水流消能

泄水建筑物下游水流衔接与消能【教学基本要求】1、了解泄水建筑物下泄水流的特点和衔接消能方式。

2、掌握底流消能的水力设计方法，会进行消力池尺寸的计算。

3、了解挑流消能的基本概念【内容提要和学习指导】1.1 概述（1）泄水建筑物下游水流的消能方式经堰、闸、桥、涵、陡坎等泄水建筑物下泄的水流，流速高，动能大，必须采取工程措施消耗水流多余的能量，防止其对下游河床的严重冲刷和淤积，避免破坏水工建筑物的正常运行。

常用的消能方式有3种：底流消能、挑流消能、面流消能。

此外还有兴建消力戽的消能方式。

①底流型衔接消能底流式消能就是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使沿建筑物下泄的急流贴槽底射出，利用水跃原理，有效地控制水跃发生的位置，使下泄的高速水流通过水跃转变为缓流，通过主流在水跃区的扩散、混掺达到消能的目的。

这种衔接消能方式中，高流速的主流位于底部，故称为底流型衔接消能。

如图所示。

②挑流型衔接消能挑流型衔接消能就是利用下泄水流所挟带的巨大动能，采用挑流鼻坎因势利导将水股挑射空中，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的冲刷坑不会危及水工建筑物的安全。

下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分则在水股跌入下游冲刷坑水垫塘之后，通过水股前后两侧的水滚而消除。

如图所示。

③面流型衔接消能面流型衔接消能就是在建筑物的出流部分采用跌坎，将泄出水流导入下游水域表层（当然要求下游水深比较大而且比较稳定），主流和河床之间由巨大的底部漩滚隔开，避免了高速主流对河床的冲刷。

余能主要通过水舌扩散、流速分布的调整以及底部漩滚主流之间的相互作用而消除。

由于衔接消能段高速主流位于表层，故称为面流型衔接消能。

如图所示。

④戽流型衔接消能戽流型衔接消能是在溢流坝末端建造一个具有较大反弧半径和挑角的形同戽勺的鼻坎，下泄水流由于受到下游水位的顶托，在戽内形成表面漩滚，主流则仍然贴着戽壁沿鼻坎挑起，形成涌浪，并向下游扩散，同时在鼻坎下产生一个反向漩滚，涌浪后面产生一个微弱的表面漩滚，即“三滚一浪”是戽流型衔接消能的典型流态。

其余能主要是依靠戽内漩滚、鼻坎下底部漩滚以及涌浪后的掺气和扩散过程来消除。

如图所示。

1.2 底流消能的水力计算底流消能也称为水跃消能，它是通过修建消力池来控制水跃发生的位置，消耗大量多余的能量。

底流消能一般适用于软土地基和中低水头泄水建筑物，是在渠系中最常见的消能方式。

挑流消能在岩石基础和高水头水利枢纽中得到广泛应用。

面流消能适用于下游水深较大而且稳定的情况，可以将急流导向下游河流的表面，避免主流冲刷河床。

一、 底流消能的收缩断面水深计算收缩断面水深用下式计算(1—1)式中：E 0是以收缩断面底部为基准的堰前总比能；A c 收缩断面过水面积；φ堰的流速系数，可查阅表和用公式计算。

对于矩形断面渠道： （1－2）收缩水深计算公式是关于c h 三次函数，不能直接求解，需采用试算法求解，也可采用查图法求解。

矩形断面的收缩水深也可采用迭代法求解，其迭代公式如下：cncn h E gqh -=+012φ取初值为0,一般3～5步可得到准确解。

对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深hc 也可用下式计算h c =ε2 e （1—3） 矩形断面明渠，已知h c 可以计算其对应的共轭水深 h c ″（1－4） 22202c A g Q c h E ϕ+=22022c h g c h E q ϕ+=)13281(2''-+=cgh q c h c h设泄水建筑物下游水深为h t ，根据h c ″和h c 的对比关系，水跃有三种衔接形式： 当h c ″＞h t 时，产生远驱水跃； 当h c ″＝h t 时，产生临界水跃； 当h c ″＜h t 时，形成淹没水跃。

当产生远驱水跃和临界水跃时，不利于进行消能。

为了控制急流段的长度，保证消能效果，必须采取消能工程措施，即修建消力池。

二、消力池的水力设计计算形成消能池的首要条件是在泄水建筑物下游造成能发生稍有淹没水跃所要求的跃后水深，通常是采用局部增大下游水深的办法来实现。

工程实际中，增大下游局部水深的措施有两方面：一是降低护坦高程，在下游形成消能池；二是在护坦末端设置消能坎或消能墙用来壅高水位，使坎前形成消能池。

另外，也有同时采用这两种措施的综合方式。

此外，为了有效而又经济地将水跃控制在消能池内，消能池还应有足够的长度。

故消能池水力计算的任务就在于确定能够满足以上两个条件的池深和池长，即解决消能池轮廓尺寸的水力设计问题。

1 降低护坦高程形成的消能池 （1）、池深d 确定降低护坦高程形成消能池后，池中水流情况如图所示。

为使消能池内产生稍许淹没的水跃，则消能池末端水深应为1cj T h h ''=σ （1—5）式中，jσ为淹没系数，一般取05.1=j σ；1ch ''为护坦高程降低后收缩水深1c h 相共轭的跃后水深。

形成消能池后，水跃将发生在池内，离开消能池的水流，由于竖向收缩，水面将跌落一个z ∆值，其水流特性与淹没宽顶堰流相同。

由几何关系可知：zh d H d h t T ∆++=+=1 （1—6）将式（8—5）代入式（8—6）中，可得到消能池池深计算公式)(1z h h d t cj ∆+-''=σ （1—7）上式中，1ch ''、z ∆都是未知量，故需建立1ch ''及z ∆的关系式。

由水跃共轭方程可知]181[231211-+=''c c c gh q h h （1—8）而1c h 可由收缩水深公式求得，即21221012c c h g q h E φ+= （1—9）其中dE E +=001 （1—10）消能池出口水面跌落值z ∆。

])(1)(1[22122cj t h h g q z ''-'=∆σφ (1—11)当已知E 、q 、φ时，由式(8—7)、式(8—8)、式(8—9)、式(8—10)及式(8—11)可求得池深d 。

由于是复杂的函数关系，故需要试算求解。

初步估算时，可取池深t cj h h d -''=σ。

（2）、池长kL 的确定消能池长度必须保证水跃不越出池外。

由于降低护坦高程形成的坎对水跃有一个反向作用力，该力的存在可使水跃长度减小，实验表明，消能池中水跃的长度要比无升坎阻挡的完全水跃缩短（20%～30%），故从收缩断面算起的消能池长度为jk L L )8.0~7.0(= （1—12）式中，jL 为平底完全水跃的长度。

（3）、消能池设计流量的选择上面讨论的池深及池长设计都是针对某一个给定的流量及相应的下游水深，但建成的消能池必须在不同的流量情况下工作。

为使所设计的消能池在不同流量情况下，都能形成稍许淹没的水跃，就必须选择一个恰当的设计消能池尺寸的设计流量。

从t cj h h d -''=σ可以看到，池深d 随着)(t ch h -''的增大而增大。

所以，可以认为相当于max )(t ch h -''时的流量q 即为消能池池深的设计流量。

据此求得的池深d 应该是各种流量下所需消能池深度的最大值。

实践表明，消能池池深d 的设计流量不一定是建筑物所通过的最大流量。

实际计算时，应在给定的流量范围内，找出max )(t ch h -''时的流量，以此作为池深的设计流量。

池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量，其原因是水跃长度随流量的增大而增大。

2 护坦末端建造消能坎形成的消能池当河床开挖困难或开挖太深不经济时，可在护坦末端建造消能坎，壅高坎前水位，形成消能池内具有一定淹没程度的水跃。

其水力计算的主要任务是确定消能坎高度c 及池长kL 。

（1）、坎高c 的确定护坦末端建造消能坎形成消能池之后的水流情况如图9—10所示。

消能坎一般做成折线形实用堰或曲线型实用堰形式，流经坎顶的水流一般属于实用堰流，这一点与降低护坦高程形成的消能池的水流现象不同。

要使消能池内产生稍许淹没的水跃，其消能坎前水深应为cj T h h ''=σ由图中几何关系可知1H c h T += （1—13）式中，1H 为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得。

即2232122101)(2)2()(2cj s cj h g q gm qh g q H H ''-=''-=σσσ （1—14）式中，1m 为消能坎的流量系数，与坎的形状及池内水流状态有关，目前尚无系统资料，初步设计时可取42.01=m ；s σ为消能坎的淹没系数，其值与1010H hH c h st =-有关。

由于消能坎前存在水跃，它与一般的实用堰前水流状态不同。

故淹没系数及淹没判定条件也应有所不同。

消能坎的淹没判定条件是：45.010≤H h s，消能坎为非淹没堰，1=s σ；45.010>H h s，消能坎为淹没堰，此时淹没系数1〈s σ，其值可参考下表确定。

表1-2 消能坎的淹没系数计算坎高c 时，先假定消能坎自由出流，即取1=s σ，由式（1—13）、式（1—14）可求出坎高c 。

然后再根据10H c h t -的值判断上述假定是否成立。

若消能坎为非淹没堰，则前面算出的坎高c 即为所求，但要校核消能坎后的水流衔接状况。

即将消能坎看作溢流堰，计算坎后收缩水深及其共轭水深，并与下游水深相比较，若为远驱式水跃衔接，则需要设置第二道消能坎或采取其它消能措施，并注意校核第二道消能坎后水流衔接状况，直至消能坎后产生淹没水跃衔接为止。

校核消能坎后水流衔接状况时，消能坎的流速系数可取0.90～0.95。

若消能坎为淹没出流，则需考虑淹没系数之后重新计算坎高，此式坎高c 需要试算求解。

（2）、池长kL 的确定池长kL 仍由水跃长度确定，即jk L L )8.0~7.0(=。

3、设计流量的选择 当所设计的建筑物在min q 与m axq 之间运用时，则应在流量范围内选择几个有代表性的流量值，分别计算坎高c ，然后取坎高c 的最大值作为设计值，相应的流量即为设计流量。

池长的设计流量仍应是建筑物通过的最大流量。

有些水工建筑物（如跌水），由泄流进口至收缩断面之间尚有一段距离，这段距离需根据实际情况确定，其长度也不包括在上述消能池长度计算公式当中。

如果单纯降低护坦高程开挖量太大，单纯建造消能坎，坎又太高，坎后容易形成远驱式水跃衔接。

在这种情况下，可以考虑适当降低护坦高程，同时修建高度不大的消能坎，这种型式的消能池称为综合式消能池。

综合式消能池的设计原则是消能池中及坎后均产生临界水跃，据此计算坎高和池深，然后，为了产生稍许淹没的水跃，将消能坎和池底整体地降低一个高程（必要时应校核消能池中水跃的淹没程度）。