挑流式消能
简述挑流消能在泄水中的应用及种类
简述挑流消能在泄水中的应用及种类作者：李施衡来源：《建筑与装饰》2018年第07期摘要针对挑流消能适用条件，以及各种挑流消能的方式，对各种挑流方式进行综合性分析讨论，并得出不同调流方式在坝体的综合性应用。
关键词挑流；鼻坎；雾化引言在水利过程中，坝体泄水建筑物下泄产生的高速水流具有以动能为主的大量机械能，此巨大水头可能对下游河床产生强烈的冲击。
如若不能够正确处理，则无法保证泄洪时候的安全。
因此，合理的泄水措施是保障工程安全，发挥坝体综合效益的有利报账。
因此不可避免的就要进行消能防冲，本篇文章主要讲挑流消能。
挑流消能是指在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到离鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑和一定的尾水深度所形成的水垫中消能。
1 挑流消能适用条件及挑流的研究意义挑流消能的主要优点有：鼻坎结构简单，造价低，发生空蚀或者磨损后易于检修。
鼻坎位于尾水位以上，不受尾水位变幅的影响。
仅水垫深有所差异，只要冲坑远离坝角或泄水建筑物出口仍将安全，对挑流坎上的单宽流量q1适应性最强，其消能效果主要是利用坎上流速，使水舌远离坝角，冲击河床形成冲坑旋滚，消耗大部分能量。
而冲坑深度的大小与水舌入水散度关系甚大。
挑流消能一般不需要咋下游河床修建保护工程，因而工程最少，节省投资，同时设计施工方便，运行也可靠，因此在国内外得到广泛的应用[1]。
2 挑流的结构组成挑流消能的基本体型参数只有反弧半径，射出角，此外还有鼻坎高程及坎唇高度。
2.1 鼻坎高程鼻坎高程愈低，鼻坎出口段面上的水流流速也愈大，水舌挑距也相应增加。
但为保证水舌下面有足够的通气空间，使水舌与建筑物之间的空间不至于因水舌带走的空气得不到足够的补充而出现真空，鼻坎不能太低，一般应使鼻坎高出下游水位1到2米。
2.2 反弧半径反弧段水流的运动研究结果表明，当反弧半径减小到某一临界值时，即临界返弧半径时，返弧段将出现水深度急剧增大，流速系数急剧减小的过程。
关于挑流消能挑距计算公式的应用分析
关于挑流消能挑距计算公式的应用分析挑流消能挑距计算是流体力学中一项重要的计算方法，主要是计算流体运动中的能量损失，为流体在流态条件下的学习提供重要的参数。
它的计算公式可根据流体特性计算，从而使用更合理的改变流道参数，进而改善流动性能，取得节能和节省能源的目的。
挑流消能挑距计算公式的应用主要包括以下几个方面：（1）流动学习。
流体在消能挑距计算的基础上，可以进行流动学习，即为了达到节能目的，改变其压力、流量、流速等流体参数。
（2）流体计算。
流体消能挑距计算也可以用于流体参数的计算，即计算流体的阻力系数、压力损失等参数，以达到流体运动的预期目的。
（3）能源利用。
在消能挑距计算的基础上，还可计算出流体能量损失，进而改变流体流道参数，提高流体运动的效率，达到节能目的，从而节省能源的消耗。
（4）消声抑图。
将消能挑距计算的结果应用于消声抑图，可以更加准确、有效地计算流体中消声抑制的大小。
（5）流局势评价。
挑流消能挑距计算公式也可以用于流局势评价，即计算流体有效地运动等参数，从而可以评估流体在不同工况条件下的运动特性，改善流体系统的效率性。
以上就是挑流消能挑距计算公式的应用分析，我们可以看到，它既可应用于改变流体参数，从而进行流动学习、提高流体系统的效率性，又可应用于消声抑图，以及流局势评价，达到节能和节省能源的目的，因此它是不可或缺的一项计算方法。
当然，挑流消能挑距计算是有一定局限性的，计算结果往往受非定常性和流动不确定性的影响。
因此，如果要实现节能和节省能源的目的，必须加以综合考虑，继而采取相应的控制手段，特别是要注意检测测试技术的运用，以确保计算的准确性和可靠性。
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。
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。
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。
水利工程消能设计科学性分析
水利工程消能设计科学性分析孙子瑾邯郸市水利水电勘测设计研究院河北邯郸 056000摘要：在水利工程中，必须对消能设计进行科学分析。
在低水头工程建筑中，如果水闸消能设计不合理，就达不到消能工应用的效率，致使下游水流出现剧烈紊动，尤其在泄洪期间，将会严重冲刷下游河床，存在较大的安全隐患。
本文主要对消能方式进行简要介绍，并对水闸消能的控制条件和消能不利的相关因素给予分析，根据下游水位的不同情况，设计科学性的消能方式。
关键词：水利工程；消能设计；水闸消能；科学性分析；临界水深；消力池在低水头建筑物中，水闸是比较关键的泄水建筑物，水闸的消能设计主要依靠底流式消能工来实现的。
水跃在消力池内产生，使水闸下的急流现象逐渐转化为缓流，水跃消耗的能量与跃前断面的能量的比值为水跃消能率。
随着跃前断面弗汝德数的增加，消能率也越来越高。
当弗汝德数的范围为10-40，则水跃消耗的能量与跃前断面的能量的比值为28%-59%，低水头的水闸，弗汝德数比较小，因此，水闸消能率较低。
一、消能方式1、底流式消能底流式消能主要是利用水跃来实现流态的转化，进而达到消耗能量的目的，此种消能方式也可称之为水跃消能。
下游水流在剧烈紊动的作用下，水流的部分动能转变为位能和热能，从而实现消能。
底流式消能的优点表现为较高的安全性、可靠性、消能率及流态稳定性，且雾化问题比较轻、对下游具有较小的冲刷的作用，对于各类泄水建筑物的适用性都比较强，比如大中小流量的泄水建筑物和高中低水头的泄水建筑物，也不会受到地理条件的限制，无论是软基还是岩基都具有较强的适用性，对尾水变幅也具有较好的适应性。
现阶段，在国内底流式消能广泛应用于低水头闸坝的消能工程，在消力池的设计中，对消力池的长度具有较高的要求，同时工程造价也比较高。
2、面流式消能面流式消能分为两种方式，一类为跌坎面流，另一类为廊斗面流。
在溢流坝的末端，设置相应的跌坎和库斗，上游的下泄水流在跌坎的作用下，导入下游水面，在面部旋滚和底部旋滚的作用下，射流渐渐扩散，进而达到消能的目的。
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。
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
挑流消能
四种鼻坎的介绍
• 1、连续式挑流:鼻坎其基本的体型参数只有反弧半径R和出射角θ， 此外还有鼻坎高程及鼻唇高度。在高速水流条件下广泛实用。
• 2、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。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，掺气核扩散，提高消能效果，减小冲刷深度。缺 点是在高速水流的作用下容易发生空蚀，特别是矩形差动式的齿坎 侧面易蚀。
• 4、窄缝挑流鼻坎：由泄水建筑物末端边墙急剧收缩而形成，是一 种极具特色的新型消能工，尤其适用于深窄峡谷高水头运行的情况。
四种鼻坎的介绍
连续式挑流鼻坎
差动式挑流鼻坎
扩散式挑流鼻坎
窄缝挑流鼻坎
挑流消能的作用
• 从物理学中可知，能量是不能“消”的这里所谓的消能有 两方面的含义：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里，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远离或分隔，以 冲刷不危及建筑物本身安全为条件 。所以挑流消能只是 溢流坝址，溢洪道泄槽末端及各种泄水孔洞出口处明流的 常用消能方式按照高速水流的出现位置与状态而分为挑流 消能，底流消能，面流消能等几类种的一种。起到保护水 流不冲刷河床，下游建筑物等效果
窄缝挑流消能原理
窄缝挑流消能原理今天来聊聊窄缝挑流消能原理的事儿，我感觉还挺有趣的呢。
其实啊，这个原理呢，就像我们平时倒水的时候一样。
你想啊，如果我们直接把一桶水从高处快速地倒到地上，那水会溅得到处都是，而且冲击力很大，可能还会把地面砸出个小坑来。
这其实和水流的能量有关，水流从高处流下的时候是带着很大的能量的，这个能量如果不加以控制就会造成一些破坏。
窄缝挑流消能啊，就像是给这股水流找到了一个特殊的“发泄”方式。
打个比方呢，就像是把一群奔跑的马通过一个窄窄的通道来引导它们，让它们的奔跑方向和速度能够被调整。
这个窄缝就是起到了这样一个引导水流的作用。
窄缝将水流收缩成窄窄的一束，这时候水流的流速在某些方向上就会发生改变，而且水流的形状也发生了变化，这就好像把一块揉皱的面团重新捏成了细长条一样。
说到这里，你可能会问，这样改变了形状和流速就能消能了吗？其实啊，当水流经过窄缝之后被挑射到空中时，它会在空中分散开来，这个过程中水流内部各个部分之间就会互相摩擦、碰撞。
这就好比一群原本在一条窄路上赶路的人，突然被扔到了一个空旷的广场上，大家就会互相挤来挤去，在这个过程中呢，能量就因为这些摩擦和碰撞损耗掉了一部分。
还有啊，挑射出去的水流在落入水垫（下游的水体就像一个软软的垫子一样）的时候，由于它在空中已经消耗了一部分能量，所以落入水中时的冲击力就大大减小了，就像一个运动员从高处跳下来，要是先在半空中做几个翻滚动作（就像水流在空中分散、摩擦碰撞消能一样），落地时就不会那么“疼”（冲击力小）了。
老实说，我一开始也不明白为什么窄缝挑流能这么巧妙地消能呢。
后来发现这背后还有流体力学的理论在支持。
流体力学告诉我们，流体的流速、压强、形态等都是相互关联的。
窄缝的存在改变了水流的边界条件，从而引发了这一系列和消能相关的效果。
在实际应用中啊，就比如那些水利工程中的大坝溢流坝段有时候就会采用窄缝挑流消能这种方式。
它的好处可多了，既能防止下游的河床和岸坡被水流强大的能量给冲毁，又能有效地控制水流的流态，保证整个水利枢纽的安全运行。
挑流消能数值模拟
第20卷 第9期 中 国 水 运 Vol.20 No.9 2020年 9月 China Water Transport September 2020收稿日期：2020-04-23作者简介：尹 锐（1991-），男，昆明理工大学津桥学院 讲师。
基金项目：云南省高等学校本科教育教学改革项目（JG2018262）；云南省教育厅科学研究基金项目（2018JS750）。
挑流消能数值模拟尹 锐（昆明理工大学 津桥学院，云南 昆明 650106）摘 要：利用VOF 多相模型对某重力坝挑流消能进行了三维数值模拟，得到了计算区域中物相、压强、速度矢量的分布云图以及流线分布图，展示了水舌随时间变化的情况。
关键词：VOF 模型；挑流消能；数值模拟中图分类号：TV135.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）09-0058-02引言挑流消能是中高水头泄水建筑物采用较多的一种消能方式，优点是可以节约下游护坦，构造简单，便于维修[1]。
某水库的任务是提供下游沿河两岸的农业灌溉用水及农村人畜饮水，总库容为270.1万m 3。
重力坝按30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核，最大坝高为58.8m。
溢流坝采用WES 剖面，孔口型式为开敞溢流式，单孔尺寸为3.3m×2.7m，共3孔，下泄流量为218.55m 3/s。
挑坎型式为连续式，反弧半径为11m，挑射角为22°。
为研究流场的水动力学特性，本文利用VOF 多相模型[2]和k -ε湍流模型[3]，对挑流消能部分进行了三维数值模拟，并就有关参数与理论计算值进行比较。
一、数学模型 1．控制方程 连续性方程：0iit x ρρ∂∂+=∂∂u （1）不可压缩N-S 方程：t 1[()]j i i i j i j i j j ip g t x x x x x μμρρ∂∂∂+∂∂∂+=-+++∂∂∂∂∂∂u u u u u （2） 湍流方程：t 2t 12()()[()]()()[()]i i j j i i j j G t x x x C G C t x x x κκεκεερκμρκκμρεσρεμερεεεμρσκκ∂∂∂∂⎧+=++-⎪∂∂∂∂⎪⎨∂∂∂∂⎪+=++-⎪∂∂∂∂⎩u u （3）2．计算区域及网格划分计算区域的剖面从堰顶点开始，经过下游溢流坝面，直至冲刷坑下游1m 处，宽度为50m。
简述挑流消能在泄水中的应用及种类
简述挑流消能在泄水中的应用及种类摘要针对挑流消能适用条件，以及各种挑流消能的方式，对各种挑流方式进行综合性分析讨论，并得出不同调流方式在坝体的综合性应用。
关键词挑流；鼻坎；雾化引言在水利过程中，坝体泄水建筑物下泄产生的高速水流具有以动能为主的大量机械能，此巨大水头可能对下游河床产生强烈的冲击。
如若不能够正确处理，则无法保证泄洪时候的安全。
因此，合理的泄水措施是保障工程安全，发挥坝体综合效益的有利报账。
因此不可避免的就要进行消能防冲，本篇文章主要讲挑流消能。
挑流消能是指在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到離鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑和一定的尾水深度所形成的水垫中消能。
1 挑流消能适用条件及挑流的研究意义挑流消能的主要优点有：鼻坎结构简单，造价低，发生空蚀或者磨损后易于检修。
鼻坎位于尾水位以上，不受尾水位变幅的影响。
仅水垫深有所差异，只要冲坑远离坝角或泄水建筑物出口仍将安全，对挑流坎上的单宽流量q1适应性最强，其消能效果主要是利用坎上流速，使水舌远离坝角，冲击河床形成冲坑旋滚，消耗大部分能量。
而冲坑深度的大小与水舌入水散度关系甚大。
挑流消能一般不需要咋下游河床修建保护工程，因而工程最少，节省投资，同时设计施工方便，运行也可靠，因此在国内外得到广泛的应用[1]。
2 挑流的结构组成挑流消能的基本体型参数只有反弧半径，射出角，此外还有鼻坎高程及坎唇高度。
2.1 鼻坎高程鼻坎高程愈低，鼻坎出口段面上的水流流速也愈大，水舌挑距也相应增加。
但为保证水舌下面有足够的通气空间，使水舌与建筑物之间的空间不至于因水舌带走的空气得不到足够的补充而出现真空，鼻坎不能太低，一般应使鼻坎高出下游水位1到2米。
2.2 反弧半径反弧段水流的运动研究结果表明，当反弧半径减小到某一临界值时，即临界返弧半径时，返弧段将出现水深度急剧增大，流速系数急剧减小的过程。
反弧半径的判定，其中有：（1）由流速系数极大确定反弧半径（2）由挑距极大或临界起挑条件确定临界反弧半径（3）根据压力突增的分界线确定临界反弧半径2.3 鼻坎挑角鼻坎挑角的选取应是使挑流水舌的挑距最大，由于从挑坎挑出的水流存在沿程扩散与掺气，挑流鼻坎与下游水位存在高差，相应于挑距最远的挑角小于45度。
衔接与消能
16
消能池内末端水深应为
hT j hc
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05
不降低护坦高程，所以收缩水深及相应的跃后水
深都不变。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hT c H1
则消能池深度c的计算公式：
c j hc1 H1
10
1、降低护坦高程所形成的消能池——挖深式 消能池的设计
(1) 消能池深度 d 的计算
11
消能池内末端水深应为 hT jhc1
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05 护坦高程降低后，收缩水深变为 hc1 ，相应的跃
后水深变为 hc1 。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hc1 2
[
18 q2 ghc31
1]
d
j hc1
q2
2g( j hc1 )2
ht
q2
2g( ht )2
14
（2）消能池长度LK的计算
LK (0.7 ~ 0.8)Lj
式中， L j 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 )
对于矩形断面， Ac b hc 。取单宽流量计算，则
q2
E0 hc 2g 2hc2
7
（二） 收缩水深的计算方法
1、任意断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）。 2.等腰梯形断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）；④查图法，图见教材附图Ⅰ。
4
9.1 底流消能的水力计算
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。
挑流消能名词解释
挑流消能名词解释嘿，咱今儿来说说挑流消能呀！你说这挑流消能就像是一个厉害的“功夫高手”。
想象一下，那水流就像个调皮的孩子，横冲直撞地跑过来，要是没个厉害的招数来对付它，那可不得闹翻天啦！挑流消能呢，就是专门来治这调皮水流的。
它呀，就像是个聪明的指挥家，让水流按照它的想法来行动。
它能把水流高高地抛起来，让水在空中划出一道漂亮的弧线，然后再轻轻地落下去。
这就好比我们扔石头，把石头扔到空中，然后看着它落下来，只不过挑流消能玩的是水而不是石头。
你想想看，要是没有挑流消能，那些大坝啊、水闸啊可咋办呀？水流那么凶猛，直接撞上去，那还不得把大坝给撞坏啦！有了挑流消能，就可以把水流的力量给分散掉，让它没那么大的破坏力。
这就好像是给水流穿上了一件“软猬甲”，让它的攻击变得没那么厉害了。
而且呀，挑流消能还能让水流变得更漂亮呢！那高高的水弧，在阳光的照耀下闪闪发光，多好看呀！就像是一道美丽的彩虹。
你说这多神奇呀！咱再说说这挑流消能的原理吧。
其实也不难理解，就是利用一些特殊的结构和设计，把水流引导到一个特定的方向，然后让它以一种特定的方式流动。
这就像是给水流铺了一条特殊的“路”，让它乖乖地沿着这条路走。
比如说，有个大坝要泄洪，要是直接把水放出去，那肯定会造成很大的冲击。
但是如果用了挑流消能，就可以把水先引到一个高处，然后再让它抛出去，这样就大大减少了对下游的影响。
是不是很厉害呀？还有啊，挑流消能在很多工程中都有应用呢！不只是大坝，还有一些渠道、水槽什么的，都可以用它来控制水流。
它就像是一个万能的“治水神器”，哪里需要就去哪里。
总之呢，挑流消能可真是个了不起的东西呀！它让我们的水利工程变得更安全、更可靠，也让我们的生活变得更美好。
所以呀，可别小看了它哟！你说，这么厉害的挑流消能，我们能不喜欢吗？。
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式中： 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05
j
1 为护坦高程降低后收缩水深 hc
hc1
的
跃后水深。
17
消能池内的水深hT为
hT d ht z
确定消能池深度 d 的计算公式
1 (ht z ) d j hc
• 下游水流衔接与消能的方式有多种，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。由于主流在底部， 称之为底流消能。 • 2、挑流式衔接与消能 • 采用建筑物末端的挑流鼻坎，利用高速下泄水流的 动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与 下游水流衔接。 • 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。
1
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
对下游河床具有明显的破坏能力。
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，
2
• 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。
3
8
水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消 能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流 结合应用的实例。
9
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。 • ht＝hc02 临界式水跃 • ht < hc02 远离（远驱）式水跃 • ht > hc02 淹没式水跃 • 远离式水跃对工程最不利，急流段长，加固河段长， 工程量大。 • 淹没式水跃消能效率低。 • 临界式水跃位置不稳定 。 • 一般采用稍有淹没的水跃进行消能较理想。
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。
20
挑流射程的计算
E0 hc
cc2
2g
c2
2g
hc ( c )
c2
2g
由图可以看出
E0 P2 H
2 00
2g
P2 H 0
12
令流速系数
Q c Ac
1 c
2 则 E h c 0 c 2 g 2
以
代入上式得
E0 hc
10
• • • • •
水跃淹没系数σ’= ht/ hc02 临界式水跃 σ ’= 1 远离（远驱）式水跃 σ’< 1 淹没式水跃 σ ’> 1 消能设计要求： σ’= 1.05～1.1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
11
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
LK (0.7 ~ 0.8) L j
式中， L j 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。
19
第三节
挑流消能的水力计算
挑流消能的优点是节约下游护坦，构造简单，便 于维修；缺点是雾气大，尾水波动大。
q2 1 1 z 2 2 1 ) 2g ( ht ) ( j hc
略去 z ，并用护坦降低前收缩断面水深的 1 共轭水深 hc 代替 hc1 。可得到粗略估算池 hc 深的近似公式 d h h
j c t
18
（2）消能池长度LK的计算
14
平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图
15
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，主要有下列两种：
（1）降低护坦高程，使在下游形成消能池； （2）在护坦末端修建消能坎来壅高水位，使坎前 形成消能池。
j
16
1、降低护坦高程所形成的消能池 (1) 消能池深度 d 的计算
第十一章 泄水建筑物下游水流的 衔接与消能
第一节 概述
• 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， 由于建筑物缩窄了河道，改变了水流的特 征，抬高上游水位，势能增大。当建筑物 泄水时，势能转换为动能，使下泄水流具 有较高的速度，动能较大。而下游一般为 缓流，存在两种流态如何衔接，如果处理 不当将会带来冲刷等严重后果。
Q2 2 gA
2 c 2
对于矩形断面， Ac b hc
。取单宽流量计算，则
E0 hc
q2 2 g 2 hc2
13
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 深
hc ht
的共轭水深 hc
与下游水
的相对大小。可能出现下列
三种情况 第一种情况： h ＝ hc t 第二种情况： ht ＜ h c 第三种情况： ht ＞ hc
6
2、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。
7
3、面流式消能 当下游水深较大而且比较稳定时，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部旋滚隔开，可避免高速主流对 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。
4
• 3. 面流式衔接与消能 • 利用建筑物末端的导流坎，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，竖轴式消能。 • 以上几种是由三种基本消能型式的结合或发展。
• 底流式消能
挑流式消能
面流式消能
5
1、底流式消能 就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃 发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动以 达到消能的目的。