衔接与消能
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(1) 坎高c 的计算
16
消能池内末端水深应为
hT j hc
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05
不降低护坦高程，所以收缩水深及相应的跃后水
深都不变。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hT c H1
则消能池深度c的计算公式：
c j hc1 H1
10
1、降低护坦高程所形成的消能池——挖深式 消能池的设计
(1) 消能池深度 d 的计算
11
消能池内末端水深应为 hT jhc1
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05 护坦高程降低后，收缩水深变为 hc1 ，相应的跃
后水深变为 hc1 。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hc1 2
[
18 q2 ghc31
1]
d
j hc1
q2
2g( j hc1 )2
ht
q2
2g( ht )2
14
（2）消能池长度LK的计算
LK (0.7 ~ 0.8)Lj
式中， L j 为平底渠道中的自由水跃长度。
（3）消能池设计流量的选择
池深 d 是随
(hc ht )
对于矩形断面， Ac b hc 。取单宽流量计算，则
q2
E0 hc 2g 2hc2
7
（二） 收缩水深的计算方法
1、任意断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）。 2.等腰梯形断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）；④查图法，图见教材附图Ⅰ。
4
9.1 底流消能的水力计算
底流消能是借助一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的表 面漩滚和强烈紊动来消除余能。
泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特 性，又与下游河道中的水深及流速大小有关。
当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流速最大的过 水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流 量相应的下游水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、 粗糙系数等参数，通常是知。
这四个公式构成了复杂 隐函数关系，必须试算才 能求得d .
具体方法：①初估池深：
d j hc ht
②计算E01、hc1 若求得的
h、c1 、d ③
池深d和初估池深近似相等， 试算完成，否则，继续试 算。详见例题。
E01
hc1
q2
2g 2hc21
E01 E0 d
hc1
v
2 2
2g
z
H1 ht
v22
2g 2
1v12
2g
式中，φ’为消能池流速系数，它决定于消能池出口处的顶 部形式，一般取0.95。引入连续方程化简可得 ：
z
q2 2g
1
(
ht
)2
(
1 j hc1 ) 2
13
池深d的计算公式： 计算方法：
2
cc
2g
c2
2g
hc
(c
)
2 c
2g
由图可以看出
E0
P2 H
2
00
2g
P2 H 0
6
令流速系数 1
则
c
E0
hc
c2 2g 2
以
c
Q Ac
代入上式得
Q2
E0 hc 2gAc2 2
上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用 。其中流速系数φ可按经验公式计算或查表确定。
hT d H1 d ht z
则消能池深度 d 的计算公式：
d j hc1 (ht z)
12
确定 z 对消能池出口上游断面1——1及下游断面2——2列能量 方程，以通过2——2断面底部的水平面为基准面，则得到
H1
1v12
2g
ht
2v22
2g
8
二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响
水跃的位置决定于坝趾收缩断
面水深 hc 的共轭水深 hc 与下游水
深 ht 的相对大小。可能出现下列
三种情况
第一种情况：ht＝ hc 临界水跃
第二种情况：ht ＜ hc 远驱水跃
第三种情况：ht＞ hc 淹没水跃
以
j
ht hc "
底流消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式， 即确定水跃发生的具体位置；其次决定要采取的工程措施。底流消 能是通过水跃消能。
5
一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 （一）计算公式推导
以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面0
－0及收缩断面c－c的能量方程式，可得
E0
hc
17
式中， H1 为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得
2
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。
3
水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种 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。
增大而增加。所
以，可以认为，相当于 (hc ht ) 为最大时的流量即为池深的
设计流量。
池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量。
☆ 池深与池长的设计流量可能不是一个值，更不见得就是泄 水建筑物的设计流量。这是消能池水力设计中需要注意的问题 。
15
2、护坦末端建造消能坎形成的消能池——消 能坎式消能池的设计
三、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。
1
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。
表示水跃的淹没程度。
9
三、控制水跃位置的工程措施－消能池的水力计算 消能池是控制水跃并利用水跃消除余能的水工
建筑物。当底流式衔接为远驱水跃时，为了改变这种不 利的水面衔接形式，必须增加下游水深，迫使远驱水跃 变为工程需要的稍有淹没的水跃。从而缩短下游河床上 急流保护段的长度，达到在最短距离内集中消能以确保 主体建筑物安全的目的。
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消能池内末端水深应为
hT j hc
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05
不降低护坦高程，所以收缩水深及相应的跃后水
深都不变。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hT c H1
则消能池深度c的计算公式：
c j hc1 H1
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1、降低护坦高程所形成的消能池——挖深式 消能池的设计
(1) 消能池深度 d 的计算
11
消能池内末端水深应为 hT jhc1
式中： j 为水跃的淹没系数，一般取 j 1.05 护坦高程降低后，收缩水深变为 hc1 ，相应的跃
后水深变为 hc1 。
由几何关系可知，消能池内的水深hT为
hc1 2
[
18 q2 ghc31
1]
d
j hc1
q2
2g( j hc1 )2
ht
q2
2g( ht )2
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（2）消能池长度LK的计算
LK (0.7 ~ 0.8)Lj
式中， L j 为平底渠道中的自由水跃长度。
（3）消能池设计流量的选择
池深 d 是随
(hc ht )
对于矩形断面， Ac b hc 。取单宽流量计算，则
q2
E0 hc 2g 2hc2
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（二） 收缩水深的计算方法
1、任意断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）。 2.等腰梯形断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法
、迭代法等）；④查图法，图见教材附图Ⅰ。
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9.1 底流消能的水力计算
底流消能是借助一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的表 面漩滚和强烈紊动来消除余能。
泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特 性，又与下游河道中的水深及流速大小有关。
当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流速最大的过 水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流 量相应的下游水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、 粗糙系数等参数，通常是知。
这四个公式构成了复杂 隐函数关系，必须试算才 能求得d .
具体方法：①初估池深：
d j hc ht
②计算E01、hc1 若求得的
h、c1 、d ③
池深d和初估池深近似相等， 试算完成，否则，继续试 算。详见例题。
E01
hc1
q2
2g 2hc21
E01 E0 d
hc1
v
2 2
2g
z
H1 ht
v22
2g 2
1v12
2g
式中，φ’为消能池流速系数，它决定于消能池出口处的顶 部形式，一般取0.95。引入连续方程化简可得 ：
z
q2 2g
1
(
ht
)2
(
1 j hc1 ) 2
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池深d的计算公式： 计算方法：
2
cc
2g
c2
2g
hc
(c
)
2 c
2g
由图可以看出
E0
P2 H
2
00
2g
P2 H 0
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令流速系数 1
则
c
E0
hc
c2 2g 2
以
c
Q Ac
代入上式得
Q2
E0 hc 2gAc2 2
上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用 。其中流速系数φ可按经验公式计算或查表确定。
hT d H1 d ht z
则消能池深度 d 的计算公式：
d j hc1 (ht z)
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确定 z 对消能池出口上游断面1——1及下游断面2——2列能量 方程，以通过2——2断面底部的水平面为基准面，则得到
H1
1v12
2g
ht
2v22
2g
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二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响
水跃的位置决定于坝趾收缩断
面水深 hc 的共轭水深 hc 与下游水
深 ht 的相对大小。可能出现下列
三种情况
第一种情况：ht＝ hc 临界水跃
第二种情况：ht ＜ hc 远驱水跃
第三种情况：ht＞ hc 淹没水跃
以
j
ht hc "
底流消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式， 即确定水跃发生的具体位置；其次决定要采取的工程措施。底流消 能是通过水跃消能。
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一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 （一）计算公式推导
以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面0
－0及收缩断面c－c的能量方程式，可得
E0
hc
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式中， H1 为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得
2
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。
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水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种 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。
增大而增加。所
以，可以认为，相当于 (hc ht ) 为最大时的流量即为池深的
设计流量。
池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量。
☆ 池深与池长的设计流量可能不是一个值，更不见得就是泄 水建筑物的设计流量。这是消能池水力设计中需要注意的问题 。
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2、护坦末端建造消能坎形成的消能池——消 能坎式消能池的设计
三、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。
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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。
表示水跃的淹没程度。
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三、控制水跃位置的工程措施－消能池的水力计算 消能池是控制水跃并利用水跃消除余能的水工
建筑物。当底流式衔接为远驱水跃时，为了改变这种不 利的水面衔接形式，必须增加下游水深，迫使远驱水跃 变为工程需要的稍有淹没的水跃。从而缩短下游河床上 急流保护段的长度，达到在最短距离内集中消能以确保 主体建筑物安全的目的。