消能池的水力计算

消能池的水力计算
[日期：12/31/2005
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从以上分析可知，为了改变不利的衔接形式，可采取人工措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。

这种消能措施称为消能池（或消力池）。

形成消能池的工程措施，根据泄水建筑物下游地基情况，可以有两种基本方式：①挖深式消能池：降低护坦高程形成消能池，使池内水深大于，产生淹没水跃；②坎式消能池：在护坦末端加筑消能坎形成消能池，使坎前水深大于，产生淹没水跃。

当然也可以采用既较低护坦高程又修建消能坎的综合消能池。

如图9－5所示。

下面讨论它们的水力计算方法。

图9－5
（一）挖深式消能池的水力计算
1、池深的计算
如图9-5－1所示，下游河道水深为，在开挖前，与收缩断面水深相对应的上游总水头，开挖后，护坦高程降低值为。

图9－5－1
此时与收缩断面水深相对应的上游总水头
（9-5）
为使池内发生稍有淹没的水跃，消能池末端水深为
（9-6）
式中水跃的淹没安全系数，为降低护坦高程后收缩断面水深所对应的共轭水深。

由图9-5－1可知
（9-7）
式中为水流由消能池进入下游河道时，由于过水断面减小而引起的水面跌落，其水流特性与宽顶堰相同。

对消能池出口断面1-1与下游断面2-2列能量方程，有
令，将，及代入上式并化简，得
（9-8）
式中为下游河道水深，为消力池的流速系数，取决于消力池出口处的顶部形式，一般取为0.95。

由式（9-5）、式（9-6）、式（9-7）和式（9-8）四个方程联立求解消能池深度。

需要注意的是，收缩断面的共轭水深是随消力池深度的变化而变化的。

因此，与之间是一复杂的隐函数关系。

故求解消力池深度时，一般需用试算法。

对于中小型工程，池深的估算公式是
（9-9）
式中是以原河床为基准面按总水头求得的的共轭水深，为下游水深。

2、池长的确定
在消能池范围内，底部流速高，紊动强烈，冲刷力强，池底和边墙都要用混凝土或浆砌石保护。

消力池过长会增加建筑费用，但池长太短，即使深度已够，也不能在池内形成良好水跃，未经充分消能的底部主流会越出消能池，冲刷下游河床。

合理的池长应从平底自由水跃的长度出发来考虑。

消能池中的水跃因受消能池尾端垂直壁面的阻挡，产生反向作用力，减少了水跃长度。

实验表明它的长度比自由水跃缩短20%—30%，故从收缩断面起算的消能池长为
（9-10）
式中为平底自由水跃的长度。

（二）筑坎式消力池的水力计算
当判明建筑物下游水流自然衔接为远离式水跃时，若采用挖深式消能池，因河床不宜开挖或开挖太深，造价较高，此时可采用消能坎，使坎前水位壅高，以保证池内发生稍有淹没的水跃。

其水流现象与挖深式消能池相比，主要区别在于池末水流不是宽顶堰流而是折线型实用堰流，如图9－5－2所示。

图9－5－2
其水力计算的主要任务是确定坎高及池长。

池长的计算与挖深式消能池相同，下面主要介绍坎高的计算。

图9-7
如图9-5－2所示，为保证池中发生稍有淹没的水跃，消能坎的坎前水深应满足
（9-11）
式中为收缩水深的共轭水深，显然
（9-12）
故（9-13）
式中为坎顶水头，可由堰流公式计算求出。

故（9-14）
式中，水跃的淹没安全系数；消能坎的流量系数，初步计算时取；为消能坎的淹没系数。

淹没系数取决于消能坎的淹没程度，即
消能坎淹没的条件是：当时，消能坎为非淹没堰，；当时，为淹没堰，，计算时可参考表9-2选用。

表9-2 消能坎的淹没系数
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78
1.00 0.990 0.985 0.975 0.960 0.940 0.930 0.915 0.900 0.885
0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0,90 0.92 0.95 1.00
0,865 0.845 0.815 0.785 0.750 0.710 0.651 0.535 0.000
显然，计算消能坎的高度时，必须依据消能坎的过流能力，而消能坎的过流能力与坎顶溢流是否淹没有关，坎顶溢流状态主要取决于坎的高度。

现坎高为未知量，因此，只能试算求解。

一般先假设坎顶为自由溢流，由（9 -14）式求得坎高，然后再验算流态。

如果消能坎后水流为自由溢流，此值即为所求。

如果属淹没溢流，则必须考虑淹没系数的影响，重新试算求出合理的坎高。

应当注意的是，当消能坎为自由溢流时，一定要校核坎后的水流衔接形式。

若坎后为淹没水跃式衔接，则无须修建第二级消能坎。

若坎后为远离式水跃衔接，则必须修建第二级消能坎，并校核第二道消能坎后的水流衔接形式，直到坎后产生淹没水跃衔接为止。

既降低池底，同时又建造不太高的消能坎的综合式消能池，它的水力计算方法与上述类似，不再细叙。