水力学(课件)第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
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H P1
q hci 1 2 g ( E0 hci )
ht
q2 E0 P 1 H 13.2m 取 0.9 ， hc 0 0 2 2g (P 1 H) q 6 h 0.414 第一次迭代计算 c1 2 g ( E0 hc 0 ) 0.9 19.6 (13.2 0) q 6 0.421 第二次迭代计算 hc 2 2 g ( E0 hc1 ) 0.9 19.6 (13.2 0.414) q 6 h 0.421 第三次迭代计算 c3 2 g ( E0 hc 2 ) 0.9 19.6 (13.2 0.421)
前进
问题的提出
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
C C
ht
ht
降低护坦高程所形成的消能池的水力计算
hT d ht z
△Z
C
C1 C C1
hT
d Lk
ht
hT j hc1
hT j hc1
依能量方程式
q hc1 2 2 2 2 g ( E h 2 ) q 1 1 V V 0 c 1 V12 V22 V 2 1 2 [ ] z z 2 2 2 1 ) 2 g ( ht ) ( j hc 2g 2g 2g 2 g 2 g
q2 E0 hc 2 ghc2 2
q hci 1 2 g ( E0 hci )
泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响
水跃的位置仍然取决于
ht
C C
收缩断面水深hc的共轭
ht ht
水深 hc与下游水深ht的 相对大小。
ht hc 则跃前断面恰好在收缩断面处，称为临界式水跃 ht hc 则跃前断面在收缩断面的下游，称为远离式水跃 ht hc 则跃前断面在收缩断面的上游，称为淹没式水跃
0V02
2g
hc 2e
C
C
H P1 C E E0
C
Vc2 依能量方程式 查表9.1 E0 hc 2g 2g
cVc2
Vc2 E0 hc ( c ) 2g
令流速系数 对于矩形断面
1 c
Vc2 Q2 hc 则有 E0 hc 2 2 g 2 gAc2 2
N gqE 9800 80 60 47000000W 47000kW
目前常采用的三种衔接与消能措施：
底流式消能：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 动来消除余能。 挑流式消能：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。下泄水流的 余能一部分在空中消散，大部分在水 舌落入下游河道后被消除。
面流式消能：将下泄的高速水流导向 下游水流的上层，主流与河床被巨大 的底部旋滚隔开。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。
底流式消能的水力计算
C
C
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响 控制水跃位置的工程措施
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
消能池出口 处流速系数
d j hc1 (Βιβλιοθήκη Baidut z )
初估池深的近似公式 d j hc ht 消能池长度Lk的计算
Lk (0.7 ~ 0.8) Lj
例题2：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。试判别坝下游是否需要设置消能措施？若需 要设置消能措施，且采用降低护坦式的消能池深d=1.1m 时，能否满足要求？
H
P1
ht
解:（一）判别下游是否需要设置消能措施 同例1计算，溢流坝下游将发生远离式水跃，故需要
采取工程措施，控制水跃位置。
H △Z P1 C C1 C C1
hT d
ht
（二）计算消能池深d=1.1m时，是否满足要求 (1)计算新的收缩断面水深及其共轭水深 E0 d 14.3m 取 0.9 ， E0 hc(0) 1 0
所以取hc=0.42m。
（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 0.42 6 hc c ( 1 8 3 1) ( 1 8 1) 3.98m 3 2 ghc 2 9.8 0.42
hc ht
故溢流坝下游将发生远离式水跃衔接形式
控制水跃位置的工程措施
当建筑物下游产生远离(驱)式或临界式水跃衔接时， 为了改变这种不利的衔接形式，必须采取一定的工程措
施，加大建筑物下游水深。
降低护坦高程， 在下游形成消能池
C C
ht
ht
在护坦末端修建消 能坎来壅高水位，使 坎前形成消能池
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1：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
(1) h 第一次迭代计算 c1
q hc(0) ) 2 g ( E0 q
6 0.398 0.9 19.6 (14.3 0)
第二次迭代计算 h
(2) c1
6 0.404 (1) hc1 ) 0.9 19.6 (14.3 0.398) 2 g ( E0
q hci 1 2 g ( E0 hci )
ht
q2 E0 P 1 H 13.2m 取 0.9 ， hc 0 0 2 2g (P 1 H) q 6 h 0.414 第一次迭代计算 c1 2 g ( E0 hc 0 ) 0.9 19.6 (13.2 0) q 6 0.421 第二次迭代计算 hc 2 2 g ( E0 hc1 ) 0.9 19.6 (13.2 0.414) q 6 h 0.421 第三次迭代计算 c3 2 g ( E0 hc 2 ) 0.9 19.6 (13.2 0.421)
前进
问题的提出
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
C C
ht
ht
降低护坦高程所形成的消能池的水力计算
hT d ht z
△Z
C
C1 C C1
hT
d Lk
ht
hT j hc1
hT j hc1
依能量方程式
q hc1 2 2 2 2 g ( E h 2 ) q 1 1 V V 0 c 1 V12 V22 V 2 1 2 [ ] z z 2 2 2 1 ) 2 g ( ht ) ( j hc 2g 2g 2g 2 g 2 g
q2 E0 hc 2 ghc2 2
q hci 1 2 g ( E0 hci )
泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响
水跃的位置仍然取决于
ht
C C
收缩断面水深hc的共轭
ht ht
水深 hc与下游水深ht的 相对大小。
ht hc 则跃前断面恰好在收缩断面处，称为临界式水跃 ht hc 则跃前断面在收缩断面的下游，称为远离式水跃 ht hc 则跃前断面在收缩断面的上游，称为淹没式水跃
0V02
2g
hc 2e
C
C
H P1 C E E0
C
Vc2 依能量方程式 查表9.1 E0 hc 2g 2g
cVc2
Vc2 E0 hc ( c ) 2g
令流速系数 对于矩形断面
1 c
Vc2 Q2 hc 则有 E0 hc 2 2 g 2 gAc2 2
N gqE 9800 80 60 47000000W 47000kW
目前常采用的三种衔接与消能措施：
底流式消能：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 动来消除余能。 挑流式消能：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。下泄水流的 余能一部分在空中消散，大部分在水 舌落入下游河道后被消除。
面流式消能：将下泄的高速水流导向 下游水流的上层，主流与河床被巨大 的底部旋滚隔开。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。
底流式消能的水力计算
C
C
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响 控制水跃位置的工程措施
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
消能池出口 处流速系数
d j hc1 (Βιβλιοθήκη Baidut z )
初估池深的近似公式 d j hc ht 消能池长度Lk的计算
Lk (0.7 ~ 0.8) Lj
例题2：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。试判别坝下游是否需要设置消能措施？若需 要设置消能措施，且采用降低护坦式的消能池深d=1.1m 时，能否满足要求？
H
P1
ht
解:（一）判别下游是否需要设置消能措施 同例1计算，溢流坝下游将发生远离式水跃，故需要
采取工程措施，控制水跃位置。
H △Z P1 C C1 C C1
hT d
ht
（二）计算消能池深d=1.1m时，是否满足要求 (1)计算新的收缩断面水深及其共轭水深 E0 d 14.3m 取 0.9 ， E0 hc(0) 1 0
所以取hc=0.42m。
（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 0.42 6 hc c ( 1 8 3 1) ( 1 8 1) 3.98m 3 2 ghc 2 9.8 0.42
hc ht
故溢流坝下游将发生远离式水跃衔接形式
控制水跃位置的工程措施
当建筑物下游产生远离(驱)式或临界式水跃衔接时， 为了改变这种不利的衔接形式，必须采取一定的工程措
施，加大建筑物下游水深。
降低护坦高程， 在下游形成消能池
C C
ht
ht
在护坦末端修建消 能坎来壅高水位，使 坎前形成消能池
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1：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
(1) h 第一次迭代计算 c1
q hc(0) ) 2 g ( E0 q
6 0.398 0.9 19.6 (14.3 0)
第二次迭代计算 h
(2) c1
6 0.404 (1) hc1 ) 0.9 19.6 (14.3 0.398) 2 g ( E0