4 消能防冲设计
水闸的消能和防冲处理的工程措施
（2）折冲水流的防止措施
①总体布置时，尽量使上游渠道有一段较长的 顺直段，确保来水顺均匀。
②控制下游翼墙的扩散角，扩散角宜7~12，使 水流均匀扩散。 ③制订合理的闸的开启程序，注意均匀齐步，间 隔对称等开启原则，力避开启、关闭时大起大落 和多孔闸部分闸孔泄流的运用方式。
5、海漫
(1)布置 水平海漫：下游河床局部冲刷大。适用于下游河床 抗冲能力较强的情况 倾斜海漫：倾斜段坡度以1：6~1：10为宜
可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防 冲墙。
2、消能防冲设计的水力条件选择
三、水闸的消能防冲设计
1、底流消能消力池型式
• 下挖式：当闸下尾水深度小于跃后水深 • 突槛式：闸下尾水深度略小于跃后水深的消力池消能 • 综合式：当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池
深度又较深时
（a）下挖式；（b）突槛式；（c）综合式
(3)消力池的底板计算
消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，并取其最大值。
抗冲要求 抗浮要求
t k1 q H
t
k2
U
W
b
Pm
3、辅助消能工
①水流受辅助消能的阻挡，抬高了原来小于跃后 水深尾槛前水深。 ②辅助消能的作用改变了原来水流的流速分布， 增加了对水跃阻力，降低了对跃后水深的要求。
（1）尾槛
2、消力池尺寸计算 (1)消力池的深度计算
d 0hc hs Z
hc
hc 2
1
8q 2
ghc3
1
b1 b2
0.25
Z q2 q2 2g 2hs2 2ghc2
hc3
T 0hc2
q2 2g 2
0
消力池的深度计算示意图
溢洪道水力设计计算书(实用堰+底流消能)
溢洪道水力设计计算1 计算依据 《溢洪道设计规范》（DL/T 5166—2002）第6节及附录A的有关规定。
2 已知设计参数堰面曲线可采用抛物线。
上述曲线可按附录A中A.1计算。
本工程选用开敞式实用堰。
考虑到圆弧曲线（驼峰堰）的流量系数较小，泄流能力相对较小，本工程堰面曲线选用幂曲线（三）。
3 堰面曲线选择及泄流能力复核 （1）按规范5.3.3条，堰（闸）型式可采用开敞式或带胸墙的实用堰、宽顶堰、驼峰堰等，应根据地形地质条件、水力条件、运用要求及技术经济指标等综合比较选用。
开敞式溢流堰溢流堰有较大的超泄能力，宜优先选用。
（2）按规范6.3.3条，采用开敞式实用堰时，堰面曲线宜采用幂曲线、圆弧曲线（驼峰堰）；当堰上设有胸墙时，点上游用三圆弧曲线。
3.1 幂曲线方程计算（A.1） （3）按规范6.3.2条，低实用堰应满足上游堰高P 1≥0.3H d ，下游堰高P 2≥0.6H d ；下游堰面坡度宜陡于1:1。
设计中应避免形成淹没流。
式中： （4）按规范附录A.1.3条，采用开敞式幂曲线（三）时，幂曲线按式（A.1)计算。
n=1.85，K=2。
上游面铅直，原H d …………定型设计水头，对低堰（P 1＞1.33H d ）可按堰顶最大水头H max 的75%～95％计算,yKH x n dn 1-=1.560m ～ 1.976m1.500m1.8522.8230.35423x^1.85 计算公式：0.6553255x^0.852.306m1.662m3.4 反弧半径R的计算即H d =（0.75～0.95）H max =堰顶O点上游三圆弧的半径R及其水平坐标x计算表即幂曲线方程为：y=3.2 幂曲线末端端点坐标计算 将m，dy/dx带入公式1可求得：x c =本工程取H d =n…………………系数,n=K…………………系数,K= 对堰面曲线求一阶导数得：dy/dx=（公式1）堰顶下游幂曲线方程坐标值表y c =3.3 堰顶上游三圆弧曲线的x坐标及半径R计算 经计算：KH d n-1=溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定，对于挑流消能和底流消能方式，可按下式求反弧半径R。
水闸的消能防冲设计-PPT
Lp K s qs H
式中Lp——海漫长度（m）； qs——消力池末端单宽流量（m3/s）； KKs值s表——海漫长度计算系数，可参考下表。
河床土质 Ks
Ks值表
粉砂、 中砂、粗砂、
细砂
粉质壤土
14~13
12~11
粉质粘土 10~9
坚硬粘 土
8~7
（五）防冲槽
要想完全消除河床冲刷，必须设置相当长的海漫长 度，这样非常不经济。
整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天 然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。 2．对海漫的要求 海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适
应地基的不均匀沉陷； 海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，
降低扬压力； 海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩
擦，有利于消除余能和调整流速分布；
3．海漫的长度
5.3 水闸的消能防冲设计
一、过闸水流的特点
1、形态复杂 2、容易形成波状水跃 3、容易出现折冲水流
根据上述分析可知，水闸消能设 计的基本原则是：促使水跃发生在闸下 一定范围内，最大限度地通过表面水滚 消能，避免造成下游河床冲刷。
二、消能防冲设计条件的确定
（一）消能方式
水头低、下游水位变幅大、地基条件差 ——底流消能
（1）跃后共轭水深h”与跃前收缩断 面水深hc之间的关系
h" hc ( 2
8Fr2 1 1)
（2）收缩断面水深hc的确定
消力池内形成水跃时，闸孔为自由出 流。闸孔自由出流情况下，跃前收缩断面
水深hc决定于上游水位Zu与消力池底板之 间的高程差E0，可按下式计算。
hc3 E0 hc2
q 2 2g 2
在闸室下游一定长度的河岸边坡要进行保护。
消能防冲设计
4 消能防冲设计通过溢流坝顶下泄得水流,具有很大得能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。
消能设计得原则就是:消能效果好，结构可靠,防止空蚀与磨损,以保证坝体与有关建筑物得安全。
设计时应根据坝址地形,地质条件,枢纽布置,坝高,下泄流量等综合考虑。
挑流消能适用于坚硬岩石上得高、中坝,低坝需经论证才能选用。
当坝基有延伸至下游得缓倾角软弱结构面,可能被冲坑切断而形成临空面，危及坝基稳定,或岸坡可能被冲塌时,不宜采用挑流消能，或须做专门得防护措施底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱得河道;高坝采用底流消能需经论证，但不宜用于排漂与排冰。
面流消能适用于水头较小得中、低坝,河道顺直,水位稳定,尾水较深，河床与两岸在一定范围内有较高抗冲能力,可排漂与排冰。
消力戽消能适用于尾水较深且下游河床与两岸有一定抗冲能力得河道。
联合消能适用于高、中坝,泄洪量大，河床相对狭窄,下游地质条件较差或单一消能型式经济合理性差得情况。
联合消能应经水工模型试验验证。
根据本工程地质条件，选取挑流消能。
图４－1 冲坑厚度图示4、1 洪水标准与相关参数得选定本次设计得重力坝就是3级水工建筑物,根据地形地质条件,选用了挑流消能。
根据已建工程经验,取挑射=２5°。
4、２ 水舌抛距计算根据SL319-2０0５《溢洪道设计规范》,计算水舌抛距与最大冲坑水垫厚度。
计算公式:水舌抛距计算公式：L ：水舌抛距 :差）为水库水位至坎顶的落Ho （ 21.11.1 顶水面流速，01gH v v ϕ==坎:鼻坎得挑角::坎顶至河床面得高差， m:堰面流量系数，取0、95;ﻩＶ1= 41、２６８２m/s将这些数据代入水舌抛距得公式得：21[41.2682sin 25cos 2541.2682cos 259.81171.6549L m ︒︒=⨯⨯⨯+⨯︒=4、3 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度最大冲坑水垫厚度公式：:水垫厚度,自水面算至坑底。
水闸的消能防冲设计
消力池的结构形式
（1）挖深式，如图(a)； （2）消力坎式，如图(b)； （3）综合式，如图(c)。
（二）消力池池身池长的确定
消力池的结构型式和尺寸（长、深）应充分满足底流水跃消能的要 求（产生一定淹没的水跃）。
1．水跃共轭条件
（1）跃后共轭水深h”与跃前收缩断面 水深hc之间的关系
Z
q 2 2g 2t 2
q 2 2gh
（5-16）
►4．消力池的长度
消力池总长度包括斜坡段和护坦水平段。
Lsj=Ls+Lj
式中 Ls—斜坡段水平投影长度； Lj——自由水跃长度，Lj =6.9(h-h)；
—水跃长度校正系数，=0.7～0.8。
（三）构造要求
1．护坦的作用 护坦位于消力池底部，是消力池的底
在闸室下游一定长度的河岸边坡要进行保护。
护坡形式有：浆砌石、干砌石、混凝土板。
护坡坡脚与海漫、防冲槽的连接处要有可靠连接，如设 置防淘墙等。
水闸上游的水流流速往往较大，也应该进行护底和 护坡。
作业
P248 思考题第8题
（六）波状水跃、折冲水流的防止措施
在消力池中，可以加设辅助消能工，其作用是 促成水跃，提高消能效果，减小消力池的长度和深 度，降低尾坎高度。
最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩、 消力梁等。
1—趾墩 2—消力墩 3—尾坎
下游翼墙的作用是保护闸下两岸不受冲刷，并帮助 水流均匀扩散。
翼墙的长度一般不小于海漫的长度。在消力池范围内， 翼墙（或导墙）最好做成铅直的，在池后缓流区再用扭 曲面或其他方式与下游坡连接。
（二）设计条件
上游：最高水位 下游：相应最低水位
小型水闸—设计水闸消能防冲
（3）进口水流流态不对称时，主流方向常常左右摆动，形成折冲水流， 应采取相应措施消耗能量，防止淘刷下游河床。
对于平原地区的河渠往往宽而浅，河宽常大于闸宽，水流 过闸时先收缩，出闸后再扩散，如果工程布置或运行操作不当， 就容易使主流集中；同时水流保持急流流态，不易向两侧扩散， 致使两侧产生回流，缩小了河槽的有效过流宽度，使局部单宽 流量增大，加剧水流对下游河道的冲刷。
水闸消能防冲基本原理
目 录
1 过闸水流特点 2 水闸消能防冲设施 3 小结
01
过闸水流特点
与高水头泄水建筑物相比，经水闸下泄的水流具有以下一些特点： （1）在各种不同泄流量和下游水位情况下，很难保证都能发生完全水跃， 因此水流具有未消耗能量，即闸下水流具有剩余能量； （2）当水闸的上下游水位差较小时，水流的弗劳德数较小，容易形成波 状水跃，消能效果差，具有较大的冲刷能力；
缓坡段 位 置：水平段后 长 度：由计算确定，占整个长2/3 坡 度：做成不陡于1：10的斜坡 材 料：干砌石
02
海漫的结构型式
海漫结构型式 干砌石海漫；浆砌石海漫；混凝土板海漫；钢筋混凝 土板海漫；其它海漫。
①干砌石海漫 通常由粒径大于30cm的块石砌筑而成，厚度为 0.4~0.6m，常布置在海漫后段。在砌石下面一般铺设碎石、粗砂垫层。
防冲槽是在海漫末端开挖的梯形槽中抛填块石而成，其作用是当 海漫末端发生河床冲刷形成冲坑时，防冲槽内的抛石将随冲坑的发 展沿斜坡陆续滚下，盖护在冲刷坑的上游坡上从而阻止冲刷进一步 向上游发展，以确保海漫的安全。
消力池
水平段 浆砌石
缓坡段 干砌石
海漫
抛石 防冲槽
防冲槽的尺寸应根据海漫末端河床可能的冲刷深度确定，可按 下式计算
水工建筑物水闸消能防冲设计简述
消能防冲设计
四、防冲槽设计
• 海漫与下游渠道相交处，应设防冲槽，以保护海漫免受冲刷。防冲 槽深度按下式计算
水工建筑物项目化实训包
水工建筑物项目化实训包
消能防冲设计
一、《水闸设计规范》规定
•7.上游防冲槽的深度应根据河床土质,上游护底首端单宽流量和上游水 深等因素综合确定,且不应小于上游护底首端的河床冲刷深度。 •8.闸门的控制运用应根据水闸的水力设计或水工模型试验成果,规定闸 门的启闭顺序和开度,避免产生集中水流或折冲水流等不良流态.闸门的 控制运用方式应满足下列要求： •（1）闸孔泄水时,保证在任何情况下水跃均完整地发生在消力池内。 •（2）闸门尽量同时均匀分级启闭.如不能全部同时启闭,可由中间孔向 两侧分段,分区或隔孔对称启闭,关闭时与上述顺序相反。 •（3）对分层布置的双层闸孔或双扉闸门应先开底层闸孔或下扉闸门, 再开上层闸孔或上扉闸门,关闭时与上述顺序相反。 •（4）严格控制始流条件下的闸门开度,避免闸门停留在振动较大的开 度区泄水。 •（5）关闭或减小闸门开度时,避免水闸下游河道水位降落过快. •9.在大型水闸的初步设计阶段,其水力设计成果应经水工模型试验验证。
水工建筑物项目化实训包
消能防冲设计
二、消力池设计
•1.消力池深度计算
水工建筑物项目化实训包
消能防冲设计
二、消力池设计
•2.消力池长度计算
•3.消力池底板厚度计算
水工建筑物项目化实训包
消能防冲设计
三、海漫设计
• 为消除消力池后水流剩余能量，池后渠底设置保护措施即海漫。 • 海漫应具有一定粗糙性，透水性及率性，宜用干砌石或浆砌石建成， 厚0.3—0.6m，下设0.1—0.15m砂卵石垫层。 • 海漫长度计算公式
水闸消能防冲设计条件的确定
半 ，随 着 时 间 的推 移 ，水 深 的深 度 渐 渐趋 于 平 稳 状 态 。
２ ． ２ 实验 测试 结 果
实验测试结果 如表 １所示 。从 以下实验 测试 结果 可 以
了 解 到 ，当 闸 门 开启 将 近 １ ｈ之 后 ，水 深 才 能 达 到 正 常 设 计 水 深 ，在 闸 门开 启 的 瞬 间 其 下 游 水 深 仅 为 正 常 设 计 水 深 的
一
闸流量可达 １ ０ ｏ ｏ ｍ ／ ｓ ，随着时 间的推移 以及 对相 关病 险水
施 故 障 问题 ， 尤 其 是 消 能 防 冲 设 施 问 题 明 显 。 消 能 防 冲设
冲刷 量 的 ５ ０ ％ ，并 且 随 着 闸 门 开 启 时 间 的 缩 短 ，则 冲 坑 的 深度就会渐 渐加 大 ，然后 在进 行 开启 第 二次 闸 门 的 时候 ，
冲坑 的深度逐渐 呈减 小趋 势 ，冲坑 的 面积便 逐渐 变大 ，但 与此 同时 ，冲坑 的深度 以及 面积渐 渐趋 于稳 定状 态 ，最后 渐 渐 与 闸 门 开 启 历 时 无 关 。 另 外 ，随 着 闸 门 的 开 启 ，下 游 水位会随着流速 的变 化 而变化 ，所 以说 ，闸 门的开启 与 闸 下的消能防 冲设 计条 件有 着十分 密切 的关 系 ，同时 ，在 闸 门的开启过程 中，其 下游 水位 与近底 流速 以及 时 间有着 密
设 施 的使 用 寿命 。
２ 闸 门开启 过程 中 闸下水 深 的变化
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4 消能防冲设计
通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。
消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。
设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。
挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证才能选用。
当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面，可能被冲坑切断而形成临空面，危及坝基稳定，或岸坡可能被冲塌时，不宜采用挑流消能，或须做专门的防护措施
底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道；高坝采用底流消能需经论证，但不宜用于排漂和排冰。
面流消能适用于水头较小的中、低坝，河道顺直，水位稳定，尾水较深，河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。
消力戽消能适用于尾水较深且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。
联合消能适用于高、中坝，泄洪量大，河床相对狭窄，下游地质条件较差或单一消能型式经济合理性差的情况。
联合消能应经水工模型试验验证。
根据本工程地质条件，选取挑流消能。
图4-1 冲坑厚度图示
4.1 洪水标准和相关参数的选定
本次设计的重力坝是3级水工建筑物，根据地形地质条件，选用了挑流消能。
根据已建工程经验，取挑射θ=25°。
4.2 水舌抛距计算
根据SL319-2005《溢洪道设计规范》，计算水舌抛距和最大冲坑水垫厚度。
计算公式：
水舌抛距计算公式：
])(2sin cos cos sin [121221121h h g v v v g L +++=
θθθθ L ：水舌抛距
1v ：差）为水库水位至坎顶的落Ho （ 21.11.1 顶水面流速，01gH v v ϕ==坎
θ：鼻坎的挑角
1h ：1,(cos h h h θ
=坎顶铅直方向水深为垂直鼻坎水面高度） 2h ：坎顶至河床面的高差， m
ϕ：堰面流量系数，取0.95； 11cos 2.926572cos 25 2.652375,(cos h h m
h h h θθ
==⨯︒==坎顶铅直方向水深为垂直鼻坎水面高度） 220.62h m =
V 1= 41.2682m/s
将这些数据代入水舌抛距的公式得：
21[41.2682sin 25cos 2541.2682cos 259.81
171.6549L m ︒︒=⨯⨯⨯+⨯︒=
4.3 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度
最大冲坑水垫厚度公式：
25
.05.0H kq t k = k t ：水垫厚度，自水面算至坑底。
q ：单宽流量，由前面的计算可得单宽流量为120.7743；
H ：上下游水位差，m ；
k ：冲刷系数，（这里根据地质情况取1.5）；
将数据代入公式得：
649.8553.6296.18H m =-=
0.50.251.6120.774396.1855.27881k t m =⨯⨯=
所以最大冲坑水垫厚度为55.27881m 。
最大冲坑厚度估算：
'0.50.252
k t kq H H =-
219.12H = '52.2788119.1233.15881()k t m =-=
'/171.6549/33.15881=4.74725k n L t ==
为了保证大坝的安全，挑距应有足够的的长度。
一般当'
/ 2.5 5.0k n L t =>-时，认为是安全的。
计算结果为n=4.74725，所以满足规范。
故，其消能防冲设计符合规范设计要求。