挑流消能(冲坑计算)
挑流消能计算
流速v 鼻坎挑角θ 溢流坝面与水平面的夹角φ c 溢流坝面与挑坎末端切线的夹角β o 出射水流与溢流坝面的夹角α 反弧半径R 溢流坝面末端水深h1 R/h1 α /β o 水舌射出角θ s 坎顶高程 下游水面高程 鼻坎顶点与下游水面高差△S 水上挑距xp
挑流消能水力计算（适用于鼻坎前为陡槽的挑流消能计算） 冲刷坑深度计算（校核流量） 12.57 单宽流量q 37.125 21 坎顶流速水头v2/2g 8.061474 3.43 坎顶水面到下游水面高差 31.519 24.43 上下游水头差z 39.58047 19.544 下游水深ht 3.515 14.6 抗冲系数K 1.4 2.954 冲刷坑深度t 17.88095 4.9425 水下挑距计算 0.8 水舌外沿与下游水面的夹角β 的正切值 1.996077 16.114 水下挑距Lc 10.719 412.08 总挑距L 40.89021 383.52 0.437292 28.565 30.171 冲刷坑深度计算（30年一遇洪水） 单宽流量q 13.625 坎顶流速水头v2/2g 5.412755 坎顶水面到下游水面高差 31.5858 上下游水头差z 36.99856 下游水深ht 1.817 抗冲系数K 1.4 冲刷坑深度t 10.92808 水下挑距计算 水舌外沿与下游水面的夹角β 的正切值 9.435542 水下挑距Lc 1.350752 总挑距L 36.66647 0.29804
空中挑距计算（30年一遇洪水） 流速v 10.3 鼻坎挑角θ 21 溢流坝面与水平面的夹角φ c 3.43 溢流坝面与挑坎末端切线的夹角β o 24.43 出射水流与溢流坝面的夹角α 23.575 反弧半径R 14.6 溢流坝面末端水深h1 1.3228 R/h1 11.037 α /β o 0.965 水舌射出角θ s 20.145 坎顶高程 412.08 下游水面高程 381.82 鼻坎顶点与下游水面高差△S 30.263 水上挑距xp 35.316 挑流消能中起挑流量计算
附录一泄水建筑物水力设计计算公式
附录一泄水建筑物水力设计计算公式一、堰面曲线1.开敞式溢流孔的堰面曲线。
采用幂曲线时按下式和附表1计算。
(附1)式中 Hs为定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hzmax的75%～95%计算(m)，其它符号见附图1，数值见附表1。
附表1上游坝面坡度k n垂直(3∶0) 2.000 1.8503∶1 1.936 1.836 原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为式中 aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴。
若上游面垂直，其长轴aHs和短轴bHs可按以下关系选定：附图1采用倒悬堰顶时(如附图1)，应满足。
定型设计水头选择及堰顶可能出现的最大负压值参照附表2。
定型设计水头Hs情况下的流量系数m和其他作用水头Hz情况下的流量系数mz的比值参照附表3。
2.设有胸墙的堰面曲线。
当校核情况下最大作用水头Hzmax (孔口中心线上)与孔口高(D)的比值时；或闸门全开时仍属孔口泄流，即可按下式计算：(附2)式中 Hs——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%；——孔口收缩断面上的流速系数，一般取=0.96；若孔前设有检修闸门槽时取=0.95。
其余符号参照附图2。
附图2原点上游可用单圆，复式圆或椭圆曲线，与胸墙底缘通盘考虑。
若时，应通过试验决定。
附表2Hs/Hzmax 0.75 0.775 0.80 0.825最大负压值(m) 0.5Hs 0.45Hs 0.4Hs 0.35HsHs/ Hzmax 0.85 0.875 0.90 0.95 1.0 最大负压值(m) 0.3Hs 0.25Hs 0.2Hs 0.1Hs 0.0Hs附表3Hz/Hs 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 mz/m 0.85 0.90 0.95 0.975 1.0 1.025 1.07二、泄水建筑物泄水能力计算公式1.开敞式溢流孔的泄水能力可按下式计算：(附3)式中 Q——流量，m3/s；B——溢流堰净宽，m；Hz——堰顶作用水头，m；g——重力加速度，m/s2；mz——流量系数，初设时在定型设计水头作用的情况下，当(P为堰高，m)时，取mz=m=0.47～0.49；当时，取m=0.44～0.47；——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，初设时可取=0.90～0.95；——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时=1。
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。
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。
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。
水力学 第八章课后题答案
8.1 泄水建筑物下游常采用的水面衔接及消能措施有哪几种？它们各自 的水流特征是什么？ 答：底流式消能、挑流式消能、面流式消能。 底流式消能：高速流的主流在底部。 挑流式消能：下泄水流余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游 河道后被消除。 面流式消能：高速流的主流位于表层，避免主流对河床的冲刷，余能通 过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流相互作用而消除。
Frc
q2 ghc3
32.62 9.8 0.993
10.57
Lj 10.8 0.9910.57 1 0.98 87.37
LK 0.7 ~ 0.8 Lj 61.2 ~ 70 m
可取LK 65m
8.7 某电站溢流坝为3孔，每孔宽b为16m；闸墩厚4m； 设计流量Q为6480m3/s；相应的上、下游水位高程
p1 H
7 2.4
2.92
1取H H 0 2.4m E 0 p2 H 0 7 2.4 9.4m
hk
aq 2 3 g
3
1 82 9.8
1.87m
c
E0 hk
9.4 1.87
5.03，
0.95
由公式8.5，试算得：
hc 0.636m hc 4.2m 因hc ht故下游产生远驱式水跃衔接，需要修建消力池。
及河底高程如图所示。今在坝末端设一挑坎，采用 挑流消能。已知：挑坎末端高程为218.5m；挑角θ 为250；反弧半径R为24.5m。试计算挑流射程和冲 刷坑深度，下游河床为Ⅲ类岩基。
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
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。
弯曲溢洪道挑流消能冲刷坑的研究
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弯 曲溢洪道挑流消能冲刷坑 的研究
周 丽 丽 ， 维 东 ， 滨 ， 郭 闫 董延 超 ， 海 欣 李
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ＺＨＯＵ Ｌ －ｌ‘ ｉ ｉ，ＧＵ０ Ｗ ｅ － ｏ ｇ ，ＹＡＮ Ｂｉ ｉｄ ｎ ｎ ，ＤＯＮＧ Ｙａ —ｃ ａ Ｉ ｎ ｈ ｏ ，Ｌ Ｈａ—ｘ ｎ ｉ ｉ
（ ， ｏｌ ｅ ｏ ｔｒＣ ｎ ｅｖ ｎ ｙ Ｓ ｅ ｙ ｎ ｇｉｕｔｒｌ Ｕ ｉｅｓ ｙ Ｓ ｅ ｙ ｎ １ １ ｈｎ ； １ Ｃ ｌ ｇ ｆＷａｅ ｏ ｓ ｒａ ｃ ， ｈ ｎ ａ ｇ Ａ ｒ ｌ ａ ｎｖ ｒｉ ， ｈ ｎ ａ ｇ １ ０ ６ ，Ｃ ｉａ ｅ ｃ ｕ ｔ １
墙 ） 善 不 对 称 人 流 条 件 ， 过 模 型 试 验研 究 了弯 曲溢 洪 道 挑 流 消能 冲刷 坑 在 设 置 隔 流墙 前 后 的 形 态 变 化 及 破 坏机 理 。试 验 结 果 改 通 表 明 ： 流 墙 的 设 置 减 小 了 冲 刷 坑 深 度 ≥２ ｅ 范 围 ， 使 冲 刷 坑 大 致 呈 对 称 分 布 善 了 不 没 置 隔 流 墙 时 冲 刷 坑 较 深 ， 偏 向较 隔 ０ｍ 并 改 且 大 的情 况 。 关键 词 ： 曲溢 洪 道 ； 流 消能 ： 刷坑 ； 流墙 弯 挑 冲 隔
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
消能zhu
(2)计算d=1.1m时,△z
q 2 1 1 6 2 1
1
z 2 g [ ( h t ) 2 (j h c 1 ) 2 ] 1 9 . 6 [ ( 0 . 9 5 3 . 0 5 ) 2 ( 1 . 0 5 4 . 0 7 ) 2 ] 0 . 1 2 m
（3）计算池中跃后水深及水跃的淹没程度
C
ht ht ht
水深 h c 与下游水深ht的 相对大小。
C
ht hc 则跃前断面恰好在收缩断面处，称为临界式水跃
ht hc 则跃前断面在收缩断面的下游，称为远离式水跃
ht hc 则跃前断面在收缩断面的上游，称为淹没式水跃
水跃的淹没系数
j
ht h c
工程上采用稍有淹没的水跃,σj取值为1.05~1.10
初估池深的近似公式 djhc ht
消能池长度Lk的计算 Lk(0.7~0.8)Lj
例题：某溢流坝为WES剖面，上、下游坝高均为10m， 坝顶部设闸门控制流量。今保持坝顶水头H=3.2m，调节 闸门开度，使单宽流量q=6m3/s.m，相应的下游水深 ht=3.05m。试判别坝下游是否需要设置消能措施？若需 要设置消能措施，且采用降低护坦式的消能池深d=1.1m 时，能否满足要求？
3、面流式消能(surface flow energy dissipation)
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。
4、戽流型衔接消能 一种底流和面流结合的消能形式。
在建筑物末端设置一个大反弧的低鼻坎，下游水位高于鼻坎， 高流速的水流通过鼻坎挑离河床，在反弧及坎后分别形成戽内漩 滚、底部漩滚和浪尾三个大漩滚及涌浪（三滚一浪），以达到消
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。
挑流消能几个问题之管见
对未来研究的建议与展望
建议开展更多关于挑流消能装置优化设计的研究，以进一步提高其能量转化效率和稳定性。 探索挑流消能在其他能源利用领域的应用，如风能、太阳能等。 期望未来研究能够进一步拓展挑流消能技术的应用范围和领域，为人类社会的发展做出更大的贡献。
感谢您的观看
THANKS
02
挑流消能的应用场景
水电站的应用
01
挑流消能技术在水电站中的应用具有广泛性，主要应用于高拱 坝大流量消能。
02
挑流消能能够将水流挑入空中形成水雾和水滴，从而消除水流
的动能和势能，达到消能的目的。
在应用过程中，需要合理确定挑流消能建筑物的高度、宽度和
03
间距等参数，确保消能效果和安全性。
河流治理的应用
03Βιβλιοθήκη 保证挑流消能工的 安全性和稳定性这是关系到挑流消能工能否长期 稳定运行的关键问题，需要采取 多种措施进行保障。
挑流消能的优缺点
优点
挑流消能工具有结构简单、布局灵活、消能效率高等优点，是一种高效的消 能方式，在国内外水利工程中得到了广泛应用。
缺点
挑流消能工也存在一些缺点，如对河床地质条件要求较高、对水流条件要求 较严格、容易受到河床演变的影响等，需要在实际应用中进行深入研究。
确定挑流消能工的参数
根据实验和实践数据，来确定挑流 消能工的主要参数，如挑流角度、 消能率等。
挑流消能的关键技术
01
确定挑流消能工的 适用条件和布局
这是关系到挑流消能工能否成功 运行的关键问题，需要结合实际 情况进行深入研究。
02
优化挑流消能工的 结构形式和参数
这是提高挑流消能效率和质量的 关键问题，需要进行充分的实验 和理论研究。
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。
挑流射程及冲坑深度(规范公式)
（重力坝）
一、输
上游最高 洪水位 741.25 单 宽 流 量 6.333 流 能 比 0.022 下游最高 水 位 714.16 冲 坑 系 数 1.300 坝 面 流速系数 0.856 挑流鼻坎 顶部高程 720.80
入
参
数
挑射角 25.00 下 泄 溢洪道 最大流量 净 宽 190.00 30.00
二、中
单 宽 流 量 18.180 流 能 比 0.178 sin(a) 0.259 A 51.829
间
数
据
坎 顶 坎 顶 水面流速 垂向水深 10.220 14.865 1.108 落差 C 14.801 D 688.582 h2 34.000
cos(a) 0.906 B 13.472
三、计
深度： 深度：射程 1 2.76
下 游 地面高程 713.00
二、中
sin(a) 0.423 A 136.330
间
数
据
坎 顶 坎 顶 水面流速 垂向水深 20.450 18.866 0.304 落差 C 63.572 D 158.949 h2 7.800
cos(a) 0.906 B 17.099
三、计
深度： 深度：射程 1 6.33
算
成
果
挑流射程 L (m) 39.911
冲 坑深 度 ts(m) 6.304
赤水市柏杨坪水库双曲拱坝挑流计算
一、输
上游最高 洪水位 603.22 折减系数 下游最高 水 位 565.30 0.90 冲 坑 系 数 1.400 坝 面 流速系数 0.954
入
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
参
数
下 游 下 泄 溢洪道 挑流鼻坎 挑射角 顶部高程 地面高程 最大流量 净 宽 593.00 559.00 15.00 909.00 50.00 84.00 鼻坎末端拱坝内半径
溢洪道计算冲坑对下游路基的影响
３ ６４ 闸室段长 １ 宽 度 为 ３孔 ６ｏｉ， 型采 用 低折 ５ ． ０ｍ， ５ｍ， ． 堰 ｎ 线堰 ， 堰顶高程３７ １ 陡坡段坡 降维持 原状不 变 ， 别为 ５ ． ０ｍ， 分
ｉ ． ７ 、：０４ ， ＝０ １５ ｉ ．０ 长度 为８ 分缝处 均设置 止水 。挑流段 ０ｍ，
路基 的防洪标准 为２ 一遇 。 ５ａ 溢洪道堰 顶净 宽 １． 堰 顶高 程 为３ ７ １ 堰 流 系 ８０ｍ， ５ ． ０ｍ， 数 Ｍ 采 用 １６ 防 洪 规 模 复 核 结 论 ： 库 汛 限 水 位 为 ．７， 水
３ ７ １ ｌ ０ａ 遇 洪 水 为 ３９ ７ Ｉ相 应 泄 量 为 １２ｍ ／ ， ５ ． ０ｎ， 一 ３ ５ ． ８Ｉ， Ｔ ３ ｓ
流式 消 能和 挑流式 消能 两 种 型 式 进行 综合 比较 。由 于底
参 考文 献 ：
流消 能方 式基 础石 方 开 挖 量大 ， 墙 高 度 大 ， 边 总造 价 比挑
［ ］ 水利部天津水利水 电勘测设计研究院 ． Ｌ５ ２ ０ １ Ｓ ２３— ０ ０溢 洪道设
流消 能型 式造 价高 ４ ０万元 ， ２ 因此 ， 计 推荐 消 能方 式 采 设
按 照地质边坡建 议值勾 画冲坑 ，０ａ 遇洪水 情况 下 冲坑对 ３ 一
３ 溢洪 道计 算？ 中坑对 左侧公 路 的影 响
东 宁县 九佛 沟水库 除 险加 固工 程初 步 设计 阶段 ， 对底
路基基本没有影响。
建议水库管理单 位加 强 对溢 洪道 冲坑 形成 过程 进行 观 测 ， 时掌握冲坑发展情况 ， 加以防护 。 及 并
文 章 编 号 ：０ ７— ５ ６ ２ １ ）４— １４— ２ １０ ７９ （０ １ ０ ０ ２ ０
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-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
10、反弧半径
Rmax
26.1m
Rmin
11、高溢流坝的坝面能量损失
10.4m
(1)、切点坐标
Xt
13.642
Yt (2)、曲线段Lc，t
10.527
(3)、直线段的长度Ls，t
(4)、反弧段的长度Le
2.9
0.60
0.38
3
0.64
0.39
3.1
0.68
0.41
3.2
0.72
0.42
3.3
0.76
0.43
3.4
0.81
0.44
3.5
0.85
0.45
3.6
0.90
0.46
3.7
0.94
0.47
3.8
0.99
0.48
3.9
1.04
0.49
4
1.09
0.50
4.1
1.14
0.51
4.2
1.19
0.52
对于采用WES型堰面的高坝坝头头部水面线
WES曲线与下游曲线
堰面的定型设计水头Hd
8.180m
系数k
2 坝坡系数a
1堰、面无的中定型设计水头Hmax 墩时的水
H/Hd X/Hd
-1.0
0.5 -0.490
1 Y/Hd
-0.933
9.610m 上游堰坡系数n
介于 1.33 0.5~1.33
-1.210
5.7
2.10
0.68
5.8
2.17
0.69
5.9
2.23
0.70
6
2.31
0.71
6.1
2.38
0.72
6.2
2.45
0.73
6.3
2.52
0.74
6.4
2.60
0.75
6.5
2.67
0.76
6.6
2.75
0.77
6.7
2.83
0.78
6.8
2.91
0.79
6.9
2.99
0.80
7
3.07
0.81
△H -0.01 0.00
正交于坝面水深h 2.605m 2.614m
2.590m 20° 18.68
9.61
30.00m
58.33
0.00
2.643m
9、自然掺气开始发生点的位 置 (1)、经验公式
a) Lk=12.2*q^0.718 b) Lk=14.7*q^0.53
229.00 128.04
-0.465 -0.320
-0.705 -0.569
4.908 -3.8037 6.544 -2.6176
1.0
0.258
-0.145 -0.411
8.18 -1.1861
1.2
0.470
0.055 -0.220
9.816 0.4499
1.4
0.705
0.294 -0.002
11.452 2.40492
4、计算边界层厚度δ(m)
K
Bauer公式
0.297m
0.5
韩立公式
0.277m
5、计算单宽流量 q=
59.38m3/s
m 溢洪道泄流量Q
1750
0.45
6、直线段的水面线推求
hp
Yi
H
3.107m 10.52 9.60
2.980m 12
9.60
2.903m 13
9.60
2.831m 14
9.61
2.765m 15
X -8.18
1.85
Y -7.63194
切点坐标
-0.8 -0.484
-0.915 -1.185
-6.544 -7.4847
-0.6 -0.475
-0.893 -1.151
-4.908 -7.30474
-0.4 -0.460
-0.865 -1.110
-3.272 -7.0757
-0.2 -0.425
7.1
3.15
0.82
7.2
3.23
0.83
7.3
3.31
0.84
7.4
3.40
0.85
7.5
3.48
0.86
7.6
3.57
0.87
7.7
3.66
0.88
7.8
3.75
0.89
7.9
3.83
0.90
8
3.93
0.91
8.1
4.02
0.92
8.2
4.11
0.93
8.3
4.20
0.94
8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 10 10.1 10.2 10.3 10.4
1.278 0.5
0.860
1 Y/Hd
0.465
14.724
介于 1.33 0.5~1.33
X
7.0348 Y
-1.0 -0.495
-0.950 -1.235
-8.18 -7.771
-0.8 -0.492
-0.940 -1.221
-6.544 -7.6892
-0.6 -0.490
-0.920 -1.209
0.1
0.00
0.02
0.2
0.00
0.04
0.3
0.01
0.06
0.4
0.02
0.07
0.5
0.02
0.09
0.6
0.03
0.10
0.7
0.04
0.11
0.8
0.06
0.13
0.9
0.07
0.14
1
0.08
0.15
1.1
0.10
0.17
1.2
0.12
0.18
1.3
0.14
0.19
1.4
0.16
0.21
9.816 0.54806
1.4
0.675
0.286 -0.011
11.452 2.33948
1.6
0.925
0.521
0.208
13.088 4.26178
1.8
1.177
0.779
0.438
14.724 6.37222
整个坝面（包括直线段）上的不掺气水面线计算
堰曲线方程
X
Y
Y'
0
0.00
0.00
1.0
0.257
-0.202 -0.564
8.18 -1.65236
1.2
0.462
0.015 -0.356
9.816 0.1227
1.4
0.705
0.266 -0.102
11.452 2.17588
1.6
0.977
0.521
0.172
13.088 4.26178
2、Ⅱ型1.8 有中墩时
H/Hd
X/Hd
4.30 4.39 4.49 4.58 4.68 4.78 4.88 4.98 5.08 5.19 5.29 5.39 5.50 5.61 5.71 5.82 5.93 6.04 6.15 6.26 6.38
0.95 0.96 0.97 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.13
正交于坝面水深h 2.605m 2.614m
2.643m
正交于坝面水深h 势流流速vp
2.643m
22.52 m/s
7、反弧段前部分水面线推求