泄水建筑物下游水流衔接与消能

第九章 泄水建筑物下游水流衔接与消能

本章要求

掌握 底流式衔接与消能的水力计算思路、步骤；计算收缩断面水深hc及其共轭

水深hc〃 ，判断水跃衔接形式，计算消力池池深S、池长Lk。

理解 坎式消力池及挑流消能的水力计算原理和方法。

为了控制、利用水流，在河、渠中修建了堰、闸、跌坎等泄水建筑物，泄水建筑物的泄流宽度一般都小于原河渠宽度，使建筑物上游水位升高，因此经建筑物下泄的水流，大都具有较大的动能，特别是对于上游为高水头的泄流建筑物来说，下泄水流的流速可达每秒几十米，若不采取有效工程措施消除下泄水流能量，会冲刷紧接泄水建筑物的河槽，危及建筑物的安全。如瑞士某大坝，上、下游水位差5m，河床冲刷深度却达12m。所以，需在泄水建筑物下游设置消能工程，以消除下泄水流能量，保护建筑物的安全。

目前，实际工程中常采用的水流衔接与消能形式主要有三种。

1、底流式衔接与消能

水流自闸、坝下泄时，势能逐渐转化为动能，流速增大，水深减小，到达C-C断面，水深最小，称该断面为收缩断面，其水深以hc表示，hc一般都小于临界水深，水流属于急流，而下游河渠中的水深ht常大于临界水深，属于缓流。由急流向缓流过渡，必然要发生水跃，如图9-1a所示。底流式衔接与消能就是在建筑物下游修建消力池（即水池图9-1 b、c），控制水跃在消力池内发生，利用水跃消能（可消耗大部分下泄水流能量），同时可以减小急流范围，使水流安全地与下游缓流衔接。在这种衔接与消能过程中，因为水流主流靠近河床底部，因此称这种衔接消能为底流式衔接与消能。底流式衔接与消能多用于中、低水头及下游地质条件较差的泄水建筑物的消能。

图9-1

2、挑流式衔接与消能

这种消能方式是利用在泄水建筑物末端修建的反弧坎，将下泄的水流挑离建筑物，使之落入下游较远的河道中，如图9-2所示。挑射的水流在空中受到空气阻力，水舌扩散，消耗一部分能量。落入下游水流中后，与下游水体碰撞，产生剧烈的混掺紊动，又消耗大量的能量，从而达到消能目的。因为是被挑向下游与下游水流进行衔接，因此称这种衔接与消能为挑流式衔接与消能。挑流式衔接与消能多用于高水头、且下游河床地质条件好的泄水建筑物下游的消能。

图9-2 图9-3

3、面流式衔接与消能

当下游水深较大且较稳定时，常将建筑物末端做成垂直跌坎，跌坎顶部低于下游水位，如图9-3所示。下泄的水流被送到下游水流表层，底部形成巨大的旋滚，然后主流在垂直方向逐渐扩散，并与下游水流衔接。其消能是在底部旋滚和主流扩散的过程中实现的。因为高流速的主流位于表层，故称这种消能衔接型式为面流式衔接 图9-4

与消能。

除了上述三种基本消能型式以外，还可以将这三者相互结合起来得到综合式消能措施。图9-4所示就是一种底流与面流相结合的型式，称为戽流式衔接与消能。

本章只介绍常用的底流式衔接与消能和挑流式衔接与消能的水力计算方法。其它消能方式的水力计算，可查阅《水力计算手册》或《水利技术标准汇编》。

第一节 底流式衔接与消能的水力计算

由前述知道，闸、坝等泄水建筑物下泄水流要经过c-c收缩断面并且发生水跃，以水跃的形式与下游水流衔接，研究表明：水跃发生在收缩断面前后的位置不同，则发生不同的水跃衔接形式，而水跃衔接形式决定了是否需要采取消能措施，判断会发生哪一种水跃衔接形式又与收缩断面水深hc有关，所以底流式衔接与消能的水力计算第一步要求计算ch，第二步由ch计算ch并判别水跃衔接形式，由水跃衔接形式决定是否需要进行消能，

第三步才是进行消能计算。下面按步骤分别叙述。

一、收缩断面水深hc的计算

以图9-5所示的溢流坝为例，建立收缩断面水深计算的基本方程。选通过收缩断面底部的水平面为基准面，对断面0-0和断面c-c列能量方程，可得下式 22202ccgAQhE (9-1)

对矩形断面：Ac＝bhc，取单宽流量bQq则

22202cchgqhE (9-2)

得

cchEgqh02 (9-3)

式中： E0=P1+H0=P1+H+g2200 图9-5

c1

E0—坝前断面的总水头；

—泄水建筑物的流速系数，值的大小主要取决于建筑物的型式和尺寸，初估可按表9-1选用。

式9-3是ch的三次方程，不便直接求解，一般采用逐次渐近法或图解法求ch。

1、渐近法

计算步骤如下：

（1）令hc=0代入式（9-3）的右边计算得hc1.

(2 )将hc1仍代入式（9-3）的右边计算得hc2，比较hc1和hc2，如二者相等，则hc2即为所求hc。否则，再将hc2代入式（9-3）的右边计算得hc3，再比较，如不满足，再计算，就这样逐次渐近，直至二者近似相等为止。

2、图解法

对于矩形断面的hc，可借助本书附录IV的曲线求解，步骤如下：

（1）根据已知条件计算hk(hk=23qg)和khE00；

（2）据和0在附录IV的关系曲线上求得kcchh和kcchh''； （3）解得kcchh，kcchh 。

表9-1 泄水建筑物的流速系数值

建筑物泄流方式 图 形  值

表面光滑的曲线型实用堰平板闸闸孔自由出流

0.85-0.95

表面光滑的曲线型实用堰自由出流

1、溢流面长度较短

2、溢流面长度中等

3、溢流面长度较长 1.00

0.95

0.90

平板闸闸孔自由出流

0.97-1.00

折线形断面实用堰自由出流

0.80-0.90

宽顶堰自由出流

0.85-0.95

无闸门跌水

1.00

末端设闸门的跌水

0.97-1.00

【例9-1】 某水闸单宽流量q＝12.50m3/(s·m),上游水位28.00m，下游水位24.50m，渠底高程21.00m，闸底高程22.00m，＝0.95，如图9-6所示，求闸下游收缩断面水深hc。

解： 首先计算Eo。计算下游坝高P1

P1＝22.00-21.00＝1.00（m）

计算闸前水深H0： H＝28.00-22.00＝6.00（m）

)/(08.200.650.120smHq

)(22.66.1908.200.622200mgHH

故 E0=P1+H0=1.00+6.22=7.22(m)

1、渐进法求hc

计算

cccchEhEhEgqh000972.28.9295.0/5.122/

令式中根号内的hc＝0，则

第一次 (m)223.1022.7972.21ch

第二次 (m)214.1223.122.7972.22ch 图9-6

第三次 (m)213.1214.122.7972.23ch

因hc3与hc2很接近，故取hc=1.213m

2、图解法求hc

计算临界水深hk（对于矩形断面） (m)52.28.95.12gq3232kh

计算0 87.252.222.7hEk00

根据0=2.87和=0.95查附录Ⅳ得 c=0.477

则 hc=(m)202.152.2477.0hkc

二、水跃衔接形式的判断

闸、坝等泄水建筑物下游发生水跃，水跃发生的位置，有三种情况：正好在收缩断面处开始发生，在收缩断面以前发生，在收缩断面以后发生，这是三种不同的水跃形式，会发生何种形式的水跃，取决于建筑物下游收缩断面水深hc的共轭水深hc〃与下游水深ht的孰大孰小。判断方法是：先以hc＝h＇(即以收缩断面水深作为跃前水深)，将hc代入水跃方程求得跃后水深hc〃,然后将求得的hc〃与下游水深ht比较，可出现cthh、cthh、cthh三种情况，由此可判断出发生何种水跃（hc〃求解方程见第七章第三节）。

（1）ht= hc〃 表明此时下游水深ht正好等于收缩断面水深hc所对应的跃后水深hc〃，水跃恰好在收缩断面处开始发生，称这种水跃为临界式水跃，这种水流衔接称为临界式水跃衔接，如图9-7a所示。

（2）ht＜hc〃

这时，下游水深ht小于与收缩断面水深hc相对应的共轭水深hc〃。下游水深ht即为

实际跃后水深，由水跃函数曲线可知，较小的跃后水深要求较大的跃前水深与之相对应，因而h＇应大于hc，所以应从收缩断面后、在水深增大到正好等于ht的共轭水深h＇时开始发生水跃，如图9-7b所示。称这种水跃为远离式水跃，这种衔接称为远离式水跃衔接。

图9-7

（3）ht＞hc〃

这种情况与上一种情况正好相反。水跃被水深较大的下游水流向上推移，收缩断面被淹没，因而称这种水跃为淹没式水跃，这种衔接为淹没式水跃衔接。如图9-7c所示。

令〃cthh，称为水跃的淹没系数。它表示水跃的淹没程度。

根据理论和实验研究表明，临界式水跃的水流能量损失最大，其消能效果最好。但临界式水跃不稳定，当流量稍有增大、或下游水深稍有减小时，很容易转变为远离式水跃。而远离式水跃其消能效果较差。而且从收缩断面到跃前断面为急流，流速较大，对河床的冲刷能力很强，不利于建筑物的安全。对于淹没式水跃，当淹没系数σ＞1.2时，消能率降低，但当淹没系数σ＝1.05～1.10时，淹没式水跃的消能效果接近临界式水跃，而且不易变为远离式水跃。

综上所述，远离式水跃衔接形式最为不利，工程中应避免出现；临界式水跃衔接形式不稳定，很容易转变为远离式水跃衔接，也应避免出现；所以选取淹没系数σ＝1.05-1.10的稍有淹没程度的淹没式水跃衔接形式为最好。因此当建筑物下游水流的自然衔接形式经判断为远离式水跃或临界式水跃衔接时，则需要设置消能工（消能工程），即要进行相应的消能水力计算，避免出现这两种水流衔接形式。设置底流式消能工的目的就是迫使建筑物下游发生淹没系数σ＝1.05～1.10的稍有淹没程度的淹没式水跃，使水流成为稍有淹没程度的淹没式水跃衔接。