水力学-消能解读

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。
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。
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。
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。
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。 (新安江水库)
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
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 v02Βιβλιοθήκη 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
泄水建筑物下游水跃发生的位置不同可分为临界式水跃、 远离式水跃和淹没式水跃三种形式。从水跃发生的位置、 水跃的稳定性以及消能效果等方而综合考虑，采用稍有淹 没的淹没水跃进行衔接与消能较为适宜。
水跃的淹没程度用水跃淹没系数表示：
' ht hc02
工程中常采用淹没系数为 1.05 ~ 1.10
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。
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
0'0' 线为挖深d后的护坦底 图中0—0线为原河床底面线， 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。