水力学高教课本.docx

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，坝面摩擦一一空中扩散一一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。

9-2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hc且一般heht运驱式水跃IIhe

试算法E'已知溢流坝断面形状，尺寸，E0，Q和时般可采用试算E0=hcQ22g2hc2试算hc设hc计算Q22g2hc2，如等于Eo，则为所求，否则重设2.逐次渐近法i）令2）将Eo二hehe=0he13）再将例P2059-1Q2+2ghehe代入he2代入2he2设为2q2g2Eoq22g2Eo■hehe3，基本相等hk矩形断面可用图解法，三.消力池的水力计算当判断泄水建筑物下游发生临界式或远离式水跃,heEoohk|2q/2g2Eohe1；IIeIIhehk则就要采取工程措施,一定淹没深度的淹没水跃，使泄水建筑物下游发生淹没的关键是增大下游水深，增大的方法有三种：江堤护坝高程，形成消力池，挖深式消力池护坝末端建一道低坎，形成消力池，消力坎消力池综合式消力池一）挖深式消力池的水力计算1、主要确定消力池的d和L当将下游河挖深后，深度为d,形成消力池池内水力现象如图所示：使水跃变为有ht2v由于水流竖向收缩，A下降，9上升，形成一水面跌落,■：Z，其水流特性与宽顶堰相似挖深后，池末水深hT_dhtZII要保证池中发生稍有淹没的水跃，则hThcIIhThc=d+ht%z则:hT—反映水跃淹没程度的淹没系数IIiihc2CT=II'=1.05~1.10ghchTIIhchchc挖深后的共轭水深。

■:z能方以2-2由消力池出口断面1-1和下游断面2-2底部水平面为基准面推得2g22g2V2_2g2q2g22ht2ghT2IIhc代入29-2g2ht2"2g「hcCP消力池出口的流速系数，一般=0.95在利用挖深后,Eo=Eod=hcd乂h；-htz2q2g2he'22q2g-〔1_一1"ht2Ghe"2一II计算池深d时，式中he式挖深后的he对应的跃后水深，挖深后，Eo变为Eo'二Eod+—2g'2hehe――挖深后的,因此要确定d需知he而he又与d有关，二者之间存在复杂的隐函数关系，所以确定d一般用试算法其试算步骤为:1）估算池深d当中小型工程Eo35m，根据下游河道流速II（式中he为挖深前的值v<3m/sdT.05hehtv>3m/shtIII2）计算建池后的hc，需计算建池后的hcEo二Eod=hc2q-2'22ghc具体计算方法同挖深前相同II3）计算立,建池后的he代入2'iq1_2g(er1"2hc4）验证d+hc%zhhc若'=1.05~1.10的范围，贝Ud满足要求，否则重设2.消力池长度Lk的计算修建消力池应保证水跃在消力池中发生，但过长，则增加建筑费用，一般计算Lk=L1LjL1――从堰坎到收缩断面的距离。

Lj消力池内的水跃长度，受消力池池壁的影响，水跃长度比平底渠道中产生的自由水跃长度短20%~30%Lk=L10.7〜0.8Lj二）.消力坎，消力池的水力计算当下游河床不易开挖或开挖不经济时，可在护坝末端修建消力坎，中型高坎前水位形成消力池，发生淹没或水跃，其水流现象基本与挖深式消力池相同，不同之处，出池水流不是宽顶堰，而是折线型实用堰坎前水深:IIhee=he"Hi式中Hi2VO不含2g的坎上水头，由堰流公式求出2Hi=Hio喝2二Hio-q2ghT22二sm2ghT2II勿hT2mm=0.42消力坎流量系数，一般为折线型，估算时消力坎淹没系数，大小与f亘l=fr、hsIHio丿

消力坎消力池池长的计算同挖深式消力池挖深式，消力坎式各有优缺点，需根据地质，施工等各方面具体条件，全面考虑确定,有时还需二者结合起来，为综合式消力池计算时需先确定坎高c,再确定d.三.消力池的设计流量前面池深，坎高和池长的计算时在给定Q时及相应的下游水位下进行计算的而消力池建好后，是在不同Q下工作，每个Q都对应一个ht，所以消力池必须能保证在各种情况下工作，因此在设计时要选择一个消力池尺寸的Q值挖深式消力池，从dM.05hchtd二hc"ht可以看出,hc"ht有关，当最大时Q即为池深的Qd，由此求出的d是各种Q下的最大值，由此可见dmax对应的不一定是设计时，在给定Q的范围内，每个Q分别计算hc和IIhe（挖深前）在ht〜Q关系曲线上查出Q对应的ht计算heht的数值，给出he—ht〜Q的关系曲线，在此曲线上，找出ht最大值相应的池长取决于水跃长度Lj池长的Qd应为在消力池内形成最长水跃的Q，一般为Qmax=Qd注意：d,Lk对应的Qd可能不是一个四•辅助功能为了更完善的提高消能，在消力池中加设各种形状的墩柱，为辅助消能1. 分流边墩布置在消力池入口2. 消力墩布置在消力池护坝上3. 池末将池末底部水流挑起。

4. 护坝后的冲刷与河床加固出消力池的水流仍有较大能量，对河床仍有冲击力，一般需修和防冲槽加以保护,具体设计在水工课中讲授9-3排流式衔接与消能此种是通过泄水建筑物底端的鼻坎，将下泄水流挑至空中，然后跌入远离建筑物的下游，利用水流在溢流堰面的摩擦，空中扩散，掺气，跌入冲坑后形成两股巨大的漩涡进行消能一般适用于中，高水头的泄水建筑物其优点：结构简单，不需修建大量的护坝工程，易于维修缺点：挑流引起较大雾化，尾水波动大主要计算任务：计算挑距，冲坑深度，校核是否安全挑距的计算一一挑流射程挑距一一挑流鼻坎下游壁面至冲刷坑最深点的水平距离LLoL1L—般L很小，L二o则L_LoLiLo――空中射程Li水下距离空中挑程Lo平滑连续式挑坎，出坎断面此时射流运动i-i为自由抛射体的运动流速分布均匀，Vi，忽略空气阻力和扩散影响,利用质点自由抛射体的运动原理导出空中挑Lo的计算公式:Losisin21〜ht]"①i2sisin2日si上游水面至挑坎顶部的高差a——挑坎高度，下游河床底部至挑坎顶部的高差ht鼻坎挑射角冲刷坑后下游水深坝面流速系数，按经验公式计算长科院=310.055严流能比q,gsi1.5适用k=0.004~0.15k>0.150=0.950.007721.15q330东北社科院S0坝面流程22PB0坎顶以上坝高Bo溢流面顺水流水平投影。

2q!适用S0=0.025~0.252q!sS0>0.25=0.95.水下射程L1L1为水舌轴线与下游水面交点至冲坑最深点的水平距离水股潜入下游水体属潜没扩散射流，不属自由抛射运动，所以以为沿方向作直线运动ts*htL^lg^冲刷坑深度ht下游水深P——水舌入水角\tg2°+2q"2近似Y®S1cos日三.挑流射程影响因素分析影响因素很多鼻坎的挑角在物理学观点，对于自由抛体理论，挑角是一个质点，而是一般扩散和掺气的水流所以日45时，挑距最远，但由于挑流不般71=15~35主要工程要试验确定鼻坎高程根据工程布置而定，从增加挑距，减小砼方量的角度讲，挑坎高程愈低愈好，Si越大，v越大，但为保证水舌下缘于水面之间有足够的空间，避免出现真空，压低水舌，减小挑距，甚至出现贴面流，冲刷坝址，设计中一般取挑坎最低高程等于或略低于下游最高水位反弧半径R.R大小一定程度影响射程，经验R=(4~10)h,h为校核洪水水位时反弧段最低处的水深当v,q较大时，取R较大值四.冲刷坑深度ts的计算ts取决于冲刷能力和河床的抗冲能力，其影响因素较复杂，工程中采用经验公式进行计算，并根据从《砼重力坝设计规定》DL5108-1999中规定。

11tskq2Z4htts深度。