第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能
泄水建筑物下游水流衔接与消能
第九章泄水建筑物下游水流衔接与消能本章要求掌握底流式衔接与消能的水力计算思路、步骤；计算收缩断面水深h c及其共轭水深h c〃，判断水跃衔接形式，计算消力池池深S、池长L k。
理解坎式消力池及挑流消能的水力计算原理和方法。
为了控制、利用水流，在河、渠中修建了堰、闸、跌坎等泄水建筑物，泄水建筑物的泄流宽度一般都小于原河渠宽度，使建筑物上游水位升高，因此经建筑物下泄的水流，大都具有较大的动能，特别是对于上游为高水头的泄流建筑物来说，下泄水流的流速可达每秒几十米，若不采取有效工程措施消除下泄水流能量，会冲刷紧接泄水建筑物的河槽，危及建筑物的安全。
如瑞士某大坝，上、下游水位差5m，河床冲刷深度却达12m。
所以，需在泄水建筑物下游设置消能工程，以消除下泄水流能量，保护建筑物的安全。
目前，实际工程中常采用的水流衔接与消能形式主要有三种。
1、底流式衔接与消能水流自闸、坝下泄时，势能逐渐转化为动能，流速增大，水深减小，到达C-C断面，水深最小，称该断面为收缩断面，其水深以h c表示，h c一般都小于临界水深，水流属于急流，而下游河渠中的水深h t常大于临界水深，属于缓流。
由急流向缓流过渡，必然要发生水跃，如图9-1a所示。
底流式衔接与消能就是在建筑物下游修建消力池（即水池图9-1b、c），控制水跃在消力池内发生，利用水跃消能（可消耗大部分下泄水流能量），同时可以减小急流范围，使水流安全地与下游缓流衔接。
在这种衔接与消能过程中，因为水流主流靠近河床底部，因此称这种衔接消能为底流式衔接与消能。
底流式衔接与消能多用于中、低水头及下游地质条件较差的泄水建筑物的消能。
图9-12、挑流式衔接与消能这种消能方式是利用在泄水建筑物末端修建的反弧坎，将下泄的水流挑离建筑物，使之落入下游较远的河道中，如图9-2所示。
挑射的水流在空中受到空气阻力，水舌扩散，消耗一部分能量。
落入下游水流中后，与下游水体碰撞，产生剧烈的混掺紊动，又消耗大量的能量，从而达到消能目的。
9泄水建筑物下游的水流衔接与消能
控制水跃位置的工程措施－消能池的水力 加大下游水深的工程措施，主要有下列两 （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
‹#1›5
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hT应 为jhc1 式中：j 为水跃的淹没系数j ，1.05一般取
) vc2
2g
由图可以看出
E0
P2
H
0v02
2g
P2
H0
‹#1›1
令流速系 数
1 c
则 E0
hc
vc2
2g 2
Q
以vc Ac
Q2
代入上E0 式 h得c 2gAc2 2
对于矩形断A面c ，b hc
q2
E0 hc 2g 2hc2
。取单宽流量
(2) 反弧半r0 径 反弧半径愈小，离心力愈大，挑坎内水
大，动r能0 减小，射程也减小。为保证有较好 反(3弧) 半挑挑径角角愈( 大至45少 )应大于反弧，最射低程点水L0深愈h大 入水角 也增大，入水角增大后，冲刷坑
‹#2›5
第九章 泄水建筑物下游的水流
衔接与消能
9-1 概述 9-2 底流消能 9-3 挑流消能 返回9目-录4 面流及戽流消 能简介
‹#›1
泄洪洞泄洪
东江电站泄洪
东江溢洪道泄洪雾化二滩中表孔对撞消‹#能›2
第九章 泄水建筑物下游 什 么 是 “ 消衔接与消能
能势”能？
动 能
紊动 热
能
能
‹#›3
为什么要消
hc1 为护坦高程降低后hc1 收缩水深 的 消能池内的h水T 深 为
泄水建筑物下游水流的衔接与消能
第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能9-1 概述一、泄水建筑物下游的水流特征为控制水流，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，往往改变水流的特征，抬高上游水位，下泄水流具有较高的速度，动能大，但由于建筑物缩了河道，增大，能量集中的总流，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严重后果。
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。
下游水流衔接与消能的方式。
衔接小的措施有多种，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，由于余流在底部。
2、挑流式衔接与消能利用建筑物末端的跃坎，利用高进下泄水流的动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与下设水衔接。
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。
3. 面流式衔接与消能利用建筑物末端的坎，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，数轴式效能。
以上几种是由三种基本消能型式的结合或发展。
ξ9-2 底流式衔接与消能一、底流式衔接型式在泄水建筑物下游的水流一般为急流，存在一个收缩断面，水深为最小，为h c 。
且一般h c < h k ,则根据下游河道水深h t 与h c"的相对大小，水流存在有三种水跃型式产生。
(h c "= h t ) 临界式水跃h c ">h t运驱式水跃h c "< h t 淹没式水跃 三种水跃型式，运驱式对工程最不利，因其 急流段长，加固河段长，工程量大。
临界式水跃位置不稳定。
一般采用稍有淹没式水跃进行消能较理想。
二、下游水流衔接形式判断及h c 的计算。
泄水建筑物下游的水流衔接与消能
第13章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能13.1知识要点13.1.1泄水建筑物下游水流的特点及消能形式泄水建筑物下游水流衔接与消能的形式一般有三种，即底流消能、挑流消能和面流消能。
1.底流消能所谓底流消能，就是在建筑物下游采取一定的人工措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈紊动以达到消能的目的。
这种水流衔接形式由于高速水流的主流在底部，故称为底流式消能。
2.挑流消能利用出流部分的挑流鼻坎和水流所挟带的巨大动能，将下泄的急流挑射至远离建筑物的下游，使射流对河床造成的冲刷坑不致影响建筑物的安全，下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分则在水股跌入下游水垫后通过两侧形成水滚而消除。
3.面流消能当下游水位较高，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流旋滚隔开，可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。
由于衔接段中高流速的主流位于表层，故称为面流消能。
此外，还可以将上述三种基本类型的消能方式结合起来应用，如消力戽就是一种底流和面流结合应用的消能形式。
低于下游水位的消力戽斗，将出泄的急流挑射到下游水面形成涌浪，在涌浪的上游形成戽旋滚，在涌浪的下游形成表面旋滚，主流之下形成底部旋滚。
13.1.2底流消能的衔接形式和收缩断面水深的计算1.底流消能的三种衔接形式底流消能就是借助于一定的工程措施控制水跃的位置，水跃的位置决定于坝址收缩断面水深c h 的共轭水深ch ''与下游水深t h 的相对大小，可能出现下列三种衔接形式： 1）当t ch h =''时，产生临界水跃； 2）当t ch h >''时，产生远驱水跃； 3）当t ch h <''时，产生淹没水跃。
工程中，一般用ct h h ''/表示水跃的淹没程度，该比值称为水跃的淹没系数或淹没度，用j σ表示， c t j h h ''=/σ （13.1）当1>j σ时为淹没水跃；1=j σ时为临界水跃；1<j σ时为淹没水跃。
第9章 泄水建筑物下游水流衔接与消能简介
2)计算建池后
方法：试算法， 图解法，逐次渐近法 见P190
3)计算水面跌落 4）校核
一.挖深式消力池的水力计算
2、池长Lk的确定
其中：
为平底自由水跃的长度
修建消力池 后的
一.挖深式消力池的水力计算
3、设计流量的确定
池深最大时对应的流量叫池深的设计流量 h hc” 池长最大时对应的流量叫池长的设计流量
1）.池深的设计流量 作 图： 2）.池长的设计流量 的确定
(hc”- ht)max
最大下泄流量
ht
的确定 Q
ds
Q
最大流量不一定是池深的设计流量； 最大流量应为池长的设计流量。
例题9-2讲解
二.消力坎式消力池的水力计算
流量系数在初步计算时取
淹没系数查表9-2可得 消能坎为淹没堰 消能坎为非淹没堰
试验水槽中的临界水跃
溢 流 坝
试验水槽中的远驱水跃
溢 流 坝
试验水槽中的淹没水跃
溢 流 坝
一、泄水建筑物下游水跃衔接形式及其 对消能的影响
远离式水跃
临界式水跃 淹没式水跃 需要消能 不需要消能
工程中采常采用稍有淹没的水跃衔接消能， 即
二.泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
0 C 0
H P1
由0—0和C— C列能量方程 即：C Nhomakorabeaht
ht
C
1.挖深式消力池----降低护坦高程，在下 游形成消力池 2.消力坎式消力池-在护坦末端修建消 能坎来壅高水位， 使坎前形成消力池 3.综合式消力池
C
ht
ht
C
水利工程的泄流建筑物 和下游消能设施
综合式消力池
消力墩 水利工程的泄流建筑物 和下游消能设施
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第一节泄水建筑物下游的水流衔接一、泄水建筑物下游的水流特征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．二、泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要形式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.第二节底流式衔接与消能一般的水闸、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)(20`0ςα++=+=, 令流速系数ςαϕ+=c 1,则：2202ϕg Vh 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 二、泄水建筑物下游水跃衔接形式及其对消能的影响1。
第九章 泄水建筑物下游水流的衔接与消能
第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能第一节概述一、问题的提出为了达到灌溉、发电、防洪等兴利目标，往往要在河渠上建造水闸、挡水坝等水工建筑物，用来调节河渠的水位和流量。
但这些水工建筑物的兴建，必然会改变天然河流原有的水流状态，主要表现在以下两个方面：①修建挡水建筑物之后，必然壅高上游水位，使挡水建筑物上游积聚了较大的水流能量（主要是势能），而挡水建筑物又不可能将上游源源不断的来水全部拦蓄在水库以内，必然要从溢洪道、泄洪洞、坝身泄水孔等泄水建筑物泄出一部分水流，在泄水工程中，上游水流积聚的势能必将转化为动能，使下泄水流具有较高的流速。
②由于水利工程枢纽布置的要求和为了节省工程造价，建筑物泄水宽度总是小于原有河床宽度，这就使得下泄流量相对集中，单宽流量较大。
而下游河道对同样流量有其与原河床的断面形状、尺寸、底坡、粗糙系数及其它地形地质条件相适应的正常流动情况，一般来讲，这种正常流动情况下，水流分布比较均匀，流速较小。
如此一来，就产生了从泄水建筑物泄出的高速集中水流如何顺利地衔接过渡到下游正常流动情况这一问题，即泄水建筑物下泄水流的衔接过渡问题。
如果对水流的衔接过渡不加控制，或者控制措施不当，都可能给工程建设造成严重的后果。
概括起来讲，会产生这样两个问题：第一，集中泄出的水流可能严重冲刷河床、河岸，甚至危害建筑物的安全。
第二，水流集中泄出，可能使下游水流在平面上形成不良的流动情况，影响枢纽的正常运行。
水力学中泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要任务就是在确保闸坝安全、工程费用较省而又合乎流态要求的条件下，研究消除余能的具体方式。
通过采取一定的工程措施，利用有效的衔接方式，使下泄水流挟带的余能在较短的距离内转化为热能、声能逸散于空气之中，避免冲刷河床岸坡，保证水工建筑物的安全。
而实现消能的唯一方式就是依靠水流内部的相互摩擦和碰撞，促使水流分散掺气。
因为水流内部相对运动越是急剧紊乱，消能效果就越好。
因此，工程实际中常常利用下泄水流形成的大的漩滚来消能。
第9章-泄水建筑物下游的水流衔接与消能
§1.9.1 概述
§1.9.2 底流式消能
§1.9.3 挑流式消能 §1.9.4 面流式消能 §1.9.5 戽流式消能
§1.9.1 概述
在水利工程中，河道上经常修建一些水工建筑物（挡水、泄 水~溢流坝等），满足工程需要（泄洪、灌溉、发电…）。当建 筑物建好后，往往改变天然水流的特性。 从水力学的角度 看，研究消能实质 上是分析建筑物泄 出的高速射流，按 不同方式射入下游 河道的低速广阔水 域中，通过扩散、 掺混作用，消散大 量余能的过程。
2. 宽顶堰上的闸孔出流
hc 1e
1:闸孔出流垂直系数，e:闸门开度
二、底流衔接形式的判别
矩形断面的渠道，其收缩断面水深的共轭水深
2 2 h 8 q h 8 v // c c c c hc 1 3 1 1 1 2 2 ghc ghc
ht hc ht hc
e
'' '' ''
远驱式水跃 临界式水跃
ht ht ht
=0
ht hc
淹没式水跃
j 1.05 ~ 1.10
α
α
三、消能池的设计
α
α α
z
d
消能池是工程中用来控制水跃并利用水跃以消除余能的水工 建筑物。作用:使下游局部水深增加，形成稍有淹没的水跃。 降低护坦高程 护坦末端建造消能墙 综合方式
按出泄水流与河床的相对位置分
1
α
底流衔接与消能
α
2 挑流衔接与消能
a
L1 L
h d
L2
3
面流衔接与消能
主流
水力学 泄水建筑物下游水流衔接与消能
2
1
Байду номын сангаас
1
a ht
2S1 sin 2
ts ht
tan 2
a ht 2S1 cos2
冲刷坑深度估算用经验公式
坎型尺寸的选择：常用连续式挑坎，挑 坎尺寸包括挑角、反弧半径、及挑坎高 程，使用合理时可在同样的水力条件下 射程最大，冲刷坑深度较浅
9.3 面流及消能戽简介
主流在表面，旋涡在下游，对河床的冲 刷轻，有利于漂木、泄冰
应严格控制水下游水深，便其稳定并保 持在相应范围内
通过水工模型试验可比较准确确定尺寸
消能戽是结合底流面流的一种综合消能 方式
与底流比较：不需专门的消能池、工程 量小
与面流比较：适应水深变化范围广，流 态稳定
缺点：戽面戽端易被水流磨损，下游尾 水波动大，冲刷岸坡
Ch9 泄水建筑物下游的水流衔接与 消能
泄水建筑物下泄的高速水流对建筑物及 河道的破坏大，需要消能
衔接与消能措施大致有三种：
底流式消能、挑流式消能、面流式消能， 可结合使用或单独使用
9.1 底流消能的水力计算
应用面广，基本的消能型式
其水深计算公式从应用能量方程推导得
E0
hc
Q2
2gAc2 2
一般用试算法求解，也可借助于一些专 门的图表来简化计算
2、在护坦末端修建消能坎的消能池坎高 的计算
3、辅助消能工
4、护坦下游的河床保护
9.2 挑流消能的水力计算
优点是可以节省下游护坦，构造简单， 便于维修，缺点是雾气大，尾水波动大
水力计算内容：按已知的水力条件选定 适宜的挑坎型式、反弧半径、挑射角、 挑流射程及下游冲刷坑深度
挑流射程：
L
2
消能资料收集
第七章 水 跃第一节 水跃现象及分类一、水跃现象水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时发生的水面突然跃起的局部水力现象。
闸、坝下泄的急流与天然河道的缓流相衔接时，都会出现水跃现象。
水跃区的水流可分为两部分：一部分是急流冲入缓流所激起的表面旋滚，翻腾滚动，饱掺空气，叫做表面水滚。
另一部分是表面水滚下面的主流，流速由快变慢，水深由小变大。
但主流与表面水滚并不是截然分开的，因为两者的交界面上流速梯度很大，紊动混掺非常强烈，两者之间不断地进行着质量交换。
在发生水跃的突变过程中，水流内部产生强烈的摩擦混掺作用，水流的内部结构要经历剧烈的改变和再调整，消耗大量的机械能，有的高达能量的60%~70%，因而流速急剧下降，水流很快转化为缓流状态。
由于水跃的消能效果较好，所以常常被采用作为泄水建筑物下游水流衔接的一种有效消能方式。
在确定水跃范围时，通常将表面水滚开始的断面称为跃前断面或跃首，相应的水深称为跃前水深；表面水滚结束的断面称为跃后断面或跃尾，相应的水深称为跃后水深。
表面水滚的位置是不稳定的，它沿水流方向前后摆动，量测时取时段内的平均位值。
跃后水深与跃前水深之差称为跃高。
跃前断面与跃后断面之间的距离称为水跃长度，简称跃长。
二、水跃的分类水跃的形式与跃前断面水流的佛汝得数1Fr 有关。
为此，根据跃前断面佛汝得数1Fr 的大小对水跃作一分类，具体如下。
7.111<<Fr ，水跃表面将形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿流降低，最后消失，种形式的水跃称为波状水跃。
由于波状水跃无旋滚存在，混掺作用差，消能效果不显著，波动能量要经过较长距离才衰减。
当7.11>Fr 时，水跃成为具有表面水滚的典型水跃，具有典型形态的水跃称为完全水跃。
此外，根据跃前断面佛汝得数1Fr 的大小，还可将完全水跃再作细分。
但这种分类只是水跃紊动强弱表面现象上有所差别，看不出有什么本质上的区别。
5.27.11<≤Fr ，称为弱水跃。
泄水建筑物下游常采用的水面衔接及消能措施有哪几种
思考题9.1 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？9.2 怎样判别堰、闸下游水流衔接形式（即确定水跃位置），可能有哪三种形式的水跃产生？9.3 在什么情况下，堰、闸下游需要修建消能池？如何确定消能池的深度及长度。
习题9.1 试求实用断面堰下游收缩断面的水深，并判断下游的水跃衔接形式。
已知：坝高 1P 与 2P 均为 7 m ，单宽流量 q 为 8 m s m ⋅/3，流量系数 m 为 0.49；流速系数 ϕ 为 0.95；下游水深 1h 为 3 m 。
9.2 高度 P 为 2 m 的跌水，其出口处设平板闸门控制流量，如图所示。
当流量 Q 为 10 m 3/ s 时，下游水深 t h 为1.4 m ；河槽为矩形断面，底宽 b 为 4 m ；闸门前水头 H 为 1.6 m ；行近流速 0v 为 1 m / s ；流速系数 ϕ 为 0.97。
试计算收缩断面水深 e h ，并判断衔接形式。
9.3 一矩形断面的陡槽，宽度 b 为 5 m ，下接一同样宽度的缓坡渠槽。
当流量 Q 为 20 m 3/ s 时，陡槽末端水深 1h 为 0.5 m ；下游均匀流水深 t h 为 1.8 m 。
试判别水跃的衔接形式；如果水跃从 1一1 断面开始发生，所需的下游水深应为多少？9.4 一单孔溢流坝，护坦宽与堰宽相同。
试在下列已知条件下设计一降低护坦式消能池；q 为 8 m 3/ s ； 0H 为 2.4 m ；2P 为 7 m ；t h 为 3.5 m ；ϕ为 0.95（图同题9.1）。
9.5 某水库溢流坝为 5 孔，每孔净宽 b 为 7 m ，闸墩厚 2 m ，各高程如图所示。
今已知各孔闸门全开，通过流量 Q 为 1 400 m 3/ s 时，上游水位高程为 162.4 m ；下游水位高程为 110.0 m ；试判断下游水跃衔接形式。
若需要，可设计一消能坎式消能池。
9.6 某电站溢流坝为 3 孔，每孔宽 b 为 16 m ；闸墩厚 4 m ；设计流量 Q 为 6 480 m 3/ s ；相应的上、下游水位高程及河底高程如图所示。
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能
第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能1、计算消力池池深和池长的设计流量一般选择 ( ？？ )(1) 使池深和池长最大的流量 (2) 使池深和池长最小的流量(3) 使池深最大而池长最小的流量 (4) 使池深最小而池长最大的流量 2、下面几种情况，哪一种情况不需做消能工 ( ) (1) h c02 ＞h t ； (2) h c02 ＜ h t ； (3) h c02 ＝ h t ； (4) 无法确定；(h t ：下游水深； h c02：临界水跃跃后水深 )3、从水跃发生的位置、水跃的稳定性以及消能效果综合考虑，底流消能的水跃流态以__稍有淹没的_水跃为佳，必须避免出现______远离_______水跃 。
4、底流消能主要是通过 水跃 来消耗水流的动能，底流消能水力计算的任务是确定 消能池深度及长度。
5、某矩形断面渠道中有一泄洪闸，闸门为平面闸门。
已知闸上游水深H = 5m ，下游水深 h t = 2.5m ，闸门开度 e = 2m ，垂向收缩系数 'ε= 0.6 ，流速系数 ϕ= 0.95 。
试判别闸孔下游是否要做消能工。
(闸上游发生无离式水跃，要做消能工。
)6、设有一溢流坝，各部位的高程如下图所示。
当下泄单宽流量 q =15 m 3／s 时，下游矩形断面河槽中的水深h t m =55.，坝趾收缩断面水深 h c0=0.86 m ，流量系数 m =0.49。
(1)求坝顶全水头 H 0；(2)求坝前水流总比能 E 0；(3) 坝下游是否产生水跃 ？(4)判别坝下游是否要采取消能措施。
(1、m 65.3H 0=2、m 65.18E 0= )7、有一宽顶堰，如图所示。
其堰前水深不变，当下游水深为 h t 时，堰下游为远离式水跃 ，问当下游水深逐渐增大时，水流情况如何变化？8、无闸门控制的溢流坎，下游坎高m 6P s =，单宽流量m s /m 8q 3⋅=时的流量系数45.0m =。
用数解法求收缩断面水深h 及临界水跃的跃后水深''C h 。
水利讲义0泄水建筑物下游水流衔接以及消能
底流消能的水力计算任务：
分析建筑物下游的水流衔接形式 判定水跃发生的位置 确定必要的工程措施
10.1.1 泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
0
判断下游水面衔接形式
淹没系数定义为 远驱式水跃
j
ht hc "
j
ht hc "
1
临界水跃
j
ht hc "
1
淹没水跃
j
ht hc "
1
工程设计中
j
ht hc "
1
淹没水跃
淹没水跃系数
j
ht hc "
1.05 ~ 1.10
水跃稳定、消能效果好、淹没程度也不大
j
ht hc "
1.2
随下游水深的升高，在主 流的下游，形成一个漩滚区，类 似底流，在鼻坎下部也有一个漩 涡，把主流与消力池底板隔离， 是面流。
淹没混合流
鼻坎附近形成有三个漩滚，鼻坎底下为 漩滚，上部为主流，漩滚将主流与底板隔离， 这部分属于面流。
最下游的漩滚为水跃漩滚，底流位于底 部，这部分为底流。
最上游的漩滚标志着淹没水跃。
hc
基准面
0
c
αv02 2g
H
P1
0
E0
hc
cvc2 2g
vc2
2g
hc
(c
) vc2 2g
E0
P2
第九章 消能(zhu,2013).
所以取hc=0.421m。
（2）计算临界水深hk
q 2 3 62 hk 3 1.54m g 9.8
hc hk ht
所以水流将从急流过渡到缓流， 故在溢流坝下游将产生水跃
（3）判别水跃位置（水跃的衔接形式）
2 2 h q 0.421 6 hc c ( 1 8 3 1) ( 1 8 1) 3.972 m 3 2 ghc 2 9.8 0.421
§9.2 泄水建筑物下游水流的衔接形式与消能方式 消能原理：
将动能转化为势能； 水流旋滚，通过水流内部碰撞摩擦消能 水流在空中扩散，与空气摩擦、掺气消能 与下游水流碰撞消能 与河床碰撞消能
面流式衔接与消能
1、底流式消能(underflow energy dissipation)
通过水跃产生的表 面旋滚和强烈的紊 动来消除余能。
水跃的淹没系数
ht j hc
工程上采用稍有淹没的水跃,σj取值为1.05~1.10
例题：某溢流坝为WES剖面，上、下游坝高均为10m，坝 顶部设闸门控制流量。今保持坝顶水头H=3.2m，调节闸门 开度，使单宽流量q=6m3/s.m，相应的下游水深ht=3.05m。 试判别坝下游水跃的衔接形式。 解：（1）计算hc
Hydraulics
§9.1
问题的提出
概述
选用适当的措施，在下游较短 的距离内消除多余能量△E，并 使高速下泄的集中水流安全地 转变为下游的正常缓流。
△Z
如图所示一溢流坝，单宽流量 q=80m3/s m，上下游 水位差为△Z= 60m，若不计流速水头及坝面能量损耗， 上下游能量差近似等于上下游水位差，即△E=60m。那 么单位宽度河床上每秒钟应消除的能量为
hc ht 3.05m
10泄水建筑物下游消能防冲
第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第一节概述天然河道中的水流一般多属于缓流，单宽流量沿河宽方向的分布较均匀。
但当河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，河道中流动条件发生了较大变化，下泄水流（比未建坝前的水流）流速大，水流能量大，对下游河床具有较大破坏力。
特别是为节省工程造价，这类泄水建筑物的泄水宽度比原河床小，单宽流量加大，形成了高速水流下泄，能量更为集中，破坏性越大。
如图所示一个溢流坝，坝趾处的单位能量为：E1下游2-2 断面单位为：E2余能：ΔE＝E1－E2设单宽流量为：q = 80 m3/s-m略去流速水头，不计水头损失则单位宽度河床上每秒应消除的能量为N＝γqΔE＝9800×80×60＝47000000 N-m/s = 47000 kW这样巨大的能量，若不采取有效措施，则会掏刷河床、冲毁河堤、甚至建筑物遭到破坏泄水建筑物下游水力设计的主要任务就是：选择适当的消能措施，在下游较短距离内消除余能，使高速水流安全转变为下游正常缓流，与原河道水面正常衔接。
第二节泄水建筑物下游水流的衔接形式与消能方式常采用的衔接与消能的措施有许多种。
典型的有：1、底流消能（水跃消能）消力池消力坎总和消力池2、挑流消能3、面流消能面流消能：泄水建筑物的末端做成鼻坎，使下泄水流出坝后，射向下游水流的表面，高速水流与河底之间形成巨大的旋滚，把水股与河床隔离，同时起主要消能作用。
面流：要求下游水位变幅不要大，这种消能方式有利于漂木、泄冰。
典型的面流以下请看消力池中流态转变过程这是典型的底流，从挑流鼻孔中下泄的水流在消力池中形成水跃，主流和鼻坎之间的漩涡有助于消能。
从鼻坎下泄的主流，在消力池中抬高，水流漩涡把主流与消力池底板隔开。
随下游水深的升高，在主流的下游，形成一个漩滚区，类似底流，在鼻坎下部也有一个漩涡，把主流与消力池底板隔离，是面流。
鼻坎附近形成有三个漩滚，鼻坎底下为漩滚，上部为主流，漩滚将主流与底板隔离，这部分属于面流。
《水力学》课程复习思考题
《水力学》课程复习思考题《水力学》课程复习思考题绪论1、什么叫水力学？2、水力学的基本原理和计算方法是否只适用于水？3、水利工程中经常遇到的水力学问题有哪些？4、为什么说水力学是水利类各专业一门重要的技术基础课？5、水力学的发展简史主要经历可那几个阶段？6、水力学的正确研究方法是什么？7、水力学中实验观测方法主要有哪三个方面？8、近代水力学的系统理论是怎样建立的？9、水力学中液体的基本特征是什么？10、引入连续介质假定的意义是什么？11、液体质点有何特点？12、为什么说研究液体的物理性质是研究液体机械运动的出发点?13、密度是如何定义的？它随温度和压强如何变化？14、容重是如何定义的？它随哪些因素变化？15、比重的概念？16、密度和容重之间有何关系？17、水力学中，水的密度、容重计算值是如何确定的？18、何谓液体的粘滞性？其主要成因是什么？它对液体的运动有何意义？19、牛顿内摩擦定律的内容是什么？20、空气与水的动力粘滞系数随温度的变化规律是否相同？试解释原因。
21、试证明粘滞切应力与剪切变形角速度成正比？22、何谓牛顿流体？非牛顿流体包括那几类？23、表面张力的概念？其产生的原因是什么？24、为什么较细的玻璃管中的水面呈凹面，而水银则呈凸面？并且水会形成毛管上升，而水银则是毛管下降？25、试证明每增加一个大气压，水的体积只缩小二万分之一？26、理想液体和实际液体有何区别？27、静止液体是否具有粘滞性?28、液体内摩擦力与固体内摩擦力在性质上有何区别？29、运动液体与固体边界之间存在摩擦吗？30、作用于液体上的力按表现形式可以分为几类？各是什么？按物理性质又可分为哪些？第一章水静力学1、水静力学的任务是什么？2、为什么可以应用理论力学中的刚体平衡规律来研究水静力学？3、研究水静力学的目的有哪些？4、静水压力的特性是什么？试加以证明。
5、液体静力学基本方程的推导及各种表达形式的意义？6、什么是等压面？重力作用下等压面必须具备的充要条件是什么？7、什么是绝对压强、相对压强、真空及真空度？8、Cpz=+γ中的p是绝对压强还是相对压强？9、常用的压强量测仪器有哪些？10、压强的表示方法有几种？其换算关系怎样？11、从能量观点说明Cpz=+γ的意义？12、绘制压强分布图的理论依据及其绘制原则是什么？13、压强分布图的斜率等于什么？什么情况下压强分布图为矩形？14、作用于平面上静水总压力的求解方法有哪些？各适用于什么情况？15、怎样确定平面静水总压力的大小、方向及作用点？16、在什么情况下，压力中心与受压面形心重合？17、压力体由哪几部分组成？压力体内有水还是无水，对静水总压力沿铅垂方向分力的大小和方向有何影响？18、曲面静水总压力的大小、方向、作用点如何确定？19、二向曲面静水总压力的计算方法如何推广的空间曲面？20、水静力学的全部内容对理想液体和实际液体都适用吗？第二章液体运动的流束理论1、简述拉格朗日法和欧拉法的基本内容？2、拉格朗日变数和欧拉变数各指什么？3、何谓恒定流与非恒定流？举例说明。
水力学-消能参考文档
0.72 5.6637875 1.631528 4.4499315 34.11213 27.28971
0.73 5.6178378 1.2630394 4.7723818 33.72608 26.98086
（2）用试算法计算消力池池深
' hc02
q2
2g( ' hc02 )2
d
ht
q2
2g(1ht )2
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：
H
a1
v02
2g
hc0
vc02
2g
vc
2 0
2g
令，T为有效水头，T0称为有效总水头，则有
H
a1
v02
2g
T
v02
2g
T0
T0
hc0
(
)
vc02 2g
令流速系数 1
为
hj
，v则t2 有
2g
H1
v12
2g
ht
vt2
2g
hj
ht
(
) vt2
2g
H1
ht
(
)
vt2 2g
v12 2g
H1 ht z
1
12
• 上式可改写为
z vt2 v12 2g12 2g
•以
vt
q ht
,v1
代入q上式得
' hc02
z
q2 2g
1
(1ht
)2
(
' hco2 )2
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。
水力学第九章泄水建筑物下游水流消能与衔接赵
Lk = (0.7 ~ 0.8)Lj
对闸孔出流下的消力池，池长可按下式计 算：
Lk = (0.5 ~ 1.0)e + (0.7 ~ 0.8)Lj
护坦末端修建消能坎所形成的消力池
坎高c的确定：
c = hT − H1 = σ jhc′′ − H1
H1
=
H10
−
v12 2g
=( q
σ sm
2g
下游水流波动大、挑流鼻坎易气蚀破坏及雾 化严重；当河床基岩破碎或河床狭窄岸坡陡 峻时，可能造成河床严重冲刷或岸坡塌滑。
选定鼻坎形式、确定反弧半径、坎顶高程和 挑射角，估算水股挑距、冲坑深度以及对建 筑物的影响等。
挑流射程的计算
挑流射程L应包括空中射程L0和水下射程L1， 即：
L = L0 + L1
hc′′ = ht 临界水跃
hc′′ > ht 远离水跃
hc′′ < ht 淹没水跃
收缩断面水深的计算
选通过下游收缩断面底
部水平面为基准面，列
堰上游断面0-0及下游
收缩断面c-c的能量方
程，得
P2
+H
+ α0v02
2g
= hc
+ αcvc2
2g
+ζ
vc2 2g
E0
=
P2
+
H
+
α0v02ຫໍສະໝຸດ )2 / 3−q2 2 ghT2
=
(
σ
q sm
2g
)2 / 3
−
q2
2g(σ jhc′′)2
消力坎式消力池设计注意事项
在开始计算时，由于坎高尚未确定，无法判别过坎 水流是否为淹没出流。因此，需试算求解坎高c。
第9章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
9.2 挑流消能的水力计算
9.3 面流及消能戽消能简介
2
第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
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。具有如下特点： 1.建坝后的水头增加,下泄水流的流速增大，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。
v0
2g
2g
v2 Z2 2
4
h1 1
可能引起的不良后果：
引起河床严重冲刷 例如奥地利的列伯令(Lebring) 坝，上下游水位 落差为11.35米，砂卵石河床，冲刷坑的深度达 到12米，可见冲刷之严重性。 因此，在设计水工建筑物时，要选择合理的 水流衔接形式，采取必要的工程措施，将泄水 建筑物下泄水流的部分动能加以消除和转变为 势能，即所谓消能问题，以改善水流状态，保 证建筑物的安全。
水跃向下游移动，跃前断面远离 收缩断面 修消 缺点：保护段长，不经济 能池
(c) ht > hc〞 淹没式水跃衔接
水跃涌向上游并淹没了收缩断面
缺点：随着淹没程度的增加，消能 效果下降
26
水跃淹没系数σj：
j
ht hc
>1，淹没水跃
＝1，临界水跃 <1，远驱式水跃 非淹没水跃
护坦长度： 远驱式水跃 临界式水跃
P
29.0 0
c hc c 27.0 0
30.0 0 ht
qc 11 1.571m P H 25
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
1、计算消力池池深和池长的设计流量一般选择 ( ) (1) 使池深和池长最大的流量 (2) 使池深和池长最小的流量
(3) 使池深最大而池长最小的流量 (4) 使池深最小而池长最大的流量 2、下面几种情况，哪一种情况不需做消能工 ( ) (1) h c02 ＞h t ； (2) h c02 ＜ h t ； (3) h c02 ＝ h t ； (4) 无法确定；
(h t ：下游水深； h c02：临界水跃跃后水深 )
3、从水跃发生的位置、水跃的稳定性以及消能效果综合考虑，底流消能的水跃流态以______________________________水跃为佳，必须避免出现_________________水跃 。
4、底流消能主要是通过_________来消耗水流的动能，底流消能水力计算的任务是确定_____________________。
5、某矩形断面渠道中有一泄洪闸，闸门为平面闸门。
已知闸上游水深H = 5m ，下游水深 h t = 2.5m ，闸门开度 e = 2m ，
垂向收缩系数 'ε= 0.6 ，流速系数 ϕ= 0.95 。
试判别闸孔下游是否要做消能工。
(闸上游发生无离式水跃，要做消能工。
)
6、设有一溢流坝，各部位的高程如下图所示。
当下泄单宽流量 q =15 m 3
／s 时，下游矩形断面河槽中的水深h t m =55.，坝趾收缩断面水深 h c0=0.86 m ，流量系数 m =0.49。
(1)求坝顶全水头 H 0；(2)求坝前水流总比能 E 0；(3) 坝下游是否产生水跃 ？(4)判别坝下游是否要采取消能措施。
(1、m 65.3H 0=2、m 65.18E 0= )
7、有一宽顶堰，如图所示。
其堰前水深不变，当下游水深为 h t 时，堰下游为远离式水跃 ，问当下游水深逐渐增大时，水流情况如何变化？
8、无闸门控制的溢流坎，下游坎高m 6P s =，单宽流量m s /m 8q 3
⋅=时的流量系数45.0m =。
用数解法求收缩断
面水深h 及临界水跃的跃后水深'
'C h 。
9、无闸门控制的溢流坝，坝高m 13P =，单宽流量m s /m 9q 3⋅=时的流量系数45.0m =。
若下游水深分别为
,m 5.1h ,m 3h ,m 55.4h ,m 7h 4t 3t 2t 1t ====试判断这4个下游水深时的底流衔接形式。
10、单孔进水闸，单宽流量m s /m 12q 3⋅=，流速系数95.0=ϕ，其它数据见图示。
求： （1）判别下游底流型的衔接形式；
（2）若需要采取消能措施，设计降低护坦消能池的轮廓尺寸。
11、无闸门控制的克—奥型曲线溢流坝，上下游坝高分别为m 10P ,m 11P 21==，过流宽度m 40b =，在设计水头下流量)49.0m (s /m 120Q b 3==，下游水深m 5.2h t =，
（1）判别下游底流型的衔接形式；
（2）若需采取消能措施，就上述条件，提出降低护坦和加筑消能坎两种消能池的轮廓尺寸。
12、单孔水闸已建成消能池如图所示，池长m 16L B =，池深m 5.1s =。
在图示的上下游水位时开闸放水，闸门开度
m 1e =，流速系数9.0=ϕ。
验算此时消能池中能否发生稍有淹没的水跃衔接。
13、顶孔由平板闸门控制的溢流坝，有多种运用情况，其中一组为，当水头m 5.3~5.2H =时，闸门开度m 5.1e =，坎高m 5.8P =，流速系数9.0=ϕ。
下游水深与单宽流量的关系见下表。
试选定这组情况下的消能池设计单宽流量ds q 及dt q 。
q h t ~关系
)m (h t
3.40 3.45 3.50 3.55 )m s /m (q 3⋅
5.00
5.50
6.00
6.50
14、有一WES 型溢流坝，坝高m 50P =，连续式挑流鼻坎高m 5.8a =，挑角030=θ。
下游河床为第Ⅲ类岩基。
坝的设计水头m 6H d =。
下泄设计洪水时的下游水深m 5.6h t =。
估算： （1）挑流射程； （2）冲刷坑深度；
（3）检验冲刷坑是否危及大坝安全。