水力学-消能

(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
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
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。
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%。
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。
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
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。
v12
vt2
H1 ht z

1
12
• 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
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。
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。
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
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 26.9
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。
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
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。
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
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。