接
本章主要内容： 8.1 水流衔接与消能简介 8.2 底流消能的水力计算 8.3 挑流消能的水力计算 8.4 面流和戽流消能简介 8.5 水流衔接消能新技术
8.1 水流衔接与消能简介
溢洪道挑流消能
表、中孔对撞消能
面流消能
泄洪雾化
8.1 水流衔接与消能简介
8.1 水流衔接与消能简介
什么是“消能”？ 势能
势能
湍动能
热能
8.1 水流衔接与消能简介
为什么要消能？
天然河道中水流一般属缓流，但当河道中修建了闸、坝等建 筑物后，下泄水流往往具有很高的流速，单位重量水体所具 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。
可据此计算收缩断面水深 hc ，并根据水跃方程计算跃后水 深 hc" 。
8.2 底流消能的水力计算
8.2.3 控制水跃位置的工程措施—消能池的水力计算 加大下游水深的工程措施，主要有：
➢ 降低护坦高程，使在下游形成消能池； ➢ 在护坦末端修建消能坎来壅高水位，使坎前形成消能池。
8.2 底流消能的水力计算
8.3.2 冲刷坑深度的估算 挑流水舌跌入下游河道时将形成冲刷坑。坑深增加，水垫消 能作用加大，水流冲刷能力降低。冲坑最终将趋于稳定。
1.对于砂卵石河床，冲刷坑深度可用下式计算：
ts
=
2.4q
−
2.5 vt
sin
1
−
0.175 cot
− 0.75ht
式中：tS 为冲刷坑深度；ht 为冲刷坑后的下游水深；η 为反
冲刷坑与建筑物的间距足够大时，不一定危及建筑物安全。
8.3 挑流消能的水力计算
8.3 挑流消能的水力计算
8.3 挑流消能的水力计算
8.3.1 挑流射程的计算
挑坎末端至冲刷坑最深点的水平距离称挑流射程。
L = L0 + L1 − L '
L0： 挑坎出口断面 1-1 中心 点至水舌轴线与下游水面交 点间的水平距离；L1：水舌 轴线与下游水面交点间至冲 刷坑最深点间的水平距离； L´：挑坎出口断面 1-1 中心 至挑坎下游端的水平距离， 一般可忽略不计。则有：
平底闸孔下游也可采用上述衔接形式。
可采用增加下游水深，将远驱式水跃转变为淹没式水跃。
8.2 底流消能的水力计算
8.2.2 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（堰前） 断面 0-0 及收缩断面 c-c 的能量方程式，可得
E0
=
hc
+ cvc2
2g
+
vc2 2g
L L0 + L1
8.3 挑流消能的水力计算
1. 射程 L0 的计算公式（质点自由抛射轨迹方程）
L0
=
u12
sin cos
g
1 +
1
+
2g
a
− ht + u12 sin
h1 cos
2
2
a为坎高，即下游河床至挑坎顶部的高差；ht 为冲刷坑后的下 游水深；h1为 1-1 断面的水深，u1 为出口断面中点流速。
= hc
+ (c
+ ) vc2
2g
由图可以看出
E0
=
P1 + H
+ 0v02
2g
=
P1 + H0
8.2 底流消能的水力计算
令流速系数 = 1 c +
则
E0
=
hc
+
vc2
2g 2
以
vc
=
Q Ac
代入上式得
E0
=
hc
+
Q
2gAc2 2
对于矩形断面，Ac = bhc 。取单宽流量计算，则
q2
E0 = hc + 2g 2hc2
8.2 底流消能的水力计算
确定消能池深度 d 的计算公式为：
d = jhc1 − (ht + z)
q2 1
1
z
=
2g
(
ht
)
2
−
( jhc1 )2
略去 z ，并用护坦降低前收缩断面水深的共轭水深 hc 代替 hc1 ，可得到粗略估算池深的近似公式
d = jhc − ht
8.2 底流消能的水力计算
从水工和消能的角度看，远驱式水跃最为不利。
远驱式水跃的护坦长度为收缩断面至跃前断面距离与水跃长 度之和，即：LK=L+Lj。防护工程量大。 临界水跃并不稳定。
过度淹没造成水跃长度过长也不可取。工程设计中常使下游 产生一定淹没程度（淹没系数在1.05~1.10之间）的水跃。
8.2 底流消能的水力计算
映流速脉动的系数，可取 1.5~2.0；vt 为水舌进入下游水面的 流速。
8.3 挑流消能的水力计算
2. 对于岩石河床，计算冲刷坑深度的公式为： ts = ksq0.5 z0.25 − ht
tS 为冲刷坑深度；z 为上下游水位差；ht 为冲刷坑后的下游水 深；q为单宽流量，kS 为反映岩基特性的参数。 当冲坑上游侧与挑坎末端的距离大于 2.5~5 倍冲坑深时，冲 坑将不影响建筑物的安全。
ht
tS 冲刷坑的深度
略去 h1 并整理，可得： L1 =
ts + ht
tan 2
+
a − ht 2S1 cos2
综合 L0 及 L1 的计算式，有：
L = 2S1 sin 2[1+
1+
a − ht 2S1 sin2
]
+
(ts
+
ht
)
/
tan 2
+
a − ht 2S1 cos2
8.3 挑流消能的水力计算
8.1 水流衔接与消能简介
被冲刷破坏的下游护坦
8.1 水流衔接与消能简介
河道岸坡可能因基础冲刷而坍塌
8.1 水流衔接与消能简介
常采用的衔接与消能方式，可大致概括为三类： ⚫ 底流式消能 控制建筑物下游水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚 和强烈的湍动以达到消能的目的。
8.1 水流衔接与消能简介
而：
hT = c + H1
故有：
c = hT − H1 = jhc" − H1
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8.2 底流消能的水力计算
消能坎一般设计成折线形或曲线形实用堰。
坎顶水头可用堰流公式计算：
2/3
H1
=
H10
−
q2
2g( jh"c )2
=
s
q m1
2g
−
q2
⚫ 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。
8.1 水流衔接与消能简介
⚫ 面流式消能
当下游水深较大且比较稳定时，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，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。
挑流消能的优点是节约下游护坦，构造简单，便于维修；缺 点是雾化现象显著，且尾水波动大。
挑流消能水力计算的主要任务是：按已知的水力条件选定适 宜的挑坎型式，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。
8.3 挑流消能的水力计算
挑流消能方式在入水点 形成两个漩滚，水流剧 烈湍动。 潜入水底的主流冲刷河 床，将形成冲刷坑。
LP = (0.65 ~ 0.80) Ljj = (1.63 ~ 2.40) Lj
第八章 水流衔接
本章主要内容： 8.1 水流衔接与消能简介 8.2 底流消能的水力计算 8.3 挑流消能的水力计算 8.4 面流和戽流消能简介 8.5 水流衔接消能新技术
8.3 挑流消能的水力计算
在泄水建筑物的下游端修建挑流坎，利用下泄水流的巨大动 能，将水流挑入空中，然后降落在远离建筑物的下游消能， 称挑流消能。是中高水头泄水建筑物常采用的消能方式。
第一种情况: 临界式水跃 ht = hc 第二种情况：远驱式水跃 ht hc 第三种情况：淹没式水跃 ht hc
8.2 底流消能的水力计算
淹没系数：
j
=
ht hc"
j 1 淹没水跃，值越大淹没程度越高。
临界水跃与远驱式水跃属于自由水跃。
淹没系数越大，消能系数越小，水跃长度越大。
（跃后断面比能增加，高速主流难以扩散）
带入 u1 的计算式，并忽略 h1，有：
L0 = 2S1 sin 2 1+
1+ a − ht
2S1 sin2
流速系数包含了水舌分散、掺气及空气阻力的影响。可采用 经验公式计算。
8.3 挑流消能的水力计算
2. 水下射程 L1
近似认为水舌从2-2断面起沿 入水角方向直线运动，则有：
L1
=
ts + tan
8.2 底流消能的水力计算
以 2-2 底部水平面为基准
H1
+
1v12
2g
= ht
+ 2v22
2g
+
v22 2g
z
=
H1
− ht
=
v22
2g '2
− 1v12
2g
1
= 1, v2
=
q ht
, v1
=
q h"
j c1
( ) z
=
q2 2g
(
1 ' ht
)2
−
1
j hc"1
2
' = 0.95
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8.2 底流消能的水力计算
水跃能量损失随跃前断面弗劳德数的增大而增加。 对矩形水平明渠， Fr1=5 时消能效率约为 50% ；Fr1=7 时约 为64%；Fr1=9 时约为70%。 水跃具有显著的消能效果，但必须对发生水跃的河段采取必 要的工程措施。
一般的水闸、中小型溢流坝、地质条件较差的泄水建筑物， 常采用底流式消能。
底流式消能的水力计算主要是判定水跃发生的位置，确定下 游的衔接方式。8.2 底流消能的水力计算
8.2.1 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 游水深 ht 的相对大小。可能 出现下列三种情况
8.3 挑流消能的水力计算
8.3.3 坎型式及尺寸的选择
常用的挑坎有连续式和差动式。后者将挑坎设计成齿状，将 挑坎水流分成上、下两层，增大垂向的扩散，减轻冲刷。
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