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。
•
ht＝hc02 临界式水跃
•
ht < hc02 远离（远驱）式水跃
•
ht > hc02 淹没式水跃
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。
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挑流射程的计算
1、射程 L0 的计算公式

L0

u12
sin cos
g
1 1源自2g a ht u12 sin
h1 cos
2
2
• 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
• 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。
2
• 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。
6
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。
7
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。
深 ht 的相对大小。可能出现下列 三种情况
第一种情况： ht ＝ hc 第二种情况： ht ＜ hc 第三种情况： ht ＞ hc
13
平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图
14
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
15
1、降低护坦高程所形成的消能池
(1) 消能池深度 d 的计算
消能池内的水深应为 hT jhc1 式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05
hc1 为护坦高程降低后收缩水深 hc1 的 跃后水深。
16
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
• 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
4
面流式消能
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。
5
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。




式中：a为坎高，即下游河床至挑坎顶部的高 差；ht为冲刷坑后的下游水深；h1为1－1断面的水
深。
20
21
2、水下射程 L1
L1

ts tan
ht

其中，ts 为冲刷坑的深度。
冲刷坑深度的估算
1、对于砂卵石河床，冲刷坑深度可用下式计算：
ts

2.4q

d jhc1 (ht z)
z

q2 2g
1

(
ht
)2

(
1 j hc1 ) 2

略去 z ，并用护坦降低前收缩断面水深的
hc1 共轭水深 hc 代替 hc1 。可得到粗略估算池
深的近似公式 d jhc ht 17
（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 ) 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。
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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。
• 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。
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• 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