消能防冲计算
水闸的消能防冲
u排水孔布置：★ 孔径5～25cm，间距1.5～3.0 m，呈梅花形布
置；底部设置反滤层。
消能防冲设施
（二）海漫
紧接消力池，进一步消除余能，调整流速分 布使其达到河道天然流速分布状态。
u要求：抗冲、表面粗糙、透水、有一定柔性； u材料：浆砌石、干砌石； u厚度： u长度：按南科院经验公式计算。
u
l
为水跃长度，规范中推荐采用欧勒佛托斯基公
n
式计算：
l n=6.9(hc² -hc)
3.辅助消能工
作用：加大水流阻力；加强水流紊动和撞击； 稳定水跃；利于扩散水流。
类型：消力墩、消力齿、散流墩等。
消能防冲设施
消能防冲设施
4.护坦构造 （消力池底板）
u材料：混凝土、钢筋混凝土 u厚度：根据抗冲和抗浮要求分别计算，取其最大
不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此 消能设计的控制性水力条件也不尽相同，并不一定 是Qmax的情况。应选取可能的q、△H的不利组合。
消能防冲设施
四、闸门的运用管理
n 各闸门同步均匀提升，而且必须等下游水位升高后 再逐步开启。严禁单独完全开启一孔或少数几孔。
n 如受具体条件限制而不能同步开启时，则应分段开 启，每次开启0.5～1.0 m，依此对称而间隔地增加 每个闸门的开启度。
底流消能 主要结构是消力池，在池中利用水跃进
行消能。消力池后紧接海漫，在海漫上继续消除水流剩 余动能，使水流扩散并调整流速分布，以减小底部流速， 从而保护河床免受冲刷。
消能防冲设施
消力池
海漫
消能防冲设施
（一）消力池
1.消力池的设置条件
u 当 hs¢ £hc¢¢ 时，产生远趋式水跃或临界水跃，
水利消能防冲自动计算表(ELCEL)
二：输入数据： 注：水位（深）以m计，流量m3/s，单宽m2/s计
池前宽度 3
下游水位 0.93 闸底高程 -0.87 扩散角 12
下游河宽 25.00 海漫末端宽 25 水闸流量 33.41 下游水深 2.10
三：数值计算： 注：需假定有消力池深度d，总长L,及比较下游水深hs。
（一） ⑴
消力池计算： 假定消力池深d为： 1.20 有已知：池末宽度 8.37 故总势能T0=H0+d＝ 4.916
14～13 12～11
10～9
8～7
式中： ks海漫长度计算系数
9
q2为池末端单宽流量 4.80
ΔH泄水时上下游水位差： 1.23
注：ks可查上表
经计算得Lp为：
20.76
（三 ）
河床冲刷深度计算：
⑴ 冲坑深度计算:
dm 1.1
qm
hm
v0
式中： qm海漫末端单宽流量 1.34 [Vo]河床土质允许不冲流速
13.0 计算池两端加宽各为0.5m，0.8m d为池深，坡度1：4
求出池差ΔZ：
z q22 q22 2g 2hs2 2ghc2
式中： ① ② ③
q2为池末单宽流 根据已知量提：供水深 按出池口为临界水深 由下游水为面线推 三者比求较：后确定
为：
经计算得ΔZ为： 0.55
3.99 hs下游水深可参考情况有下列几种：
内河消能防冲设计（内0.63外2.63对应流量）
一：适用范 二围：：输入数 据：
已知下游水深 注：水位（深）以m计，流量m3/s，单宽m2/s计
池前宽度 3
下游水位 0.93 闸底高程 -0.87
扩散角 12
下游河宽 25.00
消能防冲计算
3.99 2.10 1.19 1.86 1.19
hs下游水深Байду номын сангаас参考情况有下列几种：
（此时下游河宽同出池口河宽且海漫较短）
此时根据下游出口河宽相应临界水深为
0.57
即为下游水深hs 0.75
此时σˊ[hs/(hc″-d)]=
σ=
d + hs′ + ∆z hc′′
hs下游水深为： 1.19 跃后水深hc＂为： 2.78
①根据抗冲要求：
t = k1 q2
式中： k1池底板计算系数
H′
0.2 q2为池末端单宽流量 4.80 1.23 注k1为（0.15～0.20）
ΔH泄水时上下游水位差： 经计算得t为： 0.46 ②根据抗浮要求：
t =
式中：
k2⋅h r1 − 1
1.2 r1为消力池容重： 0.60 2.50 t/m3 注k2为（1.1～1.3）
式中：
b1池前宽度为：
经试算得hc＂为： 2.68 反求池长为：L=4*d＋0.75*6.9*(hc＂-hc）+1＝ 计算采用的池长值： 式中： в校正系数取0.75， 求出池差ΔZ： 10.0
计算池两端加宽各为0.5m，0.8m
2 2 2
9.33 接近假定
d为池深，坡度1：4
αq αq 2 z= − 2 gϕ 2 hs′ 2 2 gh
总长度L为12.63 下游水深 2.20 池前单宽 11.14
2
计行进流速堰上水头H0
3.716
池末单宽单宽流量 3.99 假定hc为 1.4409
α q2 h c − T 0 hc + =0 2 gϕ 2
1.03 1.44
式中： а水流动能校正系数 经试算得hc为： 求跃后水深hc＂：
水闸消能计算(闸后消力池计算、海漫、防冲槽)
也适用于堰后消能
m/s 0m 440m 462m 24m3/s 1981.65m3/s 1981.650
调试
m 9m3/sm 82.569m m 24m
2411~1.050.80.7~0.81.05 1.05~1.10.950.95~1
m 4.720m
14.970
需要修建消力池m 26.7820.000m 4.122m 16.426m 3.4650.000m 4.782m 4.782m 84.897m
67.918
由最大流量确定
消能计算参考规范：SL265-2001水闸设计规范
闸后消力池计算
行进流速v 过闸单宽流量总势能T 下游河床高程泄洪流量Q
出池河床水深h's 上游闸前水位闸宽B
最大流量Q 总势能T 收缩水深h 跃后水深h 动能校正系数水跃长度校正系数β水跃淹没系数流速系数φ
收缩水深h 跃后水深h 消力池计算长度Lk
池首端宽度b 池末端宽度b 水跃长度L 出池落差△Z 池计算深度设计深度d 32220/2c c h T h q g αϕ-+
也适用于堰后消能
底宽b m 1.500
比降i-0.010
边坡系数m-0.000
规范P72糙率n-0.017
掺气修正系数ζ- 1.200
泄洪流量Q m3/s1981.650或输入h~Q关系式
水面宽B m 1.500
过水断面A m2408.850
湿周χm546.633
水力半径R m0.748
谢才系数C-56.044
计算流量Q'm3/s1981.650
平均流速V m/s 4.847
δ(0.000)
正常水深h0m272.567由最大流量确定。
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
消能防冲计算
为堰流还是非孔流？ 故取淹没系数σ =
堰流 1.00
b0 4 b0 z 1 0.1711 b0 dz b0 dz
b0 b0 4 b 1 0.1711 b0 dz / 2 bb b0 dz / 2 bb
而b0为闸孔净宽 故： 进而： 2 ε z＝ ε b＝ ε ＝ 3.00 dz为中墩宽度 0.80 6.5
bb为边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线距离 0.9661 0.9116 0.912
流量Q： 公式为：
Q m (n b0) 2 gH 01.5
(nb0）为闸孔净宽
3
其中： 故流量Q为
3.00
m流量系数
0.385
33.41 m /s 经计算行进流速为 0.56 与假定基本一致。
内河消能防冲设堰流）
一：适用范围： 水闸为多孔闸堰流，且hs/H0<0.72,(σ =1) 二：输入数据： 注：水位（深）以m计，流量m3/s计 上游水位 2.83 闸门孔数 1 上游河宽 16.00 下游水位 0.93 单孔净宽 3.00 闸室总宽 3 闸底高程 中墩宽 闸孔净宽 红色数字为已知值，需输入。 -0.87 孔顶标高 2.23 0.80 3.00 边墩宽 hs/H0 0.95 0.49
（须反推流速水头） 故流速水头为
上游河道断面面积＝ 59.2 0.016 0.0160 假定为 0.02 3.7
故计算的流量Q为：
计行进流速堰上水头H0
33.41 流速水头h 3.716 闸前水深
三：数值计算： 注：需假定有：堰上流速水头， 1 公式为：
z N 1 b
N
闸室净宽 下游水深 0.65 0.72 > < 3.00 1.80 孔口高度he 3.1
消能防冲计算
一、水流衔接判
远离水
断：
跃： hc``＞ht
临界水
一）、收缩水深计算：
跃： hc``=ht
淹没水
1.一般泻洪情况：
跃： hc``＜ht
1）.收缩水深hc：
流速系数
E0=
15 q=
hc=E0-q2/（2gψ
6.74 ψ (通过试算确定hc）
2）.流速系数ψ：
（1）低堰情况： ψ1
ψ2
（2）高堰情况： ψ=（1-0.1*E0.5/q1/3）0.5 0.88783 E
3
条件：hs /H10＞ 坎。）
2.淹没出流：
0.45
σs=
坎高c=σhc``+Q2/（2gb2（σhc``）2）-H10
H10=(Q/(σsmb(2g)0.5))2/3
三、海
漫：
Lp=
四、综合式消力池计算：
（具体见《水力计算手册》P216）
1.确定坎
高：
hc1=ht（（1+8Frt2）0.5-1）
hc``=hc（（1+Frc2）0.5-1）/2
3.池长
L：
（同前计
L=
算）
五、辅助消能工：
1.趾墩：
（具体见《水力计算手册》P218）
生临界或稍有淹没的水跃
下游水深
ht=
H10=(Q/(mbm(2=g)0.5))2/
3
0.42
σsmb(2g)0.5))2/3
（1+Frc2）0.5-1）/2
0.95 Q=
σ=
1.05
△z=Q2*（1/（ψ`ht）2-1/（σhc``）2
S=σhc``-ht-△z
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2.平底闸孔情况：
底流消能条件：必须发生临界或稍有淹没的水跃 。
ψ3
ψ4
16
hc=εe 二）、.跃后水深
垂直收缩系数ε=
闸门开度
e=
0.5
hc``=hc*（（1+8Frc2）0.5-1）/2
弗落得数
Frc=q/hc /（ghc）
0.5
二、底流计算：
一）、消力池计
1.消力池 深S：
设计流量
池宽b=
ψ`=
hc``=hc（（1+Frc2）0.5-1）/2
3.池长
L：
（同前计
L=
算）
五、辅助消能工：
1.趾墩：
（具体见《水力计算手册》P218）
生临界或稍有淹没的水跃
下游水深
ht=
H10=(Q/(mbm(2=g)0.5))2/
3
0.42
σsmb(2g)0.5))2/3
（1+Frc2）0.5-1）/2
3
条件：hs /H10＞ 坎。）
2.淹没出流：
0.45
σs=
坎高c=σhc``+Q2/（2gb2（σhc``）2）-H10
H10=(Q/(σsmb(2g)0.5))2/3
三、海
漫：
Lp=
四、综合式消力池计算：
（具体见《水力计算手册》P216）
1.确定坎
高：
hc1=ht（（1+8Frt2）0.5-1）
Lj=8.4*h`*（Fr1-9）+76*h`
二）、消力坎：
（具体见《水力计算手册》P211）
条件：hs /H10≤
消力坎宽
1.自由出流：
0.45
hs=
b=
安全系数
σ（计算出坎高后须判断下坎游高水c流=σ流态hc，``若+Q发2生/（远2离gb水2（跃σ，需hc建``）第二2）级-消H1力0
H10=(Q/(mb(2g)0.5))2/
0.95 Q=
σ=
1.05
△z=Q2*（1/（ψ`ht）2-1/（σhc``）2
S=σhc``-ht-△z
2.消力池长Lk： hc``/h`=（（1+8q2/（gh`3））0.5-1）/2
Fr1=q2/（gh`3）
条件 ： 1.7＜Fr1＜9.0
Lj=9.5*h`*（Fr1-
Lk=
9.0＜Fr1＜16
底 流式消能防冲
一、水流衔接判
远离水
Байду номын сангаас
断：
跃： hc``＞ht
临界水
一）、收缩水深计算：
跃： hc``=ht
淹没水
1.一般泻洪情况：
跃： hc``＜ht
1）.收缩水深hc：
流速系数
E0=
15 q=
hc=E0-q2/（2gψ
6.74 ψ (通过试算确定hc）
2）.流速系数ψ：
（1）低堰情况： ψ1
ψ2
（2）高堰情况： ψ=（1-0.1*E0.5/q1/3）0.5 0.88783 E
Frt=Q/(bht(ght)0.5
坎高c=σhc1``+Q2/（2gb2（σhc1``）2）-
H10=(Q/(mb(2g)0.5))2/
2.池深
S： H1=(Q/(mb(2g)0.5))2/3-Q2/（2gb2（σhc``）2） E0=hc+Q2/（2gψ2b2hc）试算hc
S=σhc``-H1-c