水力学-消能
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第10章 泄水建筑物下游水流的 衔接与消能
10.1 概述
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。
下泄水流的特点如下： 1.建坝后的水头也增加,下泄水流（比未建坝前的水流） 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。
挑流、底流、面流消能的优缺点
• 工程实际中，消能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须 结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合 分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下：
• 底流消能
优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下 游水面波动小。 缺点：消力地的工程量大，增加工程造价。
优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。 缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床 抗冲能力强。
• 挑流消能
• 面流消能
优点：主流在表面，底部流速小，不易冲刷河 床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。 缺点：水流衔接形式复杂多变，不易控制。下游 水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍航运及水轮机工作。
简单的水跃式消力池适用于超过10m或者是水 头差在 30m到50m之间的情况 在10到30m水头差范围，消力墩将会增强水跃,造成一 个较小的消力池，从而节约了建筑造价。 超过30m的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。 超过50m以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自 由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。
泄水建筑物下游水跃发生的位置不同可分为临界式水跃、 远离式水跃和淹没式水跃三种形式。从水跃发生的位置、 水跃的稳定性以及消能效果等方而综合考虑，采用稍有淹 没的淹没水跃进行衔接与消能较为适宜。
水跃的淹没程度用水跃淹没系数表示：
' ht hc02
工程中常采用淹没系数为 1.05 ~ 1.10
对于矩形断面河渠
q2 T0 hc0 2 g 2 hc0 2
泄水建筑物的流速系数值
q2 T0 hc0 2 g 2 hc0 2
试算法求解：
已知T0，Q及河渠断面形状，在选定 值后，可假定一个hc0 值，则由上式右端可以算得某一数值，若恰好等于已知的T0， 则所设的hc0即为所求，若不等，再假定hc0值进行试算，直到 相等为止。 注意：上式为一个三次方程，可以有三个根，而符合实际情 况的是小于临界水深hc的那一个hc0值，因此，代入试算的hc 应小于同一流量的临界水深。
设几个hc0值计算相应的f（d），计算结果列于表10.3。 当f（d）= A = 4.45 m时，d = 1.63 m。
hc0(m) 0.7 0.71 0.72 0.73 hc02(m) d(m) f(d)(m) lj(m) 34.90262 34.50424 34.11213 33.72608 l(m) 27.9221 27.6034 27.28971 26.98086
(2)出池落差△z :
以下游河底0—0为基准面，对消力池出口处的上游断面 1及下游断面2列能量方程，其中两断面间的水头损失
vt2 ，则有 为 hj 2g
vt2 H1 ht hj ht ( ) 2g 2g 2g
2 vt2 v1 H1 ht ( ) 2g 2g
v12
vt2
H1 ht z
1
12Fra Baidu bibliotek
• 上式可改写为
vt2 v12 z 2 2 g1 2g
• 以
vt
q q ,v1 ht ' hc02
代入上式得
q2 z 2g
1 2 (1ht ) ( ' hco 2 ) 2
5.7583514 2.4177465 3.7586244 5.7106151 2.0161214 4.1123106 5.6637875 1.631528 4.4499315
5.6178378 1.2630394 4.7723818
（2）用试算法计算消力池池深
' hc02
q2 q2 d ht 2 2 g ( ' hc02 ) 2 g (1ht ) 2
f（d）= A
试算法求d。 在实际试算时往往不直接假设d，而是先假设hc0，利用共 轭水深关系式求得hc02，算得池深d，再将算得的池深d代 入上式算得方程的左边，若等于式右边已知的数值A，则 此时的d为所求，若不等，再重新假设hc0进行试算，直到 相等为止。
2 消能池长度的计算 消能池长度必须保证水跃不越出池外。由于消能池末端对水 流产生反作用力，减小水跃长度，因此消能池内的水跃长度 仅为平底明渠中自由水跃的70-80%。
j
的淹没水跃
10.2.2
消能工的水力计算
当泄水建筑物下游出现远离式水跃时，需采取一定的工程措 施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没式水跃，从 而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。为此， 可采用下列工程措施消力池，消力墙，综合式消力池。
1. 池深d的计算
0 图中0—0线为原河床底面线，'0' 线为挖深d后的护坦底 面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时水面跌落为 △z，然后与下游水面相衔接，其水流现象与宽顶堰的 水流相似。
溢洪道有闸控制和无闸控制，各有 什么优缺点？
• 对于蓄水工程来说，溢洪道可设闸门，也可以不设闸门。 一般情况下，小型工程溢洪道常不设置闸门，大、中型工 程溢洪道设置闸门的较多。溢流堰上不设闸门时，堰顶高 程就是水库的正常蓄水位。设置闸门时，溢流堰顶高程低 于水库的正常蓄水位。闸门控制可根据当地气象预报而定， 而在汛期提前开闸放水，则有利于降低洪水位，减小库区 的临时淹没和大坝及其他非溢流建筑物的高度，并可削减 下泄的洪峰流量。但设置闸门却要增加闸门及启闭设备的 投资。由于溢流堰的堰顶高程降低，则就要增加其开挖量， 并且汛期还必须加强管理。
挑流鼻坎型式
• 挑流鼻坎型式有连续式和差动式两种。
连续式鼻坎设施简单，不易气蚀，在相同水力条件下， 挑距比差动式稍远，但水舌较集中，空中扩散较差，对河 床冲刷较深。 在挑流鼻坎内设置通气孔主要是为了避免挑流时高水 流带走水舌下面的空气而形成真空，影响挑射距离。
挑流鼻坎为什么容易被破坏？
泄水建筑在泄洪时，挑流鼻坎表面要承 受高速水流的冲刷，磨损很大。而许多工 程因施工等原因，挑流鼻坎表面不平整， 混凝土强度及耐磨达不到设计要求，经常 造成鼻坎表面混凝土脱落，钢筋裸露，影 响工程正常运行。
10.2 底流式衔接与消能
10.2.1 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： v02 vc0 2 vc0 2 H a1 hc0
2g 2g 2g
令，T为有效水头，T0称为有效总水头，则有
H a1
v02
2g
T
v02
(3) 临界水跃的跃后水深hc02 hc0和hc02都与池深d有关
d ' hc02
q2 ht 2g
1 (1ht )2 ( ' hco 2 ) 2
将与d有关的项放在等式左边，已知项放在等式右边，可得
' hc02
q2 q2 d ht 2 2 g ( ' hc02 ) 2 g (1ht ) 2
计算的原则是使消力池中形成稍有淹没的水跃，要求池末 水深 h2 ' hc02
h2 ' hc02 ht d z
d ' hc02 ht z
(1)下游河床水深ht：
取决于流量和河床的水力特性，如有实测的水文资料
（水位与流量关系曲线等），则可根据给定的流量查得， 否则可近似地按明渠均匀流求正常水深的方法计算
L (0.7 ~ 0.8) L
k
j
L
为平底明渠中自由水跃长度
j
例10.1 图10.7所示为一修筑于矩形断面河道中的溢流 坝，坝顶高程为110.0 m，溢流面长度中等，河床高程为 100.00 m，上游水位为112.96 m,下游水位为104.00 m，通 过溢流坝的单宽流量q = 11.3 m2/s。试判别坝下游是否要做 消能工。如要做消能工，则进行消力池的水力计算。
拱坝坝身挑流消能（二滩原型）
工程中常采用的衔接与消能方式
按照泄出水流与尾水及河床的相对位置，可
以将常见的衔接消能方式分为如下三种基本形式。
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。
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。 (新安江水库)
2g
T0
vc02 T0 hc0 ( ) 2g 1 令流速系数
c
则有
1
2
vc0 2 T0 hc0 2 g 2
vc0 2 T0 hc0 2 g 2
Q 将 vc0 (Ac0为收缩断面面积)代入上式 Ac0
Q2 T0 hc0 2 g 2 Ac0 2
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 (富春江水库) 。
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。
新安江水库
新安江水库位于钱塘江上游新安江主流上，是为建设新安江发电站而 造成的大型水库，也是杭州市面积最大的水体。 千岛湖即新安江水 库，是新安江水电站建成蓄水后形成的人工湖
富春江水利枢纽
富春江水电站位于浙江省桐庐县钱塘江上游富 春江上，坝址在七里垅峡口故又称七里垅水电站。 上距新安江水电站约60公里，下距杭州市110余公 里。地理位置优越，又有新安江大型水库进行调 节，两电站联合运行，为华东电网提供了大量的 电力。水库为日调节，总库容9.2亿米3。电站以 发电为主，并可改善航运，发展灌溉及养殖事业 等综合效益。
10.1 概述
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。
下泄水流的特点如下： 1.建坝后的水头也增加,下泄水流（比未建坝前的水流） 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。
挑流、底流、面流消能的优缺点
• 工程实际中，消能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须 结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合 分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下：
• 底流消能
优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下 游水面波动小。 缺点：消力地的工程量大，增加工程造价。
优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。 缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床 抗冲能力强。
• 挑流消能
• 面流消能
优点：主流在表面，底部流速小，不易冲刷河 床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。 缺点：水流衔接形式复杂多变，不易控制。下游 水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍航运及水轮机工作。
简单的水跃式消力池适用于超过10m或者是水 头差在 30m到50m之间的情况 在10到30m水头差范围，消力墩将会增强水跃,造成一 个较小的消力池，从而节约了建筑造价。 超过30m的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。 超过50m以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自 由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。
泄水建筑物下游水跃发生的位置不同可分为临界式水跃、 远离式水跃和淹没式水跃三种形式。从水跃发生的位置、 水跃的稳定性以及消能效果等方而综合考虑，采用稍有淹 没的淹没水跃进行衔接与消能较为适宜。
水跃的淹没程度用水跃淹没系数表示：
' ht hc02
工程中常采用淹没系数为 1.05 ~ 1.10
对于矩形断面河渠
q2 T0 hc0 2 g 2 hc0 2
泄水建筑物的流速系数值
q2 T0 hc0 2 g 2 hc0 2
试算法求解：
已知T0，Q及河渠断面形状，在选定 值后，可假定一个hc0 值，则由上式右端可以算得某一数值，若恰好等于已知的T0， 则所设的hc0即为所求，若不等，再假定hc0值进行试算，直到 相等为止。 注意：上式为一个三次方程，可以有三个根，而符合实际情 况的是小于临界水深hc的那一个hc0值，因此，代入试算的hc 应小于同一流量的临界水深。
设几个hc0值计算相应的f（d），计算结果列于表10.3。 当f（d）= A = 4.45 m时，d = 1.63 m。
hc0(m) 0.7 0.71 0.72 0.73 hc02(m) d(m) f(d)(m) lj(m) 34.90262 34.50424 34.11213 33.72608 l(m) 27.9221 27.6034 27.28971 26.98086
(2)出池落差△z :
以下游河底0—0为基准面，对消力池出口处的上游断面 1及下游断面2列能量方程，其中两断面间的水头损失
vt2 ，则有 为 hj 2g
vt2 H1 ht hj ht ( ) 2g 2g 2g
2 vt2 v1 H1 ht ( ) 2g 2g
v12
vt2
H1 ht z
1
12Fra Baidu bibliotek
• 上式可改写为
vt2 v12 z 2 2 g1 2g
• 以
vt
q q ,v1 ht ' hc02
代入上式得
q2 z 2g
1 2 (1ht ) ( ' hco 2 ) 2
5.7583514 2.4177465 3.7586244 5.7106151 2.0161214 4.1123106 5.6637875 1.631528 4.4499315
5.6178378 1.2630394 4.7723818
（2）用试算法计算消力池池深
' hc02
q2 q2 d ht 2 2 g ( ' hc02 ) 2 g (1ht ) 2
f（d）= A
试算法求d。 在实际试算时往往不直接假设d，而是先假设hc0，利用共 轭水深关系式求得hc02，算得池深d，再将算得的池深d代 入上式算得方程的左边，若等于式右边已知的数值A，则 此时的d为所求，若不等，再重新假设hc0进行试算，直到 相等为止。
2 消能池长度的计算 消能池长度必须保证水跃不越出池外。由于消能池末端对水 流产生反作用力，减小水跃长度，因此消能池内的水跃长度 仅为平底明渠中自由水跃的70-80%。
j
的淹没水跃
10.2.2
消能工的水力计算
当泄水建筑物下游出现远离式水跃时，需采取一定的工程措 施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没式水跃，从 而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。为此， 可采用下列工程措施消力池，消力墙，综合式消力池。
1. 池深d的计算
0 图中0—0线为原河床底面线，'0' 线为挖深d后的护坦底 面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时水面跌落为 △z，然后与下游水面相衔接，其水流现象与宽顶堰的 水流相似。
溢洪道有闸控制和无闸控制，各有 什么优缺点？
• 对于蓄水工程来说，溢洪道可设闸门，也可以不设闸门。 一般情况下，小型工程溢洪道常不设置闸门，大、中型工 程溢洪道设置闸门的较多。溢流堰上不设闸门时，堰顶高 程就是水库的正常蓄水位。设置闸门时，溢流堰顶高程低 于水库的正常蓄水位。闸门控制可根据当地气象预报而定， 而在汛期提前开闸放水，则有利于降低洪水位，减小库区 的临时淹没和大坝及其他非溢流建筑物的高度，并可削减 下泄的洪峰流量。但设置闸门却要增加闸门及启闭设备的 投资。由于溢流堰的堰顶高程降低，则就要增加其开挖量， 并且汛期还必须加强管理。
挑流鼻坎型式
• 挑流鼻坎型式有连续式和差动式两种。
连续式鼻坎设施简单，不易气蚀，在相同水力条件下， 挑距比差动式稍远，但水舌较集中，空中扩散较差，对河 床冲刷较深。 在挑流鼻坎内设置通气孔主要是为了避免挑流时高水 流带走水舌下面的空气而形成真空，影响挑射距离。
挑流鼻坎为什么容易被破坏？
泄水建筑在泄洪时，挑流鼻坎表面要承 受高速水流的冲刷，磨损很大。而许多工 程因施工等原因，挑流鼻坎表面不平整， 混凝土强度及耐磨达不到设计要求，经常 造成鼻坎表面混凝土脱落，钢筋裸露，影 响工程正常运行。
10.2 底流式衔接与消能
10.2.1 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： v02 vc0 2 vc0 2 H a1 hc0
2g 2g 2g
令，T为有效水头，T0称为有效总水头，则有
H a1
v02
2g
T
v02
(3) 临界水跃的跃后水深hc02 hc0和hc02都与池深d有关
d ' hc02
q2 ht 2g
1 (1ht )2 ( ' hco 2 ) 2
将与d有关的项放在等式左边，已知项放在等式右边，可得
' hc02
q2 q2 d ht 2 2 g ( ' hc02 ) 2 g (1ht ) 2
计算的原则是使消力池中形成稍有淹没的水跃，要求池末 水深 h2 ' hc02
h2 ' hc02 ht d z
d ' hc02 ht z
(1)下游河床水深ht：
取决于流量和河床的水力特性，如有实测的水文资料
（水位与流量关系曲线等），则可根据给定的流量查得， 否则可近似地按明渠均匀流求正常水深的方法计算
L (0.7 ~ 0.8) L
k
j
L
为平底明渠中自由水跃长度
j
例10.1 图10.7所示为一修筑于矩形断面河道中的溢流 坝，坝顶高程为110.0 m，溢流面长度中等，河床高程为 100.00 m，上游水位为112.96 m,下游水位为104.00 m，通 过溢流坝的单宽流量q = 11.3 m2/s。试判别坝下游是否要做 消能工。如要做消能工，则进行消力池的水力计算。
拱坝坝身挑流消能（二滩原型）
工程中常采用的衔接与消能方式
按照泄出水流与尾水及河床的相对位置，可
以将常见的衔接消能方式分为如下三种基本形式。
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。
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。 (新安江水库)
2g
T0
vc02 T0 hc0 ( ) 2g 1 令流速系数
c
则有
1
2
vc0 2 T0 hc0 2 g 2
vc0 2 T0 hc0 2 g 2
Q 将 vc0 (Ac0为收缩断面面积)代入上式 Ac0
Q2 T0 hc0 2 g 2 Ac0 2
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 (富春江水库) 。
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。
新安江水库
新安江水库位于钱塘江上游新安江主流上，是为建设新安江发电站而 造成的大型水库，也是杭州市面积最大的水体。 千岛湖即新安江水 库，是新安江水电站建成蓄水后形成的人工湖
富春江水利枢纽
富春江水电站位于浙江省桐庐县钱塘江上游富 春江上，坝址在七里垅峡口故又称七里垅水电站。 上距新安江水电站约60公里，下距杭州市110余公 里。地理位置优越，又有新安江大型水库进行调 节，两电站联合运行，为华东电网提供了大量的 电力。水库为日调节，总库容9.2亿米3。电站以 发电为主，并可改善航运，发展灌溉及养殖事业 等综合效益。