第十章泄水建筑物下游的水流衔接与消能如何使下泄水流与下游天然水流衔接：采取消能措施消除余能。消能的机理：使水流形成漩滚(Roller)以产生较大的局部水头损失（如水跃，……）泄水建筑物下游水流衔接消能的主要方式问题的提出泄水建筑物(溢流坝、溢洪道、隧洞、水闸、……)：上游的势能大部分转化为下游的动能>>下游天然水流的能量→对下游河床的冲刷，且威胁建筑物本身的安全这里介绍以下4种121．底流型衔接消能（Energy dissipation by hydraulic jump）2．面流型衔接消能（Energy dissipation by surface regime）在泄水建筑物下游修建消能池(Stilling basin)，池内形成水跃，其主流在底部，漩滚位于表层。理论、技术比较成熟，适用于低水头的泄水建筑物，应用广泛。需要加固消能池护坦(Apron)。漩滚在底部，主流在表层以免直接冲刷河床（有一定涌浪）。由于衔接段主流在表层，故称为面流型衔接消能。要求较高且比较稳定的下游水位343．戽流型衔接消能（Energy dissipation by roller bucket）4．挑流型街接消能（Energy dissipation of ski-jump type by trajectory buckets）与面流型衔接消能相比，增加一消能戽斗，形成戽旋滚和下游次生的表面旋滚，兼有底流型和面流型的水流特点。适用条件比较苛刻，不如底流型消能成熟。利用高于下游水位的挑流鼻坎将水流向空中抛射至远离建筑物的下游，通过冲刷坑水垫中形成的旋滚和水舌与空气摩擦消除余能。适用于岩基上的中、高水头泄水建筑物，应用广泛。产生很大的水雾。6578第一节底流型衔接与消能一、底流型水流衔接与消能的原则1．泄水建筑物下游收缩断面的水深和流速E0= 以收缩断面的槽底为基准面的上游总水头q = 收缩断面（矩形）的单宽流量收缩断面流速流速系数vc=ϕ2g(E0−hc)ϕ=1α+∑ζϕ值可参考表10－1，和公式P/H<30 的实用堰: ϕ=1−0.0155PH⎛q23⎞ϕ=⎜⎜s⎟⎟⎝⎠0.2E0=hc+(αc+∑ζ)v2g92cs=坝前库水位－收缩断面底部高程（m）；q：m3/s.m。10 建筑物泄流方式 图 形 ϕ 4 折线实用断面（多边形断面） 堰 0.80～0.90 1 堰顶有闸门的曲线实用堰 无闸门 1. 溢流面长度较短 的曲线 2. 溢流面长度中等 实用堰 3. 溢流面较长 0.85～0.95 5 宽顶堰 0.85～0.95 2 { 1.00 0.95 0.90 0.97～1.00 6 跌水 1.00 3 平板闸门下底孔出流 7 末端设闸门的跌水 0.97～1.00 1112反过来(α+∑ζ)=1ϕc2二、泄水建筑物下游衔接形式hc的跃后水深E0=hc+vc2q2=h+c2gϕ22gϕ2hc2已知E0、q、ϕ，可以求hc, vc= q/hc可以用试算法、二分法、牛顿迭代法。用牛顿迭代法时′′=hchc2(1+8Fr2c−1=)hc2⎛⎞8q2⎜1+⎟−13⎜⎟ghc⎝⎠ht=hc\"，临界式水跃衔接。hc, n+1=hc, n−hc3, n−E0hc2, n+(qφ)2g2ht＜hc\"，远驱（离）式水跃衔接(3h2c, n−2E0 hc, n) (n=0,1,2,L)ht＞hc\"，淹没式水跃衔接远离式水跃要求过长的护坦临界水跃不稳定该方程有三个解，其中正确的解满足0 < hc< hK。注意选择合适的初值。1314设计底流型衔接与消能时，希望能够形成稍微淹没的水跃，即ht＝σjhc″淹没系数( Factor of submergence )σj=ht=1.05~1.10′′hc◆淹没度过大的水跃消能效率较低。如果ht< σjhc″,需要修建消能池，在池中形成足够的末端水深。有降低护坦形成的消能池；末端筑消能坎形成的消能池；两种形式结合的综合式消能池。1516三、消能池水力计算1．降低护坦形成的消能池，计算其池深d和池长LK（1）求池深d降低护坦后的收缩断面水深为hc1，其相应的跃后水深为hc1″要求：消能池末端水深hT＝σjhc1″其中′′1=hc⎞hc1⎛8q2⎜1+⎟−13⎟2⎜ghc1⎝⎠1817在升坎两侧列能量方程（以下游水面为基准面）：2v12v2Δz+=(1+ζ)2g2g′=E0+d=hc1+hc1满足方程E0而hT= d + ht+ Δz19q22gφ2hc21与d 有关可取消能池末端出流流速系数φ′=1有Δz=1+ζ=0.952v2v12q2q2−=−22gφ′22g2gφ′2ht22ghT20现在有E0+d=hc1+q22gφ2hc21（2）求池长LK水跃长度LK= (0.7~0.8) Lj2⎞hc1⎛⎜1+8q−1⎟⎟2⎜ghc31⎝⎠22qqd=hT+−ht−22ghT2gφ′2ht2hT=σj′′1−hc1)Lj=6.9(hc已知：E0、q、ht、σj、φ，且φˊ= 0.95，求d。需要三式联解。合理选择迭代变量。可以hc1为对象试算：⎞h⎛8q2⎟假设hc1值，hT=σjc1⎜1+−13⎟gh2⎜c1⎝⎠当d1= d2时即为所求池深。d1=hT+q2q2,−h−t22ghT2gφ′2ht221d2=hc1+q2−E02gφ2hc2122例10-1 某分洪闸如图，底坎为曲线型低堰，泄洪单宽流量q = 11 m3/s·m，φ = 0.903，其他有关数据见图示。试设计降低护坦消能池的轮廓尺寸。(1) 判断下游水流自然衔接的形式E0=hc+7.571q2 → hc+2=7.126222gφhchc迭代求解得hc= 1.123 m。验算：hc+7.5717.571=1.123+=7.1262hc1.1232′′=hc解：P = 2 m，H = 5 m，ht= 3 m。假设上游来流与闸门泄流等宽, qv0==11/7=1.571 m/s,P+H23hc22⎞⎛⎜1+8q−1⎟=4.161 m > ht⎟⎜ghc3⎠⎝v2E0=P+H+0=7.126 m2g闸门下游发生远离水跃，需要修建消能池。决定修建降低护坦得消能池。24(2) 求池深d。以hc1为迭代变量试算求解得：hc1= 1.019 m′′1=hc2⎞hc1⎛⎜1+8q−1⎟=4.44 m3⎟ghc12⎜⎝⎠2．消能坎形成的消能池，设计坎高c （池长计算同上）′′1=4.662 mhT=σjhc取σj= 1.05，q2q2d1=hT+−ht−=1.186 m22ghT2g×0.952×ht2q27.571d2=hc1+−E0=hc1+2−7.126=1.184 m≈d1222gφhc1hc1d = (d1+ d2 )/2 = 1.185 m护坦不降低q2E0=hc+ ⇒ hc2gφ2hc2hT＝σjhc″′′1−hc1)=17.70 m(3) 求池长LK=0.75Lj=0.75×6.9(hc25hc′′=hc2⎛⎞8q2⎜1+−1⎟3⎜⎟ghc⎝⎠26c = hT－H1消能坎上水流为折线形实用堰流，堰顶总水头hs/ H10σs≤0.451.000.500.9900.550.9850.600.9750.650.9600.700.9400.720.9300.740.9150.760.9000.780.885H10=H1+单宽流量或q222ghThs/ H100.800.820.840.860.880.900.920.951.00q=σsm12gH3/210σs0.8650.8450.8150.7850.7500.7100.6510.5350.000⎛⎞q⎟H10=⎜⎜σm2g⎟⎝s1⎠淹没系数2/3（取m1= 0.42）⎛hs⎞⎛ht−c⎞σs=f⎜⎟=f⎜⎜H⎟⎜H⎟⎟⎝10⎠⎝10⎠2827已知E0、q、φ、σ（→hc、hc′、hT）和ht及m1=0.42，以下三式联立求解如：用c作为迭代参数进行试算假设c值，qc=hT+−H1022ghT⎛⎞q⎟H10=⎜⎜σm2g⎟⎝s1⎠2/32′=hT+H10q2−c>022ghT⇒ht−c′H102/3⎛ht−c⎞⇒σs=f⎜⎜H′⎟⎟⎝10⎠⎛⎞q′′=⎜⇒H10⎟⎜σm2g⎟⎠⎝s⎛hs⎞⎛ht−c⎞σs=f⎜⎟=f⎜⎜H⎟⎜H⎟⎟⎝10⎠⎝10⎠可以选择c、H10或σs作为迭代参数求解。如果H10′= H10″，c即为所求；否则另设c值。2930如果消能坎上水流为自由溢流,σs＝1，则，H10=qm12g()2/33、消能池的设计流量池深d的设计流量：要求消能池深度最大的流量（hc\"-ht最大的流量）池长LK设计流量：要求池长为最大值的流量◆两种设计流量可能不相同，均取决于泄水建筑物的运行工况。最危险的工况：高水头，下游水浅，一孔或数孔单独泄流，单宽流量大。⎛qq2⎜c=c0=hT+−2⎜m2g2ghT⎝1应满足⎞⎟⎟⎠2/3(可作为淹没溢流试算的初始值)ht−c0≤0.45H10此时应将消能坎作为一个实用堰，计算其下游收缩断面的水深、流速（取流速系数φ= 0.90~0.95），验算其下游是否为淹没水跃，否则需要再建第二级消能坎，……（一般不超过三级）。3132◆综合式消能池4、辅助消能工q2E0+d=hc1+2gφ2hc21→hc1→hc1″，hT＝σjhc1″q2c=hT−d+−H1022ghT⎛hs⎞⎛ht−c⎞σs=f⎜⎟=f⎜⎜H⎟⎜H⎟⎟⎝10⎠⎝10⎠⎛⎞q⎟H10=⎜⎜σm2g⎟⎝s1⎠2/333345. 护坦下游的河床保护6. 跌水的水力计算不讲3536第二节挑流型衔接与消能一、冲刷坑深度z 1. 岩石河床岩基类型ts=ks⋅q0.5⋅z0.25−ht岩基构造特性描述ks1.5～2.01.2～1.50.9～1.20.8～0.9适用范围：30o＜β＜70o备注挑流消能＝空中消能（10～20％）＋水垫消能冲刷坑深度ts11要求：~<挑流射程L2.55ⅣⅢⅡⅠ碎块状，节理很发育、裂隙微张或张开，部分为粘土充填节理较发育、岩石成块状，部隙为粘土充填节理发育、岩石成大块状，裂隙密闭，少有充填节理不发育，多为密闭状，延展不长，岩石呈巨块状3738二、挑流射程1.空中射程L0 L = 空中射程＋水下射程=L0 +L1-L′≈L0 +L1L0：按抛物线计算并考虑空气阻力予以修正L1：直线或抛物线（与冲刷坑深度ts有关）。抛物线：x=u12sinθ⋅cosθg⎡2gy⎤⎢1+1+2⎥u1sin2θ⎥⎢⎣⎦y=a−ht+h1cosθ2时，x=L0 3940⎡h1⎛⎞⎤−+θgah2cos⎜⎟⎥⎢tu12sinθ⋅cosθ⎢2⎝⎠⎥L0=1+1+⎢⎥gu12sin2θ⎢⎥⎣⎦⎤⎡ha−ht+1cosθ⎥⎢2L0=ϕ2sin(2θ)(S1−h1cosθ)⎢1+1+22⎥ϕsinθ(S1−h1cosθ)⎥⎢⎥⎢⎦⎣高坝S1>>h1 ，a>>h1，v1≈ϕ2gS1⎡⎤a−hL0=ϕ2sin(2θ)S1⎢1+1+22t⎥ϕsinθS1⎦⎣且u1=v1=ϕ2g(S1−h1cosθ)流速系数ϕ反映了堰面阻力和水头损失的作用.4142为考虑空气阻力和水舌扩散、掺气的影响，将ϕ改为ϕ12、水下射程近似认为，水舌入水后沿入水角β方向直线前进⎡⎤a−hL0=ϕsin(2θ)S1⎢1+1+22t⎥ϕ1sinθS1⎦⎣21（第一挑流系数）L1=ts+httanβ（1）长委:⎧0.055⎪31−0.5,KE=0.004~0.15ϕ1=⎨KE⎪0.95,KE>0.15 ⎩流能比KE=q/dytanβ=dxx=L0ha−ht+1cosθgL02=2−tanθ=tan2θ+222v1cosθφ1cosθ(S1−h1cosθ)(gz1.5)L1=ts+hth1cosθ2tan2θ+2ϕ1cos2θ(S1−h1cosθ)a−ht+≈0.0077⎧1−,q2/3s0=0.025~0.25⎪1.152/3（2）东北勘测设计院：ϕ1=⎨qs0⎪q2/3s0>0.25 0.96,⎩()ts+hta−httan2θ+2ϕ1cos2θS1坝面流程4344也有将水上、水下的水舌曲线看成一个抛物线，以第二挑流系数ϕ2代替ϕ1⎡⎤a−hts+ht2L=ϕ1sin(2θ)S1⎢1+1+22t⎥+ϕ1sinθS1⎥a−ht⎢⎣⎦tan2θ+2ϕ1cos2θS1⎡⎤a+tL=ϕ22sin(2θ)S1⎢1+1+22s⎥ϕ2sinθS1⎦⎣ϕ2 = 0.966ϕ1 （ht+ ts< 30 m）46三、挑坎型式及尺寸选择1．挑坎高程等于或略低于最高的下游水位。（高了出射流速小）2．挑角θ = 15～35°。高挑坎取较小值（避免入水角β过大）。3．反弧半径r0。r0过小则离心惯性水头大→射流速度小，且射流角度< θ。r0min=23h1Fr1(Fr1=v1=3.6~6)gh1474849505152第三节面流及消能戽消能简介53
