第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能

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h c及其共轭水深h c〃，判断水跃衔接形式，计算消力池池深S、池长L k。

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h c表示，h c一般都小于临界水深，水流属于急流，而下游河渠中的水深h t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9-1b、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9-12、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。

第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能9-1 概述一、泄水建筑物下游的水流特征为控制水流，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，往往改变水流的特征，抬高上游水位，下泄水流具有较高的速度，动能大，但由于建筑物缩了河道，增大，能量集中的总流，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严重后果。

因此，必须对泄水建筑物下游水流的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。

下游水流衔接与消能的方式。

衔接小的措施有多种，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，由于余流在底部。

2、挑流式衔接与消能利用建筑物末端的跃坎，利用高进下泄水流的动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与下设水衔接。

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。

3. 面流式衔接与消能利用建筑物末端的坎，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，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，数轴式效能。

以上几种是由三种基本消能型式的结合或发展。

ξ9-2 底流式衔接与消能一、底流式衔接型式在泄水建筑物下游的水流一般为急流，存在一个收缩断面，水深为最小，为h c 。

且一般h c < h k ,则根据下游河道水深h t 与h c"的相对大小，水流存在有三种水跃型式产生。

(h c "= h t ) 临界式水跃h c ">h t运驱式水跃h c "< h t 淹没式水跃 三种水跃型式，运驱式对工程最不利，因其 急流段长，加固河段长，工程量大。

临界式水跃位置不稳定。

一般采用稍有淹没式水跃进行消能较理想。

二、下游水流衔接形式判断及h c 的计算。

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c h 的共轭水深ch ''与下游水深t h 的相对大小，可能出现下列三种衔接形式： 1）当t ch h =''时，产生临界水跃； 2）当t ch h >''时，产生远驱水跃； 3）当t ch h <''时，产生淹没水跃。

工程中，一般用ct h h ''/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 σ表示， c t j h h ''=/σ （13.1）当1>j σ时为淹没水跃；1=j σ时为临界水跃；1<j σ时为淹没水跃。

第九章泄水建筑物下游的水流衔接与消能第一节泄水建筑物下游的水流衔接一、泄水建筑物下游的水流特征泄水建筑群下游水力设计的主要任务是，选择及计算适当的消能措施，在较短的距离内消除余能,并使收缩断面的高速集中水流，安全地转变为下游的正常缓流，保证建筑物的安全．二、泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要形式1。

底流式消能:下游采取工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃的表面旋滚和强烈的紊动达到消能的目的．2．挑流式消能:利用下泄水流的动能,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,余能一部分在空中消散,大部分在水舌落入下游河道后消除.3。

面流式消能:采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的表面。

通过水舌扩散、流速分布的调整及底部旋滚与主流的相互作用消除余能。

此外，可将几种消能方式集合起来，如消能戽就是一种底流和面流结合应用的消能方式.第二节底流式衔接与消能一般的水闸、中小型溢流坝或地质条件较差的各类泄水建筑物,多采用底流式消能。

底流式消能的水力计算:下游的水流衔接形式（即水跃发生的位置），确定必要的工程措施.一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算列坝前断面0－０及收缩断面c －ｃ的能量方程：g V h H P E c c c 2)(20`0ςα++=+=, 令流速系数ςαϕ+=c 1,则：2202ϕg Vh E c c +=即:22202ϕc c gA Q h E +=， 对矩形断面:22202ϕc c gh q h E +=由于上述方程是一元三次方程，一般需用试算法求解， 矩形断面也可迭代法求解:)(2)(022)1(i c i c h E g q h -=+ϕ，初始收缩断面水深取０. 矩形断面时，跃后水深：]1)(81[2)181(2332-+=-+=''c k c cc c h h h gh q h h 二、泄水建筑物下游水跃衔接形式及其对消能的影响1。

第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能第一节概述一、问题的提出为了达到灌溉、发电、防洪等兴利目标，往往要在河渠上建造水闸、挡水坝等水工建筑物，用来调节河渠的水位和流量。

但这些水工建筑物的兴建，必然会改变天然河流原有的水流状态，主要表现在以下两个方面：①修建挡水建筑物之后，必然壅高上游水位，使挡水建筑物上游积聚了较大的水流能量（主要是势能），而挡水建筑物又不可能将上游源源不断的来水全部拦蓄在水库以内，必然要从溢洪道、泄洪洞、坝身泄水孔等泄水建筑物泄出一部分水流，在泄水工程中，上游水流积聚的势能必将转化为动能，使下泄水流具有较高的流速。

②由于水利工程枢纽布置的要求和为了节省工程造价，建筑物泄水宽度总是小于原有河床宽度，这就使得下泄流量相对集中，单宽流量较大。

而下游河道对同样流量有其与原河床的断面形状、尺寸、底坡、粗糙系数及其它地形地质条件相适应的正常流动情况，一般来讲，这种正常流动情况下，水流分布比较均匀，流速较小。

如此一来，就产生了从泄水建筑物泄出的高速集中水流如何顺利地衔接过渡到下游正常流动情况这一问题，即泄水建筑物下泄水流的衔接过渡问题。

如果对水流的衔接过渡不加控制，或者控制措施不当，都可能给工程建设造成严重的后果。

概括起来讲，会产生这样两个问题：第一，集中泄出的水流可能严重冲刷河床、河岸，甚至危害建筑物的安全。

第二，水流集中泄出，可能使下游水流在平面上形成不良的流动情况，影响枢纽的正常运行。

水力学中泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要任务就是在确保闸坝安全、工程费用较省而又合乎流态要求的条件下，研究消除余能的具体方式。

通过采取一定的工程措施，利用有效的衔接方式，使下泄水流挟带的余能在较短的距离内转化为热能、声能逸散于空气之中，避免冲刷河床岸坡，保证水工建筑物的安全。

而实现消能的唯一方式就是依靠水流内部的相互摩擦和碰撞，促使水流分散掺气。

因为水流内部相对运动越是急剧紊乱，消能效果就越好。

因此，工程实际中常常利用下泄水流形成的大的漩滚来消能。

第七章 水 跃第一节 水跃现象及分类一、水跃现象水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时发生的水面突然跃起的局部水力现象。

闸、坝下泄的急流与天然河道的缓流相衔接时，都会出现水跃现象。

水跃区的水流可分为两部分：一部分是急流冲入缓流所激起的表面旋滚，翻腾滚动，饱掺空气，叫做表面水滚。

另一部分是表面水滚下面的主流，流速由快变慢，水深由小变大。

但主流与表面水滚并不是截然分开的，因为两者的交界面上流速梯度很大，紊动混掺非常强烈，两者之间不断地进行着质量交换。

在发生水跃的突变过程中，水流内部产生强烈的摩擦混掺作用，水流的内部结构要经历剧烈的改变和再调整，消耗大量的机械能，有的高达能量的60%~70%，因而流速急剧下降，水流很快转化为缓流状态。

由于水跃的消能效果较好，所以常常被采用作为泄水建筑物下游水流衔接的一种有效消能方式。

在确定水跃范围时，通常将表面水滚开始的断面称为跃前断面或跃首，相应的水深称为跃前水深；表面水滚结束的断面称为跃后断面或跃尾，相应的水深称为跃后水深。

表面水滚的位置是不稳定的，它沿水流方向前后摆动，量测时取时段内的平均位值。

跃后水深与跃前水深之差称为跃高。

跃前断面与跃后断面之间的距离称为水跃长度，简称跃长。

二、水跃的分类水跃的形式与跃前断面水流的佛汝得数1Fr 有关。

为此，根据跃前断面佛汝得数1Fr 的大小对水跃作一分类，具体如下。

7.111<<Fr ，水跃表面将形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿流降低，最后消失，种形式的水跃称为波状水跃。

由于波状水跃无旋滚存在，混掺作用差，消能效果不显著，波动能量要经过较长距离才衰减。

当7.11>Fr 时，水跃成为具有表面水滚的典型水跃，具有典型形态的水跃称为完全水跃。

此外，根据跃前断面佛汝得数1Fr 的大小，还可将完全水跃再作细分。

但这种分类只是水跃紊动强弱表面现象上有所差别，看不出有什么本质上的区别。

5.27.11<≤Fr ，称为弱水跃。