底流消能工布置
跌坎式底流消能工跌坎深度确定及工程应用
Ｄ ｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｌｌｉｎｇ－－ｓｉｌｌ ｄｅｐｔｈ ｆｏｒ ｂｏｔｔｏｍ －－ｆｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｉｌｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＺＥＮＧ Ｙｕａｎｙｕａｎ，ＺＨＡＯ Ｗｅｉ，ＸＵ Ｘｉｎｘｉｎ，ＷＡＮＧ Ｈａｉｊｕｎ
ａｓ ｗｅｌ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｈｅｒｅｉｎ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆ ｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｔｔｏｍ —ｆｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ； ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆａｌｌｉｎｇ—ｓｉｌｌ；ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ；ｈｉｇｈｗａｙ ｐｉｅｒ
能研 究提 供参 考 。
关键 词 ：底 流 消能 ；跌 坎深 度 ；消 力池 ；高速公路 桥墩
ｄｏｉ：１０．１３９２８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｒａｈｅ．２０１６．０５．００６
中 图分 类 号 ：ＴＶ１３５．２
文 献 标 识 码 ：Ｂ
文章 编 号 ：１０００—０８６０（２０１６）０５—００２４ ０５
流在 淹 没射流 区沿 着射 程 向四周扩 散 ，在射 流 四周 进 行掺 混 、摩 擦 和 剪 切 作 用 达 到 消 能 的 目的 ；另 一 方 面 ，跌坎 的存 在使 得人射 主流 的射 程增加 ，主流能 量 沿程 得 到一定 消耗 ，有 效地 降低 了临底 流速 ，从 而降 低 了消力 池底 板 的 水 力 学 指标 Ｊ。影 响跌 坎 式 消 力 池 内流 态 、底 板 临底流 速 以及 消力 池消 能效率 直接 取 决于跌坎深度¨Ｊ，因此 ，设计 跌坎式消力池体 型的 关键 是确 定合 理 的跌坎深 度 。本文结 合实 际工 程 以消 力池 中允 许 的最大 临底 流速 为控制 目标对 消力 池 的体 型进 行优 化试 验研究 。
底流式消能工的研究与设计
报
第
奋
入流 佛 氏数 与 消 能塘选型 的 关 系
消能 塘 是 底 流水 跃 消能 工 的 主体 平
、
,
容 纳 水 跃 在 塘 内进 行 大功 率 的 集 中消 能 其 流态随 入 流 佛 氏数 r F 而改 变
一 ,
,
,
。
塘底水
:
不 设 辅 助 消能 工 的 二 元 自由水跃
,
F , 可表 达为
,
, :
除 主要 与 泄 流水头 和单 加 以 侧 t 手段
。 ,
堰
口 布 置和 闸墩 体型 等都 有 影响
和研 究 方法 的 局限
至 今所 提 出的 计算 方 法 多为 经 验或 半经 验 公 式
且 结 果各 有不 同
工
程 上 常采 用 以 下 两个计 算 公 式
(l ) 水 利水 电科 研院 陈椿庭 公 式 流速 系数 式中
F r 式中
,
,
一 v
’
.
司丽了
m)
,
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一
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*
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度 (m
s
— )
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,
单 宽流量 ( m
h
.
、
,
1
—
。
— 跃 首断 面 的 急流水 深 与平均 流速 ( m)
。
/
s
h
*
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的临 界水 深 (m )
、
g
(m / s )
。
—
重 力加 速
应 力 求使 所 设 计 的消 能塘在 各种 运行 工 况 下均能 产生 一定 程度的 淹 没水跃 并对 各种 形 态的 水跃提 供 适 当的 消能 作 用 熟的 定型 设计 (l )当 水跃
水闸的消能防冲设计
消力池的结构形式
（1）挖深式，如图(a)； （2）消力坎式，如图(b)； （3）综合式，如图(c)。
（二）消力池池身池长的确定
消力池的结构型式和尺寸（长、深）应充分满足底流水跃消能的要 求（产生一定淹没的水跃）。
1．水跃共轭条件
（1）跃后共轭水深h”与跃前收缩断面 水深hc之间的关系
Z
q 2 2g 2t 2
q 2 2gh
（5-16）
►4．消力池的长度
消力池总长度包括斜坡段和护坦水平段。
Lsj=Ls+Lj
式中 Ls—斜坡段水平投影长度； Lj——自由水跃长度，Lj =6.9(h-h)；
—水跃长度校正系数，=0.7～0.8。
（三）构造要求
1．护坦的作用 护坦位于消力池底部，是消力池的底
在闸室下游一定长度的河岸边坡要进行保护。
护坡形式有：浆砌石、干砌石、混凝土板。
护坡坡脚与海漫、防冲槽的连接处要有可靠连接，如设 置防淘墙等。
水闸上游的水流流速往往较大，也应该进行护底和 护坡。
作业
P248 思考题第8题
（六）波状水跃、折冲水流的防止措施
在消力池中，可以加设辅助消能工，其作用是 促成水跃，提高消能效果，减小消力池的长度和深 度，降低尾坎高度。
最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩、 消力梁等。
1—趾墩 2—消力墩 3—尾坎
下游翼墙的作用是保护闸下两岸不受冲刷，并帮助 水流均匀扩散。
翼墙的长度一般不小于海漫的长度。在消力池范围内， 翼墙（或导墙）最好做成铅直的，在池后缓流区再用扭 曲面或其他方式与下游坡连接。
（二）设计条件
上游：最高水位 下游：相应最低水位
消力池段施工工法
消力池段（B-B-5）分部工程施工工法一．工程概况溢洪道消力池段溢洪道出口采用底流式消能，底流消能段自桩号0+280.67至0+325.67，长45M，宽度为10M～18M，底板高程1403.42M。
消力池采用整体式结构，底板采用C30钢筋砼，厚2.5M。
边墙采用C30钢筋砼，墙高14.0M，墙厚2.0-1.0M。
二．施工方法及质量技术要求溢洪道消力池段开挖按照“自上而下、先覆盖层后基岩,开挖一层、支护处理一层的原则进行施工，土方开挖主要分为：场地清理，土方开挖分段进行，采用自上而下分层分段依次进行，施工顺序为：1、开挖施工技术要求1.1土石方开挖表层的有机土壤需单独开挖，并运至指定场地堆放，同时做好排水及防止雨水冲刷措施。
土方和残坡积物覆盖层及全风化岩层、岩块及碎石，需开挖清除，部分能够符合填筑要求。
1.2.边坡开挖按设计坡比自上而下进行，高度较大的边坡应采用梯段分层开挖，垂直梯段高度一般不大于15M。
对开挖出露的软弱岩层和构造破碎带应及时按设计要求进行支护等处理，并采取有效的堵、排水措施。
开挖边坡的支护应在分层开挖过程中逐层进行，上层的支护应保证下层开挖安全顺利进行，未完成上层支护，严禁进行下一层开挖施工。
开挖坡面做到平顺，无陡坡、反坡，岩石中的断层、裂隙、软弱夹层局部反坡、凹坑按设计要求处理。
1.3.建基面开挖基础建基面采用预留保护层或控制爆破技术进行开挖，严格控制开挖平整度和爆破对保留区岩体的影响。
要求开挖面无陡坡尖角、反坡，倒悬岩体，开挖后的岩石表面应干净、粗糙，岩石中的断层、裂隙、软弱夹层按设计要求处理。
结构面上的破碎和松动岩块、泥土、锈斑等采用人工清除处理。
开挖面不欠挖、少超挖。
1.4控制爆破基础和坡面岩石开挖优先采用预裂爆破和光面爆破技术，对不适合预裂爆破和光面爆爆破的部位，采用预留保护层开挖法。
预裂爆破相邻两炮孔间的不平整度应控制在15CM以内，孔壁表面不产生明显的爆破裂隙，炮孔残留率满足技术规范要求。
底流消能PPT
底流消能的工作原理：在坝址下游设消力池,
消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃， 通过水流的内部摩擦，掺气和撞击消耗能量。
11
Li
底流消能
底流消能
水跃的基本流态 对平底、无辅助消能设 施的二维自由水跃，其流态随跃 首断面 弗劳德数而改变，随着Frl的不同，水跃 可划分为以下四种基本形式。
底流消能
1）当ht=h’ c时，产生临界水跃 2）当ht<h’ c时，产生远驱水跃 3）当ht<h’ c时， 产生淹没水跃
在工程中一般希望水跃能在较小的淹没水 跃下运行。
底流消能
运用底流消能的工程
太平湾水电站是中朝两国联合开发鸭绿江干流的梯级电站 之一。该工程的水力特点是低水头大流量，最大单宽流量 为１２０．５ｍ３／（ｓ· ｍ），佛氏数低，消能困难，本 工程采用消力池内加设辅助消能工
①弱水跃。相应于Frl=1.7～2.5。消能效率 不高
②颤动水跃。相应于Frl=2.5～4.5。水跃消 能效率 约为18％～45％ ③稳定水跃。相应于Frl=4.5～9 。 消能效率 约为45％ ～ 70％ ④强水跃。相应于Frl>9。消能效率大于70％
底流消能
底流消能中的辅助消能工
消力池是底流消能的主
贵州省遵义市鱼塘水电站岸坡式溢洪道底流水跃消能工设 计中,比较了各种型式的消力墩、消力坎的作用及布置和常 用的消力池型式
要消能工
辅助消能工主要有： （1）趾墩 （2）前墩 （3）后墩
（4）尾槛
底流消能
底流消能的下游局部冲刷与防冲措施
海漫与防冲槽是水跃种衔接形式
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hc的共轭水深h’c与下游 水深ht的相对大小，可能出现下列三种衔接形式：
低佛氏数底流消能辅助消能工模型试验分析
Ｌ ｎ —ｈ ｎ Ｉ Ｍｅ ｇ ｃ ｅ ｇ，Ｔ Ｇ ｉｈ ｎ ＯＮ Ｈａ — ｏ ｇ
（ ｏｌ ｅｏ ａｅ ０ 。 Ｃ ａｇｈ ｎｖｒｔ ｆ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｃ ａｇｈ １０６， ｈｎ ） Ｃｌｇ ｅ ｆＷ ｔ ｃ Ｗｅ ， ｒ ， ｈ ｎｓａ Ｕ ｉ ｓｙｏ ｃ ｎｅａｄ Ｔｃｎｌ ｙ ｈ ｎｓａ４０ ７ Ｃ ｉ ｅｉ ｅ ｏ ａ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｏ Ｆ ｏ ｄ ｕ ｅ ； ｕ ｉ ａ ｙ ｅ ｅ ｇ ｉｓｐ ｔｒ Ｔ ｔｐ ｉ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ｌｗ ｒ ｕ ｅ ｎ ｍｂ ｒ ａ ｘ ｌ ｒ ｎ ｒ ｄ ｓ ｉ ａｅ ； ・ｙ ｅ ｐ ｅ ；ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｓ ｉ ｙ ｄ ｌｔｓ
平原闸坝枢 纽和中小型水 电工程泄水建筑物 的泄水宽度常
ｅｅｇ ｉｓ ａｉ ｒ ｈｃ ｔ ｒｌ ｒｕ ｅｎｍｂｒ ｉ ｈ ｇ ｔ ｃｕｅ ｄｄｓｒｅ ｐ ｌ ｉ ｔ ｎａｄａｐｉａｏ ｎ ｎｅ ｎ， ｎｒ ｄｓｉ ｔｎｆ ｍ ｗ ｉ ｉ ｆ ｗ Ｆｏｄ ｕ ｅ ｄｓ ａ ｅｓ ｔｒｓａ ｅｅｖｓｐ ｕａ ｚ ｉ ｎ ｐｌ ｔ ｎｉ ｅｇ ｅｒ ｇ ｙ ｐ ｏ ｏ ｈ ｓｉ ｆ ｏ ｏ ｃｒ ｕ ｒ ｎ ｏ ｒ ａｏ ｃｉ ｎ ｉ ｉ
第３ ３卷第 ９期
古贤水利枢纽泄水建筑物出口底流消能设计探讨
２ 消力池方 案的初 步选择
古 贤 水 利枢 纽 泄水 建 筑 物 具有 １２０ ｉｎ高 水 头 、 ３５ ｍ／ｓ流 速 、最大 泄 流达 ９ ０８７ ｍ３］ｓ的特点 。为消 除 下 泄 水 流 的能 量 ，保 护 建 筑 物 下 游 不 被 淘刷 ，防 止 河 床 揭 底 联 片 冲 刷 、危 及 岸 坡 安 全 ，泄 洪 洞 和排 沙 洞 出 口消能 方 式 首选 挑 流 消能 。但 是 ，在 右 岸 地 面 厂 房 方 案 中 ，由于 地 形 限制 ，电站 厂房 距 泄 洪 排 沙 洞 出 口挑 坎 位置 最 近仅 约 １００ ｍ，厂房 受 挑流 雾 化 影 响 严 重 。为 减 轻或 避 免 雾化 影 响 ，右岸 地 面 厂 房 方 案泄 洪排 沙 洞 出 口消能方 式 宜考 虑底 流 消能 。
Ｊｓ＝ 一 一（ＶＨｏ－ＶＨ１）；
；
日ｏ＝ ｏ＋ 瓣 ２ ；
ห้องสมุดไป่ตู้
式 中：
安 全系 数 ，取 ｏ－＝１．１０；
一 级 池池深 ，ｍ；
Ｈ —— 坎 顶 总水头 ，ｍ；
ｂ — — 一级 池 内收缩 断面池 底宽 度 ，ｍ；
６厂一 一级 池 内跃 后 断面池 底宽 度 ，ｍ；
一 一 级池 内收 缩断 面水深 ，ｍ；
底 流 消 能 是 利 用 在 消力 池 内产 生 水 跃 进 行 消 能 的一 种传 统 消 能方 式 ，具 有 适 应性 强 、流 态稳 定 、 冲刷轻微等特 ｌ生。底流消能不但适用于低水头大单 宽 流量 的平原河道或通航河道 ，在高水头 、大流量 的泄 水 建筑 物 上 也得 到 相 当普遍 的应 用 ，目前 国 内 如 向家 坝 、安 康 、五 强溪 、清 江 隔河 岩 等 高 坝枢 纽 以 及 国外 一些 高 水 头 、大 流 量 的泄 水 建 筑 物 均有 采 用 底 流 消能 的 工程 实例 。
低水头泄水建筑物消能工概述
低水头泄水建筑物消能工概述我国在消能防冲方面的研究工作和取得的成果较多。
目前泄水建筑物常用的消能形式有底流消能、面流消能、挑流消能以及上述三种形式的结合运用[1]，其中底流消能是国内外最常采用的一种低水头消能形式。
我国已建、在建和拟建的中下游水利枢纽一般水头不高，单宽流量大，佛氏数小，其消能存在的一个主要问题是消能率较低。
若利用水跃消能，当Fr<4.5时，消能率一般为20%～45%，大量能量被水携带到下游，造成下游水流强烈紊动和波动，给下游消能防冲带来较大困难。
1底流消能底流消能工多用于中小型水利工程，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，利用水跃消能的特点来达到消除下泄水流多余的动能。
底流消能主要通过水跃实现，高速水流的动能位于河床底部，当来流佛氏数较小时，其消能率较低。
水跃可以消能，但其形式不同，消能效果随之不同，仅从消能效果来看，临界水跃的消能率是最大的，但临界水跃常常不稳定，因此工程上常采用稍有淹没的淹没水跃，这样建筑物下游护坦长度较短，工程造价低，消能效果好[2]。
底流消能常见的消能工形式主要有消力池、消力坎、綜合式消力池等。
而低佛氏数的底流消能以消力池最为常用，一般工程中多采用美国垦务局水工试验室推荐的USBRⅣ、USBRⅢ、USBRⅡ型消力池。
2辅助消能工一般将佛氏数Fr≤4.5的水跃称为低佛氏数水跃，它的显著特点是在消力池内水流消能不充分，消能率一般为20%～40%;另一方面表现为跃后垂线流速分布不均匀，水跃后水面波动较大。
低佛氏数水跃的消能防冲是低水头水利工程的一个普遍水力学问题，其特点是水跃消能率低，下游存在较大波浪，不仅淘刷岸坡、影响工程的运行，而且对下游河床冲刷严重。
由于低佛氏数底流消能的消能效率低，消力池工程量往往较大，为了解决低佛氏数水跃的消能问题，增强低佛氏数水跃的消能率，提高消力池的消能效果，缩短消力池长度，减小消力池的深度，从而降低造价，通常在消力池内需要设置一些辅助消能工，如：趾墩、消力墩、消力坎、尾墩、尾坎等，以达到稳定水跃、分散水流、加强紊动剪切和掺混的目的，使消力池性能大大改善[3]。
水闸的消能和防冲处理的工程措施
挑流消能
利用挑流鼻坎将下泄水流挑射至下游 河床或人工设置的消能工上，通过碰 撞、雾化、冲刷等作用消减水能。
消能效果的评估
消能率
消能率是衡量消能效果的重要指标，计算公式为消能率=（下游 水位对应的能量/上游水位对应的能量）×100%。
水闸的消能和防冲处理的工 程措施
汇报人： 2024-01-08
目录
• 水闸消能概述 • 水闸消能工程措施 • 水闸防冲处理工程措施 • 水闸消能和防冲处理案例分析 • 水闸消能和防冲处理工程措施
的未来发展
01
水闸消能概述
消能方式
底流消能
通过在下游设置消力池或消力槛，利 用水跃消减水能，使下泄水流在消力 池内形成水跃，达到消能目的。
流速分布
通过测量下泄水流在不同位置的流速，分析流速分布情况，评估 消能效果。
冲刷深度
冲刷深度是衡量消能效果的另一个重要指标，过大的冲刷深度可 能导致下游河床破坏。
消能设施的维护与管理
1 2
定期检查
对消能设施进行定期检查，发现损坏或异常情况 及时修复。
清理淤积
定期清理消能设施内的淤积物，保持设施畅通。
3
调整运行方式
根据实际情况调整水闸的运行方式，以降低对下 游河床的冲刷影响。
02
水闸消能工程措施
水闸底流消能的工作原理
水闸底流消能的工作原理水闸底流消能是指利用适当的工程措施，减少水闸下游底流的水流能量，防止下游底流冲击闸底和下游工程，保护水闸和下游工程的安全。
水闸底流消能的工作原理主要有以下几个方面。
首先，水闸底流消能的工作原理之一是通过底流控制设施的设置来减少底流的流速和流量。
底流控制设施通常包括底孔泄流和闸后激流消能措施。
底孔泄流是指在水闸底部设置合适的放水孔，通过控制底流的放水速度和放水流量，有效降低下游底流的水流能量。
闸后激流消能措施是指在水闸下游设置合适的消能结构，如消能坎、碎石坝等，通过消耗下游底流的水流能量，减少其对下游工程的冲击。
其次，水闸底流消能的工作原理之二是通过导流建筑物的设置来引导底流流向适当的位置，并减少底流的水流能量。
导流建筑物通常包括导流堤坝、导流闸门等。
导流堤坝是指在水闸下游设置的一道横向的堤坝，通过改变水流的流向，减少水流冲击闸底的力量。
导流闸门是指在水闸底部设置的可调节的闸门，通过控制闸门的开启程度，调节底流的流速和流量，减轻下游底流的水流能量。
第三，水闸底流消能的工作原理之三是通过改变底流的流态来减少其水流能量。
底流的流态改变包括流态控制和漫流消能。
流态控制是指通过合理设计流道的形状和尺寸，使底流由迅速流态逐渐变为缓慢流态，从而减少其流速和水流能量。
漫流消能是指在水闸下游设置适当的漫流水工建筑物，如漫坝、漫床等，通过改变底流的流态，将其能量转化为水体的势能和动能，从而消耗底流的水流能量。
最后，水闸底流消能的工作原理之四是通过合理的堆石排列来减少底流的水流能量。
合理的堆石排列可以增加摩擦阻力，使底流的流速降低，从而减少其水流能量。
此外，堆石排列还可以使底流的水流分散，减轻水流对下游工程的冲击。
因此，在水闸底流消能工程中，堆石排列是一种经济有效的工程措施。
综上所述，水闸底流消能通过底流控制设施的设置、导流建筑物的设置、改变底流的流态和合理的堆石排列等工程措施，减少底流的流速和流量，改变底流的流向和流态，从而降低底流的水流能量，防止其对下游底部和工程的冲击，保护水闸和下游工程的安全。
底流消能工布置—水闸设计规范
底流消能工布置——水闸设计规范闸下水流的消能方式：底流式消能、挑流消能、面流式消能。
底流消能工布置1 消能工的布置底流式消能设施有三种形式：下挖式、突槛式和综合式，如下图所示。
消力池型式示意图（a）下挖式；（b）突槛式；（c）综合式下挖式：当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。
消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于1：4。
突槛式：当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。
综合式：当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。
当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。
尾槛：布置在消力池末端：调整流速分布，减小出池水流的底部流速，且可在槛后产生小横轴旋滚，防止在尾槛后发生冲刷，并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。
2消力池构造要求消力池底板（即护坦）：承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。
护坦一般是等厚的，但也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。
护坦厚度：可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。
消力池末端厚度取值。
配筋：底板一般用C15或C20混凝土浇筑而成，并按构造配置Ф10～12mm、@25～30cm的构造钢筋。
大型水闸消力池的顶、底面均需配筋，中、小型的可只在顶面配筋。
排水孔：为了降低护坦底部的渗透压力，可在水平护坦的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径一般为5～10cm，间距1.0～3.0m，呈梅花形布置。
分缝与止水：护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。
护坦自身的缝距可取10～20m，靠近翼墙的消力池缝距应取得小一些。
护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性，缝宽2.0～2.5cm。
缝的位置如在闸基防渗范围内，缝中应设止水设备；但一般都铺贴沥青油毛毡。
水闸的消能防冲设计
护坡坡脚与海漫、防冲槽的连接处要有可靠连接，如设 置防淘墙等。
水闸上游的水流流速往往较大，也应该进行护底和 护坡。
作业
P248 思考题第8题
（二）设计条件
上游：最高水位 下游：相应最低水位
三、底流消能工设计
（一）、水闸消能防冲布置
水闸闸下消能防冲典型布置图
护坦。保护水跃范围内的河床不受水流冲刷。
消力池。创造形成淹没水跃的条件。消力池实质上
就是形成水跃、消刹能量的地方。
护岸。在消力池的两侧，设置边墙，以保护两岸。 海漫。消除消力池水流的余能。 防冲槽。进一步消除水流的余能，防止河床被淘刷，
h" hc ( 2
8Fr2 1 1)
（2）收缩断面水深hc的确定
消力池内决定于上游水位Zu与消力池 底板之间的高程差E0，可按下式计算。
hc3
E0 hc2
q 2 2g 2
0
（3）跃后共轭水深h与
下游水深的关系
当下游水深不能满足共轭水深条件 时，将形成远驱水跃或淹没水跃。此时， 应采用合适的消力池结构促使水跃发生 在消力池内。
河床土质 Ks
Ks值表
粉砂、 中砂、粗砂、
细砂
粉质壤土
14~13
12~11
粉质粘土 10~9
坚硬粘 土
8~7
（五）防冲槽
要想完全消除河床冲刷，必须设置相当长的海漫长 度，这样非常不经济。
为了保护河床可能发生的不利冲刷，常常在海漫末 端设置防冲槽。
防冲槽的尺寸应根据可能冲刷深度确定，槽内石块 体积应略多于继续冲刷后形成护坡的石头方量。
海漫末端的河床冲刷深度可按下式计算。
dm
1.1 qm [v0 ]
跌扩型底流消能工压力分布特性的试验研究
关键词 ： 水力学 ； 压力分布 ； 试验研究 ； 跌扩型底流消能工 ； 弗劳德数 Ｆ 突扩 比； ； 跌坎深度
中 图分 类 号 ： Ｖ１５ Ｔ ３ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２１８ （ ０ １０ —０ ６０ １ ７—６３ ２ １） １０ ３—４
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ：Ｂａ ｅ ｈ ｅｈ ｄｏ ｄ ａ ｌｃｔ ｓ ｈ ｎ ｌ ｎ ｅｏ ｘ ａ ｓｏ ａｉ ｄ ｐ ｈｏ ｈ ａｌ ｉ ｎ ｈ ｌｗｉｇ ｉ ｏ ｄ ｕ ｅ ｎ ｓｄｏｎｔ ｅｍ ｔ ｏ ｆｈｙ ｒ ｕｉ ｅ ｔｔ ｅｉｆｕｅ ｃ ｆｅ ｐ ｎ ｉｎ ｒｔｏ， ｅ ｔ ｆｔ ｅｆｌｎｇｓｌ ａ ｄ ｔ ｅｆｏ ｎ —ｎＦｒｕ ｅ ｎ ｍｂ ｒｏ ｉ ｌ ｔ ｅｈｙ ｏ ｄ ｎ ｍ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｉ ａ ｔａ ｅ ｆｔ ｅｓｉ ｉｇｂ ｓｎ ｂ ｔｏ ｉ ａ ａｙ ｅ ｍｐｈ ｔｃ ｌ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｒｈ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｃ ｏ ｉｇｔ ｅａ ｐ ｏ ｈ ｄｒ－ ｙ ａ ｃ ｒｓ ｕ ｅｉ ｍｐ ｃ ｒａｏ ｈ ｔｌｎ ａ ｉ ｏ ｔｍ ｓ ｎ ｌｚｄ ｅ ｌ ａｉａｌ ｙ ｅｒ ｓａ ｃ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈｏ ｓｎ ｈ ｐ ｒ — ｐ ｉｔ ｘ ａ ｓｏ ａｉ ｄ ｐｈ ｏ ｈ ａｌｎ ｉ ｎ ｈｅｆ ｗｉｇ ｉ ｏ ｄ ｕ ｒａ ｅｅ ｐ ｎ ｉｎ ｒｔｏ， ｅ ｔ ｆｔ ｅｆｉｉｇ ｓｌ ａ ｄ ｔ ｌ ｎ —ｎＦｒ ｕ ｅｎ ｍｂｅ ａ ｏ ｒｔ ｙ ｒｕ ｉｓｉ ｉａｏ ｓｏ ｈｅｓｉｉｇ ｂ ｓｎｂ ｔｏ ｌ ｏ ｒｃｎ ｌｗｅ ｈｅｈ ｄ ａ ｌｃ ｎｄｃ ｔｒ ｆｔ ｔｌｎ ａｉ ｏ ｔｍ ｌ ａ ｄｔ ｅ ｓｄ ｗａｌｅ ｅ ｔｖ ｌ ｎ ｔ ａｌ ｇ ｓｌ ａ ｄｅ ｐ ｎ ｉｇｂｏｔ ｍ ｌｗ ｎ ｒ ｙ ｄｓｉａ ｅ． Ｕｎ ｅ ｈｅｏ ｔ ｕ ｃ ｍｂｎ ｔｏ ｈ ｙ ｃ ｎ ｎ ｔｏ ｙ ｎ ｈ ｉｅ ｌ ｆ ｃｉｅｙ ｉ ｈｅｆｌｎ ｉ ｎ ｘ ａ ｄｎ ｔｏ ｆｏ ｅ ｅ ｇ ｉｓｐ ｔｒ ｉ ｌ ｄ ｒｔ ｐ ｉ ｍ ｏ ｉａ ｉｎ ｔ ｅ ａ ｏ ｎｌ ｍ ｋｅ ｐｔ ｅｅ ｅｇ ｓｉａ ｅｒｔｏ ｈｇｈ ｒｂ ｔａｓ ａ ｅ ｈ ｙ ｒ － ｙ ｍｉ ｒ ｓｕ ｅｌｗｅ ｏａ ｅｔｔ ｅｂ ｔｏ ｐａｅ ｒ ｍ ｅ ｅ ｌ ｐｎ ｎｉ — ｅ ｈ ｎ ｒ ｙｄｉｓｐ ｔ ａｉ ｉ ｅ ｕ ｌｏｃ ｎｋｅｐ ｔ ｅｈ ｄ ｏ－ ｎａ ｃｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｒｔ ｖ ｒ ｈ ｏｔ ｍ ｌｔ ｓｆｏ ｌｖ ｅｓｉ ｉｇ ｉ ｍ － ｄ ｐ
底流消能工
底流消能工
主讲人陈
诚
专业带头人 副 教 授
监理工程师 造价工程师
2014.09
复新河节制闸
姜唐湖分洪闸
城西湖退水闸
荆江分洪闸
哈灵水道挡潮闸
引滦入津进水闸
底流消能工形式
底流消能工形式
挖深式 消力槛式 综合式 多级消能
闸下尾水深度小于跃后水深 闸下尾水深度略小于跃后水深 闸下水深度远小于跃后水深，消力池较深 闸下水深度远小于跃后水深，上下游水位差大，尾水较浅
其他参数
t t
= k1 = k2 Py
q ΔH ' ，k1计算系数，0.15-0.2
- γhd γ1
，k2安全系数1.1-1.3
Py－扬压力；hd－池内平均水深；
γ－水的重度（KN/m3）；
γ1－消力池底板的饱和重度（kN/m3）
（2）平面布置
扩散布置 扩散角7 °~12°，扩散度1:5 ~ 1:8
谢谢各位！
主持单位:
黄河水利职业技术学院 福建水利电力职业技术学院 湖南水利水电职业技术学院
参建单位:
杨凌职业技术学院 四川水利职业技术学院 山西水利职业技术学院 长江工程职业技术学院 重庆水利电力职业技术学院
（3）排水孔布置 位置 布置在池的后半部
布孔参数 梅花型布置，5 ~10cm，@1 ~ 2m
（4）反滤层布置 位 置 护坦底部，有时向上游延伸至闸底板 布置参数 从上到下依次为碎石层、粗砂层和细砂层，厚度
（5）分缝布置 种类 结构缝
20~30cm。
结构缝，纵缝（沉降缝、温度缝），不设横缝 护坦~底板，护坦~翼墙，翼墙分段缝
（一）护坦的布置要求
组成 水平段 斜坡段
底流式消能工
力加速度
流速系数
查表 自动计算
)((1+8Frc2)0.5-1)
佛劳德数
收缩水深
0.28
0.52
试算 通过计算得出
-2.49
应流量的正常水深
面平底消能池设计
68.68 1.05 -69.17 3.00 0.95 0.22 0.27 输入数值 一般取0.95 自动计算 选用公式计算 自动计算 1.0＜σ ＜1.1
E0=hc+q2/(2gψ 2hc2) 下游河床至泄水建筑物上游总水头 收缩断面处的单宽流量 重力加速度 流速系数 hc"=(hc/2)((1+8Frc2)0.5-1) 佛劳德数 收缩水深 渠道通过相应流量的正常水深
矩形断面平底消能池设计
池深S计算公式： σ： △z=(Q2/2gb2)((1/ψ ′ht2)-(1/σ 2hc"2)) b： ψ ′： 池长Lk计算公式： Lj： σ hc"=ht+S+△z 安全系数 消能池出口水面落差 消能池宽度 消能池出流的流速系数 Lk=(0.7～0.8)Lj 自由水跃的跃长
远离水跃： 水流衔接判断： 临界水跃： 淹没水跃：
水跃长度计算条件：
当1.7＜Fr1＜9.0 当9.0＜Fr1＜16
下泄流量Q 已知条件: 2.94
收缩断面宽B 3
收缩水深hc计算公式： E0： q： g： ψ： 跃后水深(共轭水深)hc"计算公式： Frc=q/hc(ghc)0.5 hc： 下游水深ht：
渠道的底坡i 下游水深ht计算： 试算水深h 粗糙系数n 边坡系数m 渠道底宽b 过水断面面积A 流量Q 湿周χ h 0.000
0.0050 0.5219 0.0200 0.0000 3.0000 1.5656 2.9400 4.0443 0.5221
底流消能设计在斧子口水利枢纽的应用
３ ． １ 坎 高 Ｃ的计 算 （ 如 图 ２所 示 ）
遇设计洪水及 以下洪水时 ，消力池 内流态有所改善 ，消力池
下游河床 冲淤 晴况与原设计方案相近 ，试验报告结论 为｝ 肖 力池 长度缩短 １ ２ｍ的方案可行／ ３ １ 。 经综合考虑计算结果与整体水工模型试验成果 ，最后 确定
３ 水力计算
根据 《 水力计算手册》 ，综合式 消力 池坎高 ｃ和池深 Ｊ ｓ
按下列公式计算 。
行水工整体模型试验。通过整体水工模型试验 ，对设计方案进
行 了验证 并在该 方案基 础上优化 ，将 原设 计方案 （ 池长 ８ Ｏ ｍ） 的消力池长 度缩短 １ ２ ｍ。优化 试验结果认 为 ，在宣 泄 １ ０ ０年
企业科技与发展
４ ． ２ 抗浮稳定计算
消力池底板按抗 浮稳定安全 系数按下式计算 ： Ｖ一 而
Ｐ＋Ｇ
５ ． ６ 计 算成 果
消力池边墙稳定及应力计算成果见表 １ 、表 ２ 。
表１ 消力池边墙稳定及应力计算成 果表
左边墙 计算参数 （ 重力式挡墙） 右边墙 重式挡墙）
Ｌ： （ ３ ． ２ ～４ ． ３ ）ｈ
溢流坝反弧段半径 可按下式计算 ：
Ｒ＝ （ ４ １ ０ ）ｈ
经计算 ，溢流坝反弧段半径 Ｒ确定为 ２ ５ｍ。在下 泄 ５ Ｏ年
一
遇设 计 流量 １ ２ ４ ０ ｍ 时 ，消力 池坎 高 ３ ． ８ ４ ｍ，下 挖 池深
５ ． ３ ０ ｍ，计算 消力池长度 最大值 为 ６ ５ ． ６ １ ｒ ｆ ｌ ，下 游河床 高程为
： ＝ 争（ 嘱
一 １ ）
¨ 纛
消力池池深应 使池 内形成稍有淹没的水跃 ，池深 Ｓ按下列
水利枢纽水闸消能工设计措施
可以在消力池中增加辅助消能工， 比较常尉的辅助消能功有：
趾墩、尾坎 、消力梁、消力墩等 。水闸消能防冲布置 图如 图
１所示 。
状水跃和折 冲水流 ，考虑 到以上情况在设计 水闸的时候 ，要 保证水跃 出现在 闸下 的范 围中 ，为 了防止对 下游 河床造成严
重 的 冲 刷 ，要 尽 可 能 的利 用表 面 的水 滚 进 行 消 能 。 ２ ．确 定 消 能 防 冲 设 计 的 条 件
的过 程中不需要对底板 的抗浮作用进行考虑 ，板 的厚度要根 据抗 冲计算得 出 ，消力池底板 的计算系数使用 ０ ． ２，从 上表 可以看 出 ，当西部 电站不进行发 电的时候 ，水头差在 ２米以
下 的 时候 ，拦 河 闸 的下 泄 流 量 为 ３ ， １ ８ ４ ｍ０ ／ ｓ 时 ，消 力 池 的
拦 河 水 闸 闸 门开 启 ，对 天 然 河 道 的 行 洪条 件 进 行 恢 复 。 （ ２ ）
底板 厚度 为 １ １ ２ ｍ ，消力池 的最高长度为 ２ ３ ， １ ０ ７ ｍ。
４ ． 计 算 防 冲 槽 和 海 漫
当水流量在 ４ ， ２ ５ ０ ｍ。 ／ ｓ以下 ，在 ８ ５ ３ ． ９ ｍ。 ／ ｓ以上 的时候 ， 要 开启 部 分 闸 门 ，调 节下 泄 流量 使 闸前 ，水 位 要 保 持 在 １ ０ ． ６ ｍ 。（ ３ ）当水流量在 ８ ５ ３ ． ９ ｍ０ ／ ｓ以下时 ，要关 闭全单 宽流 量
下 游水 深 ｍ
消 力 池底 跃 后 水 深 ｍ Ｈ 一 Ｈ
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
１ ５ ５
出口段及消能设施
出口段及消能设施有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，水流出隧洞口之后进入消能设施。
无压隧洞出口山体需要防护，其作用是防止洞口山体及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接（图1）。
泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。
泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。
近年来国内也在研究和采用新的消能方式：如窄缝挑流消能和洞内孔板突扩消能等。
1、挑流消能当隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地质条件允许时，采用扩散式挑流消能比较经济合理，因为它结构简单，施工方便，国内外泄洪、排沙隧洞广泛采用这种消能方式（图8-21）。
当隧洞轴线与河道水流交角较小时，可采用斜向挑流鼻坎，靠河床一侧鼻坎较低，使挑射主流沿河床纵向扩散，减轻对河岸冲刷（图2）。
2、底流消能当隧洞出口高程接近下游水位时，也可采用扩散式底流水跃消能。
底流消能具有工作可靠、消能比较充分、对下游水面波动影响范围小的优点，但缺点是开挖量大、施工复杂、材料用量多、造价高。
图3所示为一有压泄水隧洞出口底流消能的典型布置。
水流由隧洞出口经水平扩散段横向扩散，再经曲线扩散段和斜坡段继续扩散，最后进入消力池。
这种布置方式由于使水流横向充分扩散，单宽流量减小，可使消力池的长度和深度也相应减小。
3、窄缝式挑坎消能窄缝式挑坎消能为挑坎处采用收缩成窄缝的布置形式（图4）。
窄缝式挑坎与等宽挑坎不同之处在于，它的挑角很小，一般取0°，顺水流方向，两侧边墙向中心的显著收缩使出水口处水流迅速加深，水舌的出射角在底部和表层差别很大，底部约0°，表层可达45°左右，因此导致水舌下缘挑距缩短，上缘挑距加大，水流挑射高度增加，使水流沿纵向扩散延长，增大空中扩散面积，减小了对河床单位面积上的冲刷强度和冲击动能，同时水舌在空中扩散时及入水时大量掺气，在水舌进入水垫后气泡上升，减小了水舌入水的潜水深度并改善水流流态，从而大大减轻了对下游河床的冲刷。
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底流消能工布置
底流消能工的作用是通过在闸下产生一定淹没度的水跃来保护水跃范围内的河床免遭冲刷。
淹没度过小，水跃不稳定，表面旋滚前后摆动；淹没度过大，较高流速的水舌潜入底层，由于表面旋滚的剪切，掺混作用减弱，消能效果反而减小。
淹没度取1.05~1.10较为适宜。
底流式消能设施有三种形式：下挖式、突槛式和综合式，如图1所示。
图1 消力池形式
（a）下挖式；（b）突槛式；（c）综合式
当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。
消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于1：4。
当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。
当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。
当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。
下挖式消力池、突槛式消力池或综合式消力池后均应设海漫和防冲槽（或防冲墙）。
消力池末端一般布置尾槛，用以调整流速分布，减小出池水流的底部流速，且可在槛后产生小横轴旋滚，防止在尾槛后发生冲刷，并有利于平面扩散和消减边侧下游回流，见图2。
图3为连续式的实体槛【图3（a）】和差动式的齿槛【图3（b）】。
连续实体槛壅高池中水位
-1-
的作用比齿槛好，也便于施工，一般采用较多。
齿槛对调整槛后水流流速分布和扩散作用均优于实体槛，但其结构形式较复杂，当水头较高、单宽流量较大时易空蚀破坏，故一般多用于低水头的中、小型工程。
图中几何尺寸可供选用时参考，最终应由水工模型试验来确定。
图2 尾槛后的流速分布
图3 尾槛型式
(a)连续式；(b)差动式
标签：底流消能工设计突槛式
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