消能池的水力计算

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1、消能池的水力计算[日期：12/31/200502:48:00]来源： 作者：[字体：大中小]    从以上分析可知，为了改变不利的衔接形式，可采取人工措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。这种消能措施称为消能池（或消力池）。    形成消能池的工程措施，根据泄水建筑物下游地基情况，可以有两种基本方式：①挖深式消能池：降低护坦高程形成消能池，使池内水深大于，产生淹没水跃；②坎式消能池：在护坦末端加筑消能坎形成消能池，使坎前水深大于，产生淹没水跃。当然也可以采用既较低护坦高程又修建消能坎的综合消能池。如图9－5所示。下面讨论它

2、们的水力计算方法。图9－5（一）挖深式消能池的水力计算    1、池深的计算    如图9-5－1所示，下游河道水深为，在开挖前，与收缩断面水深相对应的上游总水头，开挖后，护坦高程降低值为。图9－5－1    此时与收缩断面水深相对应的上游总水头（9-5）    为使池内发生稍有淹没的水跃，消能池末端水深为（9-6）    式中水跃的淹没安全系数，为降低护坦高程后收缩断面水深所对应的共轭水深。    由图9-5－1可知（9-7）    式中为水流由消能池进入下游河道时，由于过水断面减小而引起的水面跌落，其水流特性与宽顶堰相同。    对消能池出口断面1-1与下游断面2-2列能量方程，有 

3、   令，将，及代入上式并化简，得（9-8）    式中为下游河道水深，为消力池的流速系数，取决于消力池出口处的顶部形式，一般取为0.95。    由式（9-5）、式（9-6）、式（9-7）和式（9-8）四个方程联立求解消能池深度。需要注意的是，收缩断面的共轭水深是随消力池深度的变化而变化的。因此，与之间是一复杂的隐函数关系。故求解消力池深度时，一般需用试算法。    对于中小型工程，池深的估算公式是（9-9）    式中是以原河床为基准面按总水头求得的的共轭水深，为下游水深。    2、池长的确定    在消能池范围内，底部流速高，紊动强烈，冲刷力强，池底和边墙都要用混凝土或浆砌石保护

4、。消力池过长会增加建筑费用，但池长太短，即使深度已够，也不能在池内形成良好水跃，未经充分消能的底部主流会越出消能池，冲刷下游河床。合理的池长应从平底自由水跃的长度出发来考虑。消能池中的水跃因受消能池尾端垂直壁面的阻挡，产生反向作用力，减少了水跃长度。实验表明它的长度比自由水跃缩短20%—30%，故从收缩断面起算的消能池长为（9-10）    式中为平底自由水跃的长度。（二）筑坎式消力池的水力计算    当判明建筑物下游水流自然衔接为远离式水跃时，若采用挖深式消能池，因河床不宜开挖或开挖太深，造价较高，此时可采用消能坎，使坎前水位壅高，以保证池内发生稍有淹没的水跃。其水流现象与挖深式消能池

5、相比，主要区别在于池末水流不是宽顶堰流而是折线型实用堰流，如图9－5－2所示。图9－5－2    其水力计算的主要任务是确定坎高及池长。池长的计算与挖深式消能池相同，下面主要介绍坎高的计算。图9-7    如图9-5－2所示，为保证池中发生稍有淹没的水跃，消能坎的坎前水深应满足（9-11）    式中为收缩水深的共轭水深，显然（9-12）故（9-13）    式中为坎顶水头，可由堰流公式计算求出。故（9-14）    式中，水跃的淹没安全系数；消能坎的流量系数，初步计算时取；为消能坎的淹没系数。    淹没系数取决于消能坎的淹没程度，即    消能坎淹没的条件是：当时，消能坎为非淹没堰，

6、；当时，为淹没堰，，计算时可参考表9-2选用。表9-2消能坎的淹没系数0.500.550.600.650.700.720.740.760.781.000.9900.9850.9750.9600.9400.9300.9150.9000.8850.80.820.840.860.880,900.920.951.00 0,8650.8450.8150.7850.7500.7100.6510.5350.000     显然，计算消能坎的高度时，必须依据消能坎的过流能力，而消能坎的过流能力与坎顶溢流是否淹没有关，坎顶溢流状态主要取决于坎的高度。现坎高为未知量，因此，只能试算求解。一般先假设坎顶为自由

7、溢流，由（9-14）式求得坎高，然后再验算流态。如果消能坎后水流为自由溢流，此值即为所求。如果属淹没溢流，则必须考虑淹没系数的影响，重新试算求出合理的坎高。    应当注意的是，当消能坎为自由溢流时，一定要校核坎后的水流衔接形式。若坎后为淹没水跃式衔接，则无须修建第二级消能坎。若坎后为远离式水跃衔接，则必须修建第二级消能坎，并校核第二道消能坎后的水流衔接形式，直到坎后产生淹没水跃衔接为止。    既降低池底，同时又建造不太高的消能坎