泄水建筑物下游的水流衔接与消能

第13章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能

13.1知识要点

13.1.1泄水建筑物下游水流的特点及消能形式

泄水建筑物下游水流衔接与消能的形式一般有三种，即底流消能、挑流消能和面流消能。

1.底流消能

所谓底流消能，就是在建筑物下游采取一定的人工措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈紊动以达到消能的目的。这种水流衔接形式由于高速水流的主流在底部，故称为底流式消能。

2.挑流消能

利用出流部分的挑流鼻坎和水流所挟带的巨大动能，将下泄的急流挑射至远离建筑物的下游，使射流对河床造成的冲刷坑不致影响建筑物的安全，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水垫后通过两侧形成水滚而消除。

3.面流消能

当下游水位较高，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流旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷，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。由于衔接段中高流速的主流位于表层，故称为面流消能。

此外，还可以将上述三种基本类型的消能方式结合起来应用，如消力戽就是一种底流和面流结合应用的消能形式。低于下游水位的消力戽斗，将出泄的急流挑射到下游水面形成涌浪，在涌浪的上游形成戽旋滚，在涌浪的下游形成表面旋滚，主流之下形成底部旋滚。

13.1.2底流消能的衔接形式和收缩断面水深的计算

1.底流消能的三种衔接形式

底流消能就是借助于一定的工程措施控制水跃的位置，水跃的位置决定于坝址收缩断面水深ch的共轭水深ch与下游水深th的相对大小，可能出现下列三种衔接形式：

1）当tchh时，产生临界水跃；

2）当tchh时，产生远驱水跃；

3）当tchh时，产生淹没水跃。

工程中，一般用cthh/表示水跃的淹没程度，该比值称为水跃的淹没系数或淹没度，用j表示，

ctjhh/ （13.1）

当1j时为淹没水跃；1j时为临界水跃；1j时为淹没水跃。

在进行建筑物的消能设计时，一般要求

1.1~05.1j

（13.2）

2.收缩断面水深ch的计算在靠近泄水建筑物的下游常形成一个最小水深ch，称为收缩水深。如图13-1所示。

对于实用堰和跌坎下的收缩断面水深，其一般公式为 22202ccAgQhE （13.3）

ccvchcE002g20v0Pv0P10H△ 图13-1对于矩形断面，ccbvA，bQq/为单宽流量，则

)2/(2220cchgqhE

（13.4）

对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深为

ehc （13.5）

式中，Q为流量；cA为收缩断面的断面面积；0E为收缩断面底部以上总水头；为流速系数；为闸孔出流的垂直收缩系数；e为闸孔开度。

3.流速系数的计算

溢流坝流速系数的经验公式很多，这里介绍两个公式

HP/0155.011 （13.6）上式适用于实用剖面堰的自由溢流无显著掺气现象，且30/1HP的情况。

陈椿庭根据国内外一些高坝的实测资料，提出的公式为

2.03/2)/(Zq （13.7）

式中，Z为坝的上游库水面至收缩断面底部的高差。

在初步设计时，流速系数也可以查表12-5和表13-1。

表13-1流速系数

建筑物泄流方式 图形 

无闸门的曲线实用堰

1.溢流面长度较短

2.溢流面长度中等

3.溢流面较长 cc△ 1.00

0.95

0.90

折线形实用堰（多边形断面） c△cc△ab 0.80~0.90

宽顶堰

cc△ 0.85~0.95

跌水

cc△ 1.00

13.1.3消力池的水力计算

加大下游水深的工程措施，主要有以下三种：

1）降低护坦高程，使在下游形成消力池；2）在护坦末端修建消力坎来壅高水位，使坎前形成消力池；3）综合式消力池。

1.降低护坦高程所形成的消力池

1)消力池坎高的计算公式

降低护坦形成的消力池如图13-2所示。图中0-0线为原河床底面线，0'-0'线为挖深d后的护坦底面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时，其水流现象类似于宽顶堰的水流现象，水面跌落高度为z，然后与下游水面相衔接。

计算公式：

zhhdtcj1 （13.8）

20v02gE'0E0△000'0'v2dhc1Lkc1c1v011hTcc22H1ht△z

图13.-2

)181(2231211212210cccccghqhhhgqhdE （13.9）

])(1)(1[22122cjthhgqz （13.10）

式中，q为单宽流量；1ch为护坦高程降低后收缩断面水深1ch的跃后共轭水深；05.1j； th为下游河床水深； d为消力池深度；池末水深1cjThh；为消力池的流速系数，一般取95.0。

当0E、q、已知时，即可用式（13-8）、（13-9）和（13-10）联立求解消力池深度d。一般需要试算法。

对于中小型工程，（m)/(sm253q，m350E）消力池深度可近似利用下式估算：

tctchhdvhhdv3m/s,1.053m/s,下游流速下游流速

（13.11）

式中，ch是以河床为基准面，按总水头0E求得的ch的共轭水深。

2）消力池长度kL的计算

消力池的长度为

jkLL)8.0~7.0(

（13.12）

式中，jL为平底渠道中的完全自由水跃的长度，其计算公式见第10章。

对于具有垂直跌坎的宽顶堰，其池长除kL外还应计及跌坎壁到收缩断面的距离0L，则池长为

kLLL0

（13.13）

0L可近似的按下式计算

0010)25.0(4HHamL （13.14）

式中，m为宽顶堰的流量系数；1a为宽顶堰的下游堰高；0H为堰上总水头。

3）消力池设计流量的选择

当)(tchh为最大时，对应的流量即为消力池的设计流量，但在计算时须注意，计算ch和ch时，应是护坦降低前的ch和ch。

消力池中水跃的长度随流量的增大而增大。所以消力池长度的设计流量为建筑物通过的最大流量。

2.在护坦末端修建消力坎形成的消力池

在河床不宜开挖或开挖太深造价不经济时，可在护坦末端修建消力坎，壅高坎前水深形成消力池，

如图13-3所示。

q222g(jh"c)hshtH1hT11v0ccLkhcc△E02g0v02

图13-3

建消力坎后水流受坎壅阻，池末水深Th大于下游水深th，池内形成水跃。坎前水深为cjThcHh1。消力坎高度的计算公式为

1Hhccj

（13.15）

消力坎一般做成折线形或曲线形实用堰，故坎顶水头可用堰流公式计算

223/2122101)(2))2(()(2cjscjhgqgmqhgqHH （13.16）

式中，1H为以消力坎顶部算起的坎上水深；1m为消力坎的流量系数，初步设计时可取42.01m；s为消力坎的淹没系数，它决定于淹没程度10/Hhs。

因为消力坎前有水跃存在，与一般实用堰前的水流状态不同，故淹没系数及淹没条件也有所不同。判别淹没的条件为

45.0//)(1010HhHchst （13.17）

当45.0/10Hhs时，消力坎为非淹没流，1s；当45.0/10Hhs时，消力坎为淹没流，1s，其值可由表13-2查得。

表13-2 消力坎的淹没系数

10/Hhs 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.72 0.74 0.76

s 1.00 0.99 0.985 0.975 0.960 0.940 0.930 0.915 0.900

10/Hhs 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.95 1.00

s 0.885 0.865 0.845 0.815 0.785 0.750 0.710 0.651 0.535 0.00

计算消力坎的高度时，一般用试算法。计算时先假定坎高c，利用上述各式计算1H、01H，由表13-2查得淹没系数s，校核单宽流量q值，直到和给定值相符为止。

对于消力坎，求出坎高后，还要注意坎下游水流的衔接情况，如果坎太高，以致在坎的下游又发生远驱式水跃，则可在下游修建二道消力坎或采取其它消能措施，判别方法为：

1）计算消力坎前总水头01E

1001HcE （13.18）

2）取流速系数95.0~9.0，计算收缩断面的水深0ch

)(20100cchEgqh （13.19）

由上式求出0ch，然后计算跃后水深0ch，如果tchh0，需修建第二级消力坎，……，直到跃后产生淹没水跃衔接形式为止。第二级消力池的计算方法与上面的计算方法相同。

3.综合式消力池的水力计算

综合式消力池的主要任务是求坎高c、池深d和池长kL。

设一综合式消力池如图13-4所示。求综合式消力池参数的基本思路是：先假定消力池内和消力坎的下游河槽内均发生临界水跃，求得所需的池深d及坎高c、然后求临界水跃转变为淹没水跃所需的池深和坎高。求解步骤为：

''△'hccc22g1v1c20v02gE0△dhcLkccv011hTH1ht

图13-4

1）求坎高c

假设消力坎后形成二次水跃，跃后水深为下游水深th，跃前水深ch用下式计算

)181(232ttcghqhh （13.20）

消力坎后跃前断面总水头0E为 220)(2cchgqhE （13.21）

取42.0m，计算坎顶以上总水头 3/210)2(gmqH （13.22）

坎高c 100HEc （13.23）

当求出坎高c后，为安全起见，可使坎高较求出的坎高稍低一些，使坎后形成稍有淹没的水跃。