水力学 第9章-泄水建筑物下游的水流衔接与消能

v0
2g
2g
v2 Z2 2
4
h1 1
可能引起的不良后果：
引起河床严重冲刷 例如奥地利的列伯令(Lebring) 坝，上下游水位 落差为11.35米，砂卵石河床，冲刷坑的深度达 到12米，可见冲刷之严重性。 因此，在设计水工建筑物时，要选择合理的 水流衔接形式，采取必要的工程措施，将泄水 建筑物下泄水流的部分动能加以消除和转变为 势能，即所谓消能问题，以改善水流状态，保 证建筑物的安全。
c vc2
2 0v0
2g
P2 H 0
(9.2) (9.1)
vc2 E0 hc hw hc ( c ) 2g 2g
令流速系数 1 / c
vc2 E0 hc 2 g 2
，则 (9.3)
P2
可得收缩断面的平均流速表达式
vc 2 g ( E0 hc )
P
29.0 0
c hc c 27.0 0
30.0 0 ht
qc 11 1.571m P H 25
取α0≈1，则
1.5712 E0 P H 25 7.126m (高堰，不考虑速度水头) 2g 2 9.8
已知φ =0.90，故有
112 7.622 7.126 hc h c 2 9.8 0.90 2 hc2 hc2
q2 E0 hc 2 2 /( q / g h k) 2 2 hk hk 2 g hc
令ξ 0=E0/hk， ξ c=hc/hk，则有
ξ [ksai]
0 c
1 2
2 2 c
(9.5)
14
借助本章末附图Ⅰ图解曲线来简化计算：
0 c
1 2
2 2 c
(9.5)
取hc=1.12m，则上式右边=7.196 > 左边
取hc=1.15m，则上式右边=6.913 < 左边 取hc=1.125m，则上式右边=7.147 > 左边 取hc=1.127m，则上式右边=7.128 ≈左边 所以，取hc=1.127m
18
（b）迭代法计算的具体过程：
112 7.622 7.126 hc hc 2 2 2 2 9.8 0.903 hc hc
1 0.0155P / H
(
q
2/3
(2)
s
) 0.2
高坝，其中s为上游水位与收缩断面底 部的高程差，以m为单位。
22
9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 当水流经泄水建筑物(如闸、坝等)下泄时，势能逐渐 减小，动能逐渐增加，在建筑物下游某过水断面上水深 达到最小值、平均流速达到最大值，这个断面称为收缩 断面，该断面的水深用hc表示，因下泄水流速度较大， 所以收缩断面水深hc常小于临界水深hk，水流属于急流 状态
13
vc2 E0 hc 2 g 2
(9.3)
E0 hc Q2 2 gA
2 c 2
以 vc = Q / Ac 代入(9.3)式，则得
(9.4)
对于矩形断面，Ac = b • hc ，取单宽流量计算，则
E0 hc q2 2 g h
2 2 c
(9.4) ′
对于矩形断面，有hk3=q2/g，用hk除(9.4) ′式两端，则有
水力学 下册
第9章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 第10章 有压管中的非恒定流 第11章 明渠非恒定流 第12章 流体运动的流场理论 第13章 边界层理论基础 第14章 恒定平面势流 第15章 渗流 第17章 高速水流
1
第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
9.1 底流消能的水力计算
令hc1=0，代入上式，得
hc 2 7.622 1.034m 7.126 0
7.622 hci 1 7.126 hci
令hc2=1.034m，代入上式，得
hc 3 7.622 1.118m 7.126 1.034
再令hc3=1.118m，代入上式，得
hc 4 7.622 1.126m 7.126 1.118 1.127 1.126 0.0009 1.126
v 2g
2 1
1
1v12

?E E1 v1 E2 h 2
Z1
2 v 2 2 2
v0
2g
2g
v2 Z2 2
24
h1 1
9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 一般情况下，下游水深ht常大干临界水深hk，水流为 缓流、则下泄水流与下游水泥为由急流到缓流的水面衔 接，必然有水跃发生按水跃发生的位置将底流式水面衔 接分为三种情况。
9.2 挑流消能的水力计算
9.3 面流及消能戽消能简介
2
第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
• 问题的提出
• 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。具有如下特点： • 1.建坝后的水头增加,下泄水流的流速增大，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。
3
例如，对于某溢流坝，设其单宽流量 q = 80 m3/s•m， ∆Z =Z1－Z2=60m 则单位宽度河床上每秒应消耗能量： N=γq∆E=9 800N/m3×80m2/s×60m=47 000 KN· m/s
1
1v12

v 2g
2 1
?E E1 v1 E2 h 2
Z1
2 v 2 2 2
LK L L j LK L j
∴ 工程设计中，要求下游产生一定淹没程度（ σj ＝ 1.05~1.10）的水跃。这时，护坦长度较小，消能效果 也比较好，并能得到较为可靠的淹没水跃。
27
平底闸孔下游水流衔接的三种形式：
28
9.1.3消能池的水力计算
从工程的经济和安全要求出发，希望在泄统建筑物下游河道中 产生淹没式水跃。产生淹没式水跃要求水工建筑物下游要有足够 的水深，而要增加下游水深就需要修建一些辅助建筑物，常用的 有以下几种：
再令hc4=1.126m，代入上式，得
hc 5 7.622 1.127m 7.126 1.126 最后，取hc5=1.127m
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（c）图解法计算的具体过程：
依据：本章末附图Ⅰ图解曲线
E0 hc qc2 2 g h
2 2 c
(9.4)
对于矩形断面，有hk3=q2/g，用hk 除(9.4)式两端，则有
优点：布置简单，一般不需下游人工保护，工程造价低。 缺点：泄洪雾化较严重、尾水波动大。
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3、面流消能
常 用 的 水 流 衔 接 与 消 能 方 式
在建筑物的末端，设一个比下游水位低的、水平的 或仰角较小的底坎，将下泄高速水流引向下游河道的水 流表面，并逐渐向下游扩散，而靠近河底则流速较小， 同时坝后主流区下部形成激烈漩滚，以消耗部分下泄水 流能量。 特点：
应用的实例。
戽斗
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第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
9.1 底流消能的水力计算
9.2 挑流消能的水力计算
9.3 面流及消能戽消能简介
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9.1 底流消能的水力计算
9.1.1建筑物下游收缩断面水力要素(hc、vc )的计算
以收缩断面c – c处槽底的水平面为基准面，列坝前断面0 – 0和收缩断面c – c的能量方程： 由图可以看出 E0 P2 H
27.00
16
解：应用式(9.4)求收缩断面水深hc。
E0 hc qc2 2 g 2 hc2
2g
(9.4)
H
0
2 0 v0 2g
34.0 0 H v
0
2 v 其中：E0 P H 0 0 。
依题意有：
P 29 27 2m H 34 29 5m
v0
E0 hc qc2 2 2 /( q / g h k) 2 2 hk hk 2 g hc
ζ0=E0/hk ζc=hc/hk
0 c
2 2 c2 (9.5)
1
112 7.571 7.126 hc hc 2 2 2 2 9.8 0.903 hc hc

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来自百度文库
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2g
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9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 如建筑物下游水深ht也小于hk，水流为急流，则在这 种情况下水流为：急流→急流，可按河渠非均匀流水面 线进行分析研究。

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9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 三种衔接形式
(a) ht = hc〞 临界式水跃衔接
收缩断面为跃前断面 缺点：不够稳定
(b) ht < hc〞 远离式水跃衔接
水跃向下游移动，跃前断面远离 收缩断面 修消 缺点：保护段长，不经济 能池
(c) ht > hc〞 淹没式水跃衔接
水跃涌向上游并淹没了收缩断面
缺点：随着淹没程度的增加，消能 效果下降
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水跃淹没系数σj：
j
ht hc
>1，淹没水跃
＝1，临界水跃 <1，远驱式水跃 非淹没水跃
护坦长度： 远驱式水跃 临界式水跃
应用：各种地质条件的泄水建筑物
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2、挑流消能
常 用 的 水 流 衔 接 与 消 能 方 式
利用下泄水流本身的动能，在建筑物的出流部位采 用挑流鼻坎，将下射的水流挑射到远离坝址，以确保建 筑物的安全。
挑流水舌
两个消能过程： 空中消能
（主要） 水垫消能
急流
漩 滚
漩滚
挑流鼻坎
应用：
坝 址
水垫
下游地质条件较好的中高水头泄水建筑物。
底流消能 挑流消能
面流消能
葛洲坝底流消能
新安江挑流消能
富春江面流消能
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常 用 的 水 流 衔 接 与 消 能 方 式
1、底流消能
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以达到消 能的目的。 实质：水跃 特点：
主流位于底部
消能机理：
通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动来消能。
5
发生折冲水流 如图某水利枢纽平面布置图，由于主流偏向左岸， 右岸就造成巨大的回流区，而靠近左岸的主流过水断 面减小，流速加大，导致对河床及岸壁的冲刷。如在 枢纽中设有船闸，则折冲水流对船闸的下游会造成不 利的航行条件。而回流往往把主流冲刷的泥沙带到水 电站下游形成淤积，影响水电站发电。
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常用的水流衔接与消能方式
2 11 hk＝3 2.311m 9.8
E0 7.126 0 3.0835 hk 2.311
0.903
c 0.489
hc h c hk 2.311
hc 0.489 2.311 1.13m
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9.1 底 流 消 能 的 水 力 计 算
c f 2 ( c )
0.489
c f 2 ( c )
3.08
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流速系数φ：
局部损失：堰型、坝高、入流条件 水头损失
沿程损失： 单宽流量、坝面流程 坝面粗糙度、反弧曲率
（见表1） 确定方法：（1）经验数据 （2）经验公式 计算流速系数 φ 的两个经验公式： 适用于P/H<30的无显著 (1)
掺气现象的实用剖面堰 自由溢流
主流靠近水面
消能机理：
底部漩滚
应用：下游河道水深较大、水位变幅不大且上下游落差不太大。 优点：利于排冰，对河床冲刷作用小。 缺点：下游水面波动大，对岸坡稳定和航运不利。
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水利工程中有时需结合 常 用 的 水 流 衔 接 与 消 能 方 式 具体工程的需要，将消能方 式结合应用。下图采用消能 戽就是一种底流和面流结合
c f1 (0 )
c f 2 (c )
0.32
2.3
5.8
15
例题 9-1 某分洪闸如图所示，底坎为曲线型低堰，泄 洪单宽流量 qc=11m3/s· m ，流速系数 φ=0.90 。计算其下游 收缩断面处的水深hc。
2 0 v0
2g
34.00
H0 v0
H 30.00 29.00 P hc c c ht
2 0v0
可采用试算法、迭代法或图解法计算 hc
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（a）试算法计算的具体过程：
112 7.622 7.126 hc h c 2 9.8 0.902 hc2 hc2
取hc=1.0m，则上式右边=7.622 > 左边 取hc=1.1m，则上式右边=7.399 > 左边 取hc=1.2m，则上式右边=6.493 < 左边