衔接与消能

2
14


池深d的计算公式： 计算方法：
这四个公式构成了复杂 隐函数关系，必须试算才 能求得d .
E01 hc1
q2 2 g 2 hc21
E01 E0 d
hc1 q2 1 hc [ 1 8 3 1] 2 ghc1
q2 q2 1 d j hc ht 2 1 ) 2 g ( j hc 2 g ( ht ) 2
池长的设计流量仍应是建筑物通过的最大流量。
21
3、综合式消能池的设计

如果单纯降低护坦高程开挖量太大，单纯建造 消能坎，坎又太高，坎后容易形成远驱式水跃 衔接。在这种情况下，可以考虑适当降低护坦 高程，同时修建高度不大的消能坎，这种型式 的消能池称为综合式消能池。综合式消能池的 设计原则是消能池中及坎后均产生临界水跃， 据此计算坎高和池深，然后，为了产生稍许淹 没的水跃，将消能坎和池底整体地降低一个高 程（必要时应校核消能池中水跃的淹没程度） 22 。
19

坎高c的计算公式： 2
q E0 hc 2 g 2 hc2
hc1 q2 hc [ 1 8 3 1] 2 ghc
H 1 H 10 q2 ) 2 g ( j hc
2
(
q
s m1 2 g
)
2 3
q2 ) 2 2 g ( j hc
H1 c j hc
20
（2）消能池长度LK的计算
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
在流量范围内选择几个有代表性的流量值，分 别计算坎高 ，然后取坎 高 的最大值作为设计值，相 H1 ) max 应的流量即为坎高c 的设计流量。或者取 (hc 对应的流量即为设计流量。
四、辅助消能工

1、分流齿墩（也称趾墩）：布置在消能池进口，其作用是分散 入池水股，增加水跃区中主流与漩滚的交界面，加剧紊动混掺来 提高消能效率。
23
具体方法：①初估池深：
ht d j hc
hc1 ②计算E01、 若求得的
、 h c1
、d ③
池深d和初估池深近似相等， 试算完成，否则，继续试 算。详见例题。
15
（2）消能池长度LK的计算
LK (0.7 ~ 0.8)L j
式中，
Lj
为平底渠道中的自由水跃长度。
（3）消能池设计流量的选择
2g
P2 H 0
7
令流速系数
Q c Ac
1 c
则
以
代入上式得
E0 hc
Q2
E0 hc 2 g 2
2 c
2 gAc2 2
上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用 。其中流速系数φ可按经验公式计算或查表确定。 对于矩形断面， Ac b hc 。取单宽流量计算，则
16
2、护坦末端建造消能坎形成的消能池——消 能坎式消能池的设计

(1) 坎高c 的计算
17
消能池内末端水深应为
hT j hc
j 1.05
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取
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
水跃的位置决定于坝趾收缩断
与下游水 面水深 hc 的共轭水深 hc
深 ht 的相对大小。可能出现下列
三种情况 第一种情况：ht ＝ hc 临界水跃
远驱水跃 hc 淹没水跃 第三种情况：ht ＞ hc
ht ＜ 第二种情况：
以 j
ht hc
"
表示水跃的淹没程度。
10
三、控制水跃位置的工程措施－消能池的水力计算 消能池是控制水跃并利用水跃消除余能的水工 建筑物。当底流式衔接为远驱水跃时，为了改变这种不 利的水面衔接形式，必须增加下游水深，迫使远驱水跃 变为工程需要的稍有淹没的水跃。从而缩短下游河床上 急流保护段的长度，达到在最短距离内集中消能以确保 主体建筑物安全的目的。
ht ) (hc 池深 d 是随 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。
池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量。
☆ 池深与池长的设计流量可能不是一个值，更不见得就是泄 水建筑物的设计流量。这是消能池水力设计中需要注意的问题 。
1v12
2 2 v2
2 v2 1v12 z H1 ht 2 2g 2 g
式中，φ’为消能池流速系数，它决定于消能池出口处的顶 部形式，一般取0.95。引入连续方程化简可得 ：
q 1 1 z 2 2 1 ) 2g ( ht ) ( j hc
hT d H1 d ht z
则消能池深度 d 的计算公式：
1 (ht z) d j hc
13
确定 z
对消能池出口上游断面1——1及下游断面2——2列能量 方程，以通过2——2断面底部的水平面为基准面，则得到
2 v2 H1 ht 2g 2g 2g
9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能


一、问题的提出
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；
则消能池深度c的计算公式：
1 H1 c j hc
18
式中， H 1 为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得 2 2 q2 q q 3 H 1 H 10 ( ) 2 ) ) 2 2 g ( j hc 2 g ( j hc s m1 2 g 式中， m1为消能坎的流量系数，与坎的形状及池内水流状态有关， 目前尚无系统资料，初步设计时可取 m1 0.42 ； 为消能坎的淹 ht c hs 没系数，其值与 H 有关。由于消能坎前存在水跃，它与一 H 10 10 般的实用堰前水流状态不同。故淹没系数及淹没判定条件也应有所 hs 不同。消能坎的淹没判定条件是：H 0.45 ，消能坎为非淹没堰， 10 hs ； H 0.45，消能坎为淹没堰，此时淹没系数 s ，其值可参考 10 表9—2确定。
，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
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。
5
9.1 底流消能的水力计算
底流消能是借助一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的表 面漩滚和强烈紊动来消除余能。 泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特 性，又与下游河道中的水深及流速大小有关。 当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流速最大的过 水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流 量相应的下游水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、 粗糙系数等参数，通常是知。 底流消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式， 即确定水跃发生的具体位置；其次决定要采取的工程措施。底流消 能是通过水跃消能。
6




一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
（一）计算公式推导
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
cc2
2g

c2
2g
hc ( c )
c2
2g
由图可以看出
E0 P2 H
2 00
Hale Waihona Puke Baidu
11
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
12
1 消能池内末端水深应为 hT j hc
j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05 式中：
护坦高程降低后，收缩水深变为 hc1 ，相应的跃
1 后水深变为 hc
。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
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
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。
3
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
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 。（消能问题的提出视频）


1
三、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。
E0 hc
q2 2 g 2 hc2
8
（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。
9
二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响