水力学高教课本

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。

ξ

9-2 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。

1、要判断水跃衔接形式，首先要计算

h c ，h c "

，h t 。

h t 一般由河槽的水力特性或者通过Q 确定。 h c

"

只有知道

h c

即可用水跃公式求出。关键是要计算

h c

，先建立计算

h c

的基本

方程。

如图：以c-c 底 部 水平线为基准，建立o-o 与 c-c 的能量方程。

g

v g v h g v E c

c c 2222202

ζα++=+

图

H P E 020+=

g

v H H 20

2

0+=

∴

()h g Q

h g

v h E c c c c 2

22

2022ϕζα+

=++

=

ζ

αϕ

+=12

如果 c-c 为矩形， h b A c

∙= b Q q =

则

h g q h E c c

2

2202ϕ+

=

ϕ

—— 流量系数，可根据P 203 表 9-1查

也可用经验公式来确定。

高坎

⎪⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=s q 23

2

.0ϕ

S —— 上游水位至 c-c 底部垂直距离

p 2 30

H p 2

155

.01-=ϕ

从

h g Q

h E c c 2

22

02ϕ+

= 可看出，求

h c

要解二次方程，一般可采用试算

法，图解法 和渐近法。

试算法

已知 溢流坝断面形状，尺寸，E 0

，Q 和

ς时。

用

h g Q

h E c c

2

22

02ϕ+

= 试算。

设

h c

计算

h g Q h c c

2

222ϕ+

，如等于

E 0

，则为所求

h c

，否则重设。

2. 逐次渐近法

将

h

g

Q

h

E

c

c2

2

2

02ϕ

+

=

设为

h

E

g

q

h

c

c-

=

2

2

2ϕ

1)令h c

=0

E

g

q

h c

2

2

2ϕ

=

求

h c1

；

2)将h c1

代入

h

E

g

q

h

c

c-

=

2

2

2ϕ

求

h c2

;

3)再将h c2

代入求

h c3

，基本相等。

例 P 205 9-1

矩形断面可用图解法，

h

h

k

c

c

=

ξ

，

h

E

k

=

ξ

，

h

h

k

c

c

"

"=

ξ

三 . 消力池的水力计算

当判断泄水建筑物下游发生临界式或远离式水跃，则就要采取工程措施，使水跃变为有一定淹没深度的淹没水跃，使泄水建筑物下游发生淹没的关键是增大下游水深，增大

h t 的方法有三种：

江堤护坝高程，形成消力池，挖深式消力池

护坝末端建一道低坎，形成消力池，消力坎消力池。

综合式消力池

一) 挖深式消力池的水力计算

1、主要确定消力池的d 和L

当将下游河挖深后，深度为d ,形成消力池。

池内水力现象如图所示：