水力学泄水建筑物下游的水流衔接与消能

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泄水建筑物下游水流衔接与消能

第九章泄水建筑物下游水流衔接与消能本章要求掌握底流式衔接与消能的水力计算思路、步骤；计算收缩断面水深h c及其共轭水深h c〃，判断水跃衔接形式，计算消力池池深S、池长L k。

理解坎式消力池及挑流消能的水力计算原理和方法。

为了控制、利用水流，在河、渠中修建了堰、闸、跌坎等泄水建筑物，泄水建筑物的泄流宽度一般都小于原河渠宽度，使建筑物上游水位升高，因此经建筑物下泄的水流，大都具有较大的动能，特别是对于上游为高水头的泄流建筑物来说，下泄水流的流速可达每秒几十米，若不采取有效工程措施消除下泄水流能量，会冲刷紧接泄水建筑物的河槽，危及建筑物的安全。

如瑞士某大坝，上、下游水位差5m，河床冲刷深度却达12m。

所以，需在泄水建筑物下游设置消能工程，以消除下泄水流能量，保护建筑物的安全。

目前，实际工程中常采用的水流衔接与消能形式主要有三种。

1、底流式衔接与消能水流自闸、坝下泄时，势能逐渐转化为动能，流速增大，水深减小，到达C-C断面，水深最小，称该断面为收缩断面，其水深以h c表示，h c一般都小于临界水深，水流属于急流，而下游河渠中的水深h t常大于临界水深，属于缓流。

由急流向缓流过渡，必然要发生水跃，如图9-1a所示。

底流式衔接与消能就是在建筑物下游修建消力池（即水池图9-1b、c），控制水跃在消力池内发生，利用水跃消能（可消耗大部分下泄水流能量），同时可以减小急流范围，使水流安全地与下游缓流衔接。

在这种衔接与消能过程中，因为水流主流靠近河床底部，因此称这种衔接消能为底流式衔接与消能。

底流式衔接与消能多用于中、低水头及下游地质条件较差的泄水建筑物的消能。

图9-12、挑流式衔接与消能这种消能方式是利用在泄水建筑物末端修建的反弧坎，将下泄的水流挑离建筑物，使之落入下游较远的河道中，如图9-2所示。

挑射的水流在空中受到空气阻力，水舌扩散，消耗一部分能量。

落入下游水流中后，与下游水体碰撞，产生剧烈的混掺紊动，又消耗大量的能量，从而达到消能目的。

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。

泄水建筑物下游的水流衔接与消能

第13章泄水建筑物下游的水流衔接与消能13.1知识要点13.1.1泄水建筑物下游水流的特点及消能形式泄水建筑物下游水流衔接与消能的形式一般有三种，即底流消能、挑流消能和面流消能。

1.底流消能所谓底流消能，就是在建筑物下游采取一定的人工措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈紊动以达到消能的目的。

这种水流衔接形式由于高速水流的主流在底部，故称为底流式消能。

2.挑流消能利用出流部分的挑流鼻坎和水流所挟带的巨大动能，将下泄的急流挑射至远离建筑物的下游，使射流对河床造成的冲刷坑不致影响建筑物的安全，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水垫后通过两侧形成水滚而消除。

3.面流消能当下游水位较高，而且比较稳定时，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流旋滚隔开，可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。

由于衔接段中高流速的主流位于表层，故称为面流消能。

此外，还可以将上述三种基本类型的消能方式结合起来应用，如消力戽就是一种底流和面流结合应用的消能形式。

低于下游水位的消力戽斗，将出泄的急流挑射到下游水面形成涌浪，在涌浪的上游形成戽旋滚，在涌浪的下游形成表面旋滚，主流之下形成底部旋滚。

13.1.2底流消能的衔接形式和收缩断面水深的计算1.底流消能的三种衔接形式底流消能就是借助于一定的工程措施控制水跃的位置，水跃的位置决定于坝址收缩断面水深c h 的共轭水深ch ''与下游水深t h 的相对大小，可能出现下列三种衔接形式： 1）当t ch h =''时，产生临界水跃； 2）当t ch h >''时，产生远驱水跃； 3）当t ch h <''时，产生淹没水跃。

工程中，一般用ct h h ''/表示水跃的淹没程度，该比值称为水跃的淹没系数或淹没度，用j σ表示， c t j h h ''=/σ （13.1）当1>j σ时为淹没水跃；1=j σ时为临界水跃；1<j σ时为淹没水跃。

10 泄水建筑物下游水流衔接和消能

αv02
2g
下图给出了一个溢流坝下游收缩断面水深计算的示意
H
v0
P1
0
基准面
E
Ec
c hc
c
判断下游水面衔接形式
0
考虑上游0-0断面和c-c 断面的总水头
αv02
2g
E0hc2cvgc22vgc2hc(c)v2cg2
H
E0
P2
H0v02
2g
E
Ec
v0
P1
c
hc
基准面
0
c
判断下游水面衔接形式
0
αv02
考虑上游0-0断面和c-c 断面的总水头
2g
E0hc2 cvgc22vgc2hc(c)v2cg2
H
E0
P2
H0v02
2g
E
Ec
v0
P1
l et: 1
c
c
E0
hc
vc 2
2g 2
hc
基准面
0
c
αv02 2g
要求下游水位变幅不要大，这种消能方式有利于漂木、泄冰。
漩滚
主流
典型的面流
以下请看消力池中流态转变过程
底流
这是典型的底流，从挑流鼻孔中下泄的水流在消力池中形成水跃，主流和鼻坎之间的漩涡有助于消能。
自由面流下泄的主流
从鼻坎下泄的主流，在消力
池中抬高，水流漩涡把主流与
消力池底板隔开。
自由混合流
略去流速水头，不计水头损失
则单位宽度河床上每秒应消除的能量为 N ＝ γq ΔE ＝ 9800×80×60＝ 47000000 N-m/s = 47000 kW
这样巨大的能量，若不采取有效措施淘刷河床冲毁河堤甚至建筑物遭到破坏

第10章泄水建筑物下游水流的衔接

可得 d0hc02s0(H102gh qc2 202)
f(d0)hc022gh qc 2 2 02d0s0H 10A 0
以上计算出的 d 0 及 s 0 是池内及墙下游都发生临界水跃时的池深及墙高。实际采用的池深 d 比 d 0 略加大，而实际采用的墙高 s 比 s 0 略减小。

2.水下挑 L1的距计算
L1 L0l
l hpcot
cos
2s 2szs
cos
10.3.2挑射角
一般挑 1角 5~35
10.3.3反弧半径 R
R(4~10 )hc0
10.3.4挑坎高程的确定
一般鼻坎需高出下高游水最位 1~ 2m
10.3.5冲刷坑的估算
10.2.1水跃发生的位置和形式
当 h t h c 0 2 时为远离式水跃当 h t h c o 2 时为临界式水跃
当 h t h c 0 2 时为淹没式并效引入水跃系的数淹没
ht hco 2
对于远离水跃 1
对于临界水跃 1
对于淹没水跃 1
一般要 1.0求 ~ 51.10
10.2.2收缩断面水深的计算
Ha12vg0 2hc02vgc20v 2c2 g0
T0
hc0
()vc20
2g
T0

hc0

vc20
2g2
对任意T断 0hc面 02g ： Q22Ac20
v12
2g
以vt
hqt ,v1
q 代入上式
hc02
z2qg2 (11ht)2

第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能

第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能第一节概述一、问题的提出为了达到灌溉、发电、防洪等兴利目标，往往要在河渠上建造水闸、挡水坝等水工建筑物，用来调节河渠的水位和流量。

但这些水工建筑物的兴建，必然会改变天然河流原有的水流状态，主要表现在以下两个方面：①修建挡水建筑物之后，必然壅高上游水位，使挡水建筑物上游积聚了较大的水流能量（主要是势能），而挡水建筑物又不可能将上游源源不断的来水全部拦蓄在水库以内，必然要从溢洪道、泄洪洞、坝身泄水孔等泄水建筑物泄出一部分水流，在泄水工程中，上游水流积聚的势能必将转化为动能，使下泄水流具有较高的流速。

②由于水利工程枢纽布置的要求和为了节省工程造价，建筑物泄水宽度总是小于原有河床宽度，这就使得下泄流量相对集中，单宽流量较大。

而下游河道对同样流量有其与原河床的断面形状、尺寸、底坡、粗糙系数及其它地形地质条件相适应的正常流动情况，一般来讲，这种正常流动情况下，水流分布比较均匀，流速较小。

如此一来，就产生了从泄水建筑物泄出的高速集中水流如何顺利地衔接过渡到下游正常流动情况这一问题，即泄水建筑物下泄水流的衔接过渡问题。

如果对水流的衔接过渡不加控制，或者控制措施不当，都可能给工程建设造成严重的后果。

概括起来讲，会产生这样两个问题：第一，集中泄出的水流可能严重冲刷河床、河岸，甚至危害建筑物的安全。

第二，水流集中泄出，可能使下游水流在平面上形成不良的流动情况，影响枢纽的正常运行。

水力学中泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要任务就是在确保闸坝安全、工程费用较省而又合乎流态要求的条件下，研究消除余能的具体方式。

通过采取一定的工程措施，利用有效的衔接方式，使下泄水流挟带的余能在较短的距离内转化为热能、声能逸散于空气之中，避免冲刷河床岸坡，保证水工建筑物的安全。

而实现消能的唯一方式就是依靠水流内部的相互摩擦和碰撞，促使水流分散掺气。

因为水流内部相对运动越是急剧紊乱，消能效果就越好。

因此，工程实际中常常利用下泄水流形成的大的漩滚来消能。

第9章-泄水建筑物下游的水流衔接与消能

第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能
§1.9.1 概述
§1.9.2 底流式消能
§1.9.3 挑流式消能 §1.9.4 面流式消能 §1.9.5 戽流式消能
§1.9.1 概述
在水利工程中，河道上经常修建一些水工建筑物（挡水、泄水~溢流坝等），满足工程需要（泄洪、灌溉、发电…）。当建筑物建好后，往往改变天然水流的特性。从水力学的角度看，研究消能实质上是分析建筑物泄出的高速射流，按不同方式射入下游河道的低速广阔水域中，通过扩散、掺混作用，消散大量余能的过程。
2. 宽顶堰上的闸孔出流
hc 1e
1:闸孔出流垂直系数，e:闸门开度
二、底流衔接形式的判别
矩形断面的渠道，其收缩断面水深的共轭水深
2 2 h 8 q h 8 v // c c c c hc 1 3 1 1 1 2 2 ghc ghc
ht hc ht hc
e
'' '' ''
远驱式水跃临界式水跃
ht ht ht
=0
ht hc
淹没式水跃
j 1.05 ~ 1.10
α
α
三、消能池的设计
α
α α
z
d
消能池是工程中用来控制水跃并利用水跃以消除余能的水工建筑物。作用:使下游局部水深增加，形成稍有淹没的水跃。降低护坦高程护坦末端建造消能墙综合方式
按出泄水流与河床的相对位置分
1
α
底流衔接与消能
α
2 挑流衔接与消能

a
L1 L

h d
L2
3
面流衔接与消能
主流

水力学泄水建筑物下游水流衔接与消能

2
1
Байду номын сангаас
1
a ht
2S1 sin 2
ts ht
tan 2
a ht 2S1 cos2
冲刷坑深度估算用经验公式
坎型尺寸的选择：常用连续式挑坎，挑坎尺寸包括挑角、反弧半径、及挑坎高程，使用合理时可在同样的水力条件下射程最大，冲刷坑深度较浅
9.3 面流及消能戽简介
主流在表面，旋涡在下游，对河床的冲刷轻，有利于漂木、泄冰
应严格控制水下游水深，便其稳定并保持在相应范围内
通过水工模型试验可比较准确确定尺寸
消能戽是结合底流面流的一种综合消能方式
与底流比较：不需专门的消能池、工程量小
与面流比较：适应水深变化范围广，流态稳定
缺点：戽面戽端易被水流磨损，下游尾水波动大，冲刷岸坡
Ch9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
泄水建筑物下泄的高速水流对建筑物及河道的破坏大，需要消能
衔接与消能措施大致有三种：
底流式消能、挑流式消能、面流式消能，可结合使用或单独使用
9.1 底流消能的水力计算
应用面广，基本的消能型式
其水深计算公式从应用能量方程推导得
E0
hc
Q2
2gAc2 2
一般用试算法求解，也可借助于一些专门的图表来简化计算
2、在护坦末端修建消能坎的消能池坎高的计算
3、辅助消能工
4、护坦下游的河床保护
9.2 挑流消能的水力计算
优点是可以节省下游护坦，构造简单，便于维修，缺点是雾气大，尾水波动大
水力计算内容：按已知的水力条件选定适宜的挑坎型式、反弧半径、挑射角、挑流射程及下游冲刷坑深度
挑流射程：
L
2

长沙理工大学水力学考研复习资料第十章消能

1溢流坝、溢洪道、隧洞、水闸、……)：上游的势能大部分转化为下游的动能>>下游天然水流的能量→对下游河床的冲刷，且威胁建筑物本身的安全底流型衔接消能（Energy dissipation by hydraulic jump 在泄水建筑物下游修建消能池(Stilling basin)，池内形成水跃，其主流在底部，漩滚位于表层。

理论、技术比较成熟，适用于低水头的泄水建筑物，应用广泛。

漩滚在底部，主流在表层以免直接冲刷河床（有一定涌浪）。

由于衔接段主流在表层，故称为面流型衔接消能。

要求较高且比较稳定的下游水位．戽流型衔接消能（Energy dissipation by roller bucket ）与面流型衔接消能相比，增加一消能戽斗，形成戽旋滚和下游次生的表面旋滚，兼有底流型和面流型的水流特点。

利用高于下游水位的挑流鼻坎将水流向空中抛射至远离建筑物的下游，通过冲刷坑水垫中形成的旋滚和水舌与空气摩擦消除余能。

适用于岩基上的中、高水头泄水建筑物，应用广泛。

78第一节底流型衔接与消能一、底流型水流衔接与消能的原则1．泄水建筑物下游收缩断面的水深和流速图形ϕ0.85～0.9514二、泄水建筑物下游衔接形式h c 的跃后水深()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=−+=′′18121812322c c cccgh q h Frh h h t =h c "，临界式水跃衔接。

h t ＜h c "，远驱（离）式水跃衔接h t ＞h c "，淹没式水跃衔接远离式水跃要求过长的护坦临界水跃不稳定17降低护坦后的收缩断面水深为h c1，其相应的跃后水深为h c1″消能池末端水深h ＝σh ″h c1满足方程与d 有关21221002c c h g q h d E E φ+=+=′在升坎两侧列能量方程（以下游水面为基准面）：gv g v z 2)1(22221ζ+=+Δ池的轮廓尺寸。

H = 5 m ，h t = 3 m 。

第九章-泄水建筑物下游的水流衔接

hc1 4.77 0.475 2.27m hc1 4.77 1.82 8.68m 因hc1 8.68 10故坎后为淹没水跃衔接。可取坎高c 8.54m
三消力池长度LK 计算 LK 0.7 ~ 0.8 Lj Lj 10.8hL FrL 1 0.98
Frc
q2 ghc3
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能
• 9-1 试求实用断面堰下游收缩断面的水深，并判断下游的水跃衔接形式。
• 已知：高坝p1与p2均为 7m ；单宽流量 q 为 8m3/s-m ；流量系数 m 为0.49；流速系数φ为 0.95；下游水深ht为3m。
• 解： • （一）计算收缩断面水深ｈc因ht< p2为自由出
先假设消能坎为非淹没堰，即s 1
取消能坎的流量系数m1 0.42则
H10
（ q
sm1
）2 / 3 2g
（
32.6
）2 / 3
1 0.42 29.8
6.74m
q2
32.62
H1 H10 2g
jhc
2
6.74 2 9.8 1.0514.32
6.48m
c jhc H1 1.0514.3 6.48 8.45m
设d 0.9m 于是
E0 E0 d 9.4 0.9 10.3m
c
E0 hk
10.3 1.87
5.51
0.95 查附图1得：c1 0.327，c1 2.31
hc1 0.3271.87 0.61m
hc1 2.311.87 4.32m
Z
q2 2g
[
1
ht
2
1
jhc1
解：根据已知数据可得 p1 250.15 180 70.15m H 267.85 250.15 17.7m p1 70.15 3.96 1.33为高坝 H 17.7 ht 210.5 180 30.5m a 218.5 180 38.5m z 267.85 210.5 57.35m S1 267.85 218.5 49.35m p 250.15 218.5 31.65m

泄水建筑物下游水流的衔接与消能

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。

ξ9-2 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h c 。

且一般h c < h k ,则根据下游河道水深h t 与h c"的相对大小，水流存在有三种水跃型式产生。

(h c "= h t ) 临界式水跃 h c">h t运驱式水跃h c "<h t 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h c 的计算。

水利讲义0泄水建筑物下游水流衔接以及消能

可见，底流消能的效果十分显著。所以，中小型溢流坝或者地质较差的各类泄水建筑物多采用底流消能。这是一种基本的消能形式，我国获得广泛应用。
底流消能的水力计算任务：
分析建筑物下游的水流衔接形式判定水跃发生的位置确定必要的工程措施
10.1.1 泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
0
判断下游水面衔接形式
淹没系数定义为远驱式水跃
j

ht hc "
j

ht hc "
1
临界水跃
j
ht hc "
1
淹没水跃
j

ht hc "
1
工程设计中
j

ht hc "
1
淹没水跃
淹没水跃系数
j

ht hc "
1.05 ~ 1.10
水跃稳定、消能效果好、淹没程度也不大

j

ht hc "
1.2
随下游水深的升高，在主流的下游，形成一个漩滚区，类似底流，在鼻坎下部也有一个漩涡，把主流与消力池底板隔离，是面流。
淹没混合流
鼻坎附近形成有三个漩滚，鼻坎底下为漩滚，上部为主流，漩滚将主流与底板隔离，这部分属于面流。
最下游的漩滚为水跃漩滚，底流位于底部，这部分为底流。
最上游的漩滚标志着淹没水跃。
hc
基准面
0
c
αv02 2g
H
P1
0
E0
hc
cvc2 2g

vc2
2g
hc
(c

) vc2 2g
E0

P2

水力学(7)

)
vc 2 2g
任意断面
Q2
Eo hc 2g 2 A2
矩形断面
Eo
hc
q2
2g 2hc 2
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第二节底流式衔接与消能
坝的流速系数 1 ac
斯克列勃柯夫公式
1 0.0155 P
H
水科院公式
( P 30) H
q2/3 (
) 0.2
s
q为单宽流量，s 为坝前库水位与收缩断面底部的高程差
ht hc " 淹没式水跃
需要消能不需要消能
工程中采常采用稍有淹没的水跃衔接消能，即
j
ht hc "
1.05
~ 1.1
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第二节底流式衔接与消能
二、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
H
P1
ao vo 2 2g
hc
acvc 2 2g

Eo
hc
(ac
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第三节挑流消能的水力计算
空中消耗了部分余能水垫消能
下游局部冲刷挑流引起的雾化水滴
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第三节挑流消能的水力计算
一、挑距的计算 L LO L1
(一)空中挑距的计算
L0 12s1 sin 2 1
1
a
12 s1
ht sin 2
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第二节底流式衔接与消能
三、消能池的水力计算挖深式消能池
坎式消能池
综合消能池
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第二节底流式衔接与消能
（一）挖深式消能池的水力计算

泄水建筑物出流与下游衔接和消能

（挖深式消能池计算）
MF2Hs0b4***
题
目
某 WES 堰,顶设计水头Hd = 3.2 m，设计水头下
溢流堰流量系数 md = 0.502, 流速系数为0.95，上下游堰高均为 30 m,下游水深 ht = 4.6 m。
（1）不考虑侧收缩影响，求通过溢流堰的单宽设计流量q ；（2）判断通过设计流 H 量时，堰下游水流衔接形式，若需要建消能工，则 p1 ht 进行挖深式消能池的水力计算。
解题步骤
(3) 面流消能：当下游水流较深而且较稳定时，常将建筑物末端做成水平垂直跌坎，跌坎顶部低于下游水位，如图 3 所示。下泄的水流被送到下游水流表层，底部形成巨大的旋滚，表层主流在垂直方向逐渐扩散，并与下游水流衔接。其消能是在主流底部旋滚和表层主流扩散的过程中实现的。因为主流位于表层，故称为面流消能与衔接。底部旋滚图3
解题步骤
物末端的反弧挑坎，将下泄水流挑入空中，使之落入下游距泄水建筑物较远的下游河道，如图 2所示。挑射水流在空中受到空气阻力，水舌紊动、扩散、掺气，消耗一部分能量，落入下游河道后与水体碰撞产生剧烈的混掺紊动，冲刷河床，消耗大量的能量，从而达到消能目的。挑流消能多用于高水头、下游河床地质条件好的建筑物下游消冲刷坑能。图2
2
c h1
hc L c (b)
1
ht hc" L1
2
1
ht < hc"
解题步骤
(3)当 ht > hc : 这种情况与 (2) 正好相反。水跃被水深较大的下游水流向上推移，收缩断面被淹没，从而形成了淹没水跃衔接，如图(c)所示。
c
c (c)
2 ht hc" 2

泄水建筑物下游

s 和 0 分别为河床颗粒和冲刷坑内掺气水流的容重；
d90 为河床颗粒的一个特征粒径，表示小于该粒径的
颗粒重量占90%；
为反映流速脉动的系数（1.5~2.0）
12
2、对于岩石河床，估算冲刷坑深度的经验公式：
tsksq0.5z0.25ht
式中：z 为上下游水位差；
q 为水舌入水单宽流量；
S
P

15
泄水建筑物下游的水流衔接与消能
1
内容概要：
什么是“消能”？为什么要消能？如何消能？
9-1 概述 9-2 挑流消能 9-3 底流消能 9-4 面流及戽流消能简介
2
9-1 概述什么是“消能”？
势能动能紊动能热能
3
为什么要消能？
[例] 下图中，单位宽度河床上每秒应消耗能量： N=ㄚq∆E
1

1
v
2 1
2g
E1
∆E
2

1
v
2 1
2g
v1 h1 1
E2 h2 v2 2
4
常用的水流衔接与消能方式
拱坝坝身挑流消能（二滩原型）溢洪道挑流消能（瀑布沟模型）
5
底流消能
6
面流消能
7
9-2 挑流消能
定义：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，主要通过入水后主流周围的强烈漩滚达到消能的目的。
ks 为反映岩基特性的系数（如下表）
岩基状况
岩基类型
ks 值
节理很发育，岩石成碎块状
IV
1.5~2.0
节理发育，岩石成块状
III
1.2~1.5

水力学——泄水建筑物下游的水流衔接与消能

第二节底流式衔接与消能一、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：
E
PH
h (
)
V c
2
0
`
0
c
c
2g
令流速系数 1
c
E h
V2 c
0
c 2g 2
E h Q2
0
c 2gA 2 2
c
对矩形断面： E h q2
0
c 2gh 2 2
c
二、泄水建筑物下游水跃衔接形式及其对消能的影响
称为淹没式水跃衔接。
水跃的淹没程度用水跃淹没系数表示：
h t
j h
c
工程中常采用淹没系数为 1.05 ~ 1.10 的淹没水跃
j
三、消能池的水力计算
1．降低护坦高程所形成的消能池
（1）消能池深度d的计算：
A、计算护坦高程降低后的收缩断面水深
E E d h q2
0
0
2gh c1
2
2
c1
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、流速分布护坦高程降低后的收缩断面水深的跃后水深
h
h c1
(
18 q2
1)
c1
2
gh 3
c1
C、计算消能池出口处的水面跌落
q2 1
1
z [
]
2g (h )2 ( h)2
t
j c1

水力学第九章泄水建筑物下游水流消能与衔接赵

外。
Lk = (0.7 ~ 0.8)Lj
对闸孔出流下的消力池，池长可按下式计算：
Lk = (0.5 ~ 1.0)e + (0.7 ~ 0.8)Lj
护坦末端修建消能坎所形成的消力池
坎高c的确定：
c = hT − H1 = σ jhc′′ − H1
H1
=
H10
−
v12 2g
=( q
σ sm
2g
下游水流波动大、挑流鼻坎易气蚀破坏及雾化严重；当河床基岩破碎或河床狭窄岸坡陡峻时，可能造成河床严重冲刷或岸坡塌滑。
选定鼻坎形式、确定反弧半径、坎顶高程和挑射角，估算水股挑距、冲坑深度以及对建筑物的影响等。
挑流射程的计算
挑流射程L应包括空中射程L0和水下射程L1，即：
L = L0 + L1
hc′′ = ht 临界水跃
hc′′ > ht 远离水跃
hc′′ < ht 淹没水跃
收缩断面水深的计算
选通过下游收缩断面底
部水平面为基准面，列
堰上游断面0-0及下游
收缩断面c-c的能量方
程，得
P2
+H
+ α0v02
2g
= hc
+ αcvc2
2g
+ζ
vc2 2g
E0
=
P2
+
H
+
α0v02ຫໍສະໝຸດ )2 / 3−q2 2 ghT2
=
(
σ
q sm
2g
)2 / 3
−
q2
2g(σ jhc′′)2
消力坎式消力池设计注意事项
在开始计算时，由于坎高尚未确定，无法判别过坎水流是否为淹没出流。因此，需试算求解坎高c。

第9章泄水建筑物下游的水流衔接与消能

9.2 挑流消能的水力计算
9.3 面流及消能戽消能简介
2
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能

问题的提出
天然河道中的水流，一般多属于缓流，水流流量沿河宽方向的分布较均匀。但河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生较大变化，从而引起一系列水力学问题。具有如下特点： 1.建坝后的水头增加,下泄水流的流速增大，即流速高； 2.建坝时，为节省工程造价，使泄水建筑物的泄水宽度比原河床宽度小，使泄水时的单宽流量加大，即水流集中。 ∴泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床具有较大的破坏力。
v0
2g
2g
v2 Z2 2
4
h1 1
可能引起的不良后果：
引起河床严重冲刷例如奥地利的列伯令(Lebring) 坝，上下游水位落差为11.35米，砂卵石河床，冲刷坑的深度达到12米，可见冲刷之严重性。因此，在设计水工建筑物时，要选择合理的水流衔接形式，采取必要的工程措施，将泄水建筑物下泄水流的部分动能加以消除和转变为势能，即所谓消能问题，以改善水流状态，保证建筑物的安全。
水跃向下游移动，跃前断面远离收缩断面修消缺点：保护段长，不经济能池
(c) ht > hc〞淹没式水跃衔接
水跃涌向上游并淹没了收缩断面
缺点：随着淹没程度的增加，消能效果下降
26
水跃淹没系数σj：
j
ht hc
>1，淹没水跃
＝1，临界水跃 <1，远驱式水跃非淹没水跃
护坦长度：远驱式水跃临界式水跃
P
29.0 0
c hc c 27.0 0
30.0 0 ht
qc 11 1.571m P H 25