1、1第十一章第十一章 泄水建筑物下游水流的泄水建筑物下游水流的衔接与消能衔接与消能 第一节 概述 为控制水流，合理开发利用水资源等目的，在河渠上修建水闸，堰等建筑物。修建后，由于建筑物缩窄了河道，改变了水流的特征，抬高上游水位，势能增大。当建筑物泄水时，势能转换为动能，使下泄水流具有较高的速度，动能较大。而下游一般为缓流，存在两种流态如何衔接，如果处理不当将会带来冲刷等严重后果。2天然河道中水流一般属缓流，但当河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，下泄水流往往具有很高的流速，单位总量水体所具有的能量也比下游河道中水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。3 因此，必须对泄水建筑物下游水流的
2、衔接进行判断和处理，选择适当的消能方式。在下游较短距离内消除余能。4 下游水流衔接与消能的方式有多种，常见的为：1、底流式衔接消能 当水流从急流向缓流过渡时，产生水跃，产生的表面旋滚和强烈的紊动消除大量的余能，使速度急剧下降，与下游水流能良好的衔接。由于主流在底部，称之为底流消能。2、挑流式衔接与消能 采用建筑物末端的挑流鼻坎，利用高速下泄水流的动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与下游水流衔接。消能分为三个部分，坝面摩擦空中扩散水垫。适用于中高水头，q 大，下游基岩完整坚硬。5 3.面流式衔接与消能 利用建筑物末端的导流坎，将高速水流送入下游河道的水流表层，坎后形成尺度很大的底部漩滚，
3、将主流与河床隔开。另外，戽流式消能，孔板式消能，竖井涡流式消能，竖轴式消能。以上几种是由三种基本消能型式的结合或发展。底流式消能 挑流式消能 面流式消能61 1、底流式消能、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。7 2 2、挑流式消能、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。8 3 3、面流式消能、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
4、，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。9 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。10第二节第二节 底流消能底流消能 从泄水建筑物下泄的水流一般为急流，存在一个收缩断面，水深为最小，为hc0，且一般hc0hc，即处于急流状态。根据下游河道水深ht与跃后水深hc02的相对大小，水流存在有三种水跃型式。hthc02 临界式水跃 ht hc02 淹没式水跃 远离式水跃对工程最不利，急流段长，加固河段长，工程量大。淹没式水跃消能效率低。临界式水跃位置不稳定。一般采用稍有淹没的
5、水跃进行消能较理想。11 水跃淹没系数=ht/hc02 临界式水跃 =1 远离（远驱）式水跃 1 消能设计要求：=1.051.112泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面00及收缩断面cc的能量方程式，可得由图可以看出ghgghEccccccc2)(22222002200202HPgHPE13 令流速系数 则以 代入上式得对于矩形断面，。取单宽流量计算，则c12202ghEccccAQ22202ccgAQhEcchbA22202cchgqhE14 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 的共轭水深 与下游水深
6、 的相对大小。可能出现下列三种情况 第一种情况：第二种情况：第三种情况：chch ththch ththch ch 15平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图16控制水跃位置的工程措施消能池的水力计算加大下游水深的工程措施，主要有下列两种：（1）降低护坦高程，使在下游形成消能池；（2）在护坦末端修建消能坎来壅高水位，使坎前形成消能池。j17 1 1、降低护坦高程所形成的消能池、降低护坦高程所形成的消能池(1)消能池深度 d 的计算消能池内的水深应为 式中：为水跃的淹没系数，一般取 为护坦高程降低后收缩水深 的跃后水深。1cjThh 05.1j1ch1ch j18消能池内的水深hT为确定消能池深度
7、 d 的计算公式 略去 ，并用护坦降低前收缩断面水深的共轭水深 代替 。可得到粗略估算池深的近似公式zhdhtT)(1zhhdtcj 2122)(1)(12cjthhgqzzch 1ch tcjhhd 1ch 19（2）消能池长度LK的计算式中，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 增大而增加。所以，可以认为，相当于 为最大时的流量即为池深的设计流量。jKLL)8.07.0(jL)(tchh )(tchh 20第三节第三节 挑流消能的水力计算挑流消能的水力计算 挑流消能的优点是节约下游护坦，构造简单，便于维修；缺点是雾气大，尾水波动大。挑流消能水力计算的主要任
8、务是：按已知的水力条件选定适宜的挑坎型式，确定挑坎高程、反弧半径和挑射角，计算挑流射程和下游冲刷坑深度。21挑流射程的计算挑流射程的计算1、射程 L0 的计算公式 式中：a为坎高，即下游河床至挑坎顶部的高差；ht为冲刷坑后的下游水深；h1为11断面的水深。2211210sincos2211cossinuhhagguLt22232、水下射程 L1 其中，ts 为冲刷坑的深度。冲刷坑深度的估算冲刷坑深度的估算1、对于砂卵石河床，冲刷坑深度可用下式计算：tan1tshtLttshqt75.0cot175.01sin5.24.224 式中：ts为冲刷坑深度，m；ht为冲刷坑后的下游水深，m；为反映流速
9、脉动的某一系数值，可取1.52.0；为水舌进入下游水面的流速（单位为m/s）2、对于岩石河床，计算冲刷坑深度的经验公式为式中：ts为冲刷坑深度，m；z为上下游水位差，m；ht为冲刷坑后的下游水深，m；q为单宽流量，；ttsshzqkt25.05.0msm/325挑坎型式及尺寸的选择挑坎型式及尺寸的选择 常用的挑坎有连续式和差动式。26 采用较多的是连续式挑坎。(1)挑坎高程 挑坎高程愈低，出口断面流速愈大，射程愈远。(2)反弧半径 反弧半径愈小，离心力愈大，挑坎内水流的压能增大，动能减小，射程也减小。为保证有较好的挑流条件，反弧半径 至少应大于反弧最低点水深 h c 的4倍。(3)挑角 挑角愈大 ，射程 L0 愈大。但挑角增大，入水角 也增大，入水角增大后，冲刷坑深度增加。0r0r)45(
