水流衔接消能的研究分析

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1、水流衔接消能课程名称：高速水流专业班级：12级水工卓越班学生姓名：叶武学生学号：2012102170指导教师：姚莉，曾晨军水流衔接消能【摘要】在天然河道中兴建水工建筑物必然会改变天然河流原有的水流状态，水流流速加快，能量集中，因此具有较大的破坏性。通过都水流衔接与消能的研究分析，延长水工建筑物的使用寿命，增加水能利用的经济性。【关键词】消能、低流消能一、引言天然河道中的水流，一般多属缓流，单宽流量沿河宽方向的分布也比较均匀。但当在天然河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，流动条件发生了变化，通过建筑物下泄的水流往往具有较高的

2、流速，单位重量水体所具有的能量也比下游河道中的水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。特别是为了节省建筑物的造价，常要求这类建筑物的泄水宽度比原河床小，单宽流量加大，形成高速水流下泄，能量也就更为集中，破坏性也更大。这样巨大的能量，若不采取有效措施加以消除，势必刷深河槽，冲毁河堤，甚至使建筑物遭到破坏。因此，泄水建筑物下游需要采取适当的消能措施，将下泄的高速水流安全地转变为下游的正常缓流，从而保证建筑物的安全。8二、下游泄水能量分析为了达到灌溉、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

3、，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

4、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。8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

5、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、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。另外，水流扩散之后，既使射入下游河道的水量分散，也使能量

6、分散，况且水流掺气之后密度减小，对河床的冲刷作用也会相应地减弱。根据这样一个原则，工程实践中已形成了一些有较好消能效果的衔接消能方式。三、泄水建筑物下游水流的消能方式水工实践中的衔接消能措施种类繁多，但从水力学角度来看，研究衔接消能问题实质上是分析从泄水建筑物泄出的高速射流按不同方式射入下游河道的低速广阔水域中，通过扩散、混掺作用消耗大量余能的过程。按照泄出水流与尾水及河床的相对位置，可以将常见的衔接消能方式分为如下三种基本形式：（1）底流型衔接消能；（2）挑流衔接消能；（3）面流型衔接消能。8实际工程中的消能措施有时不

7、是单一的某一种衔接消能方式，而是两种甚至三种衔接消能方式的混合应用。如消力戽消能就是底流型衔接消能与面流型衔接消能的结合。1、底流型衔接消能图1底流式消能就是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使沿建筑物下泄的急流贴槽底射出，利用水跃原理，有效地控制水跃发生的位置，使下泄的高速水流通过水跃转变为缓流，通过主流在水跃区的扩散、混掺达到消能的目的。这种衔接消能方式中，高流速的主流位于底部，故称为底流型衔接消能。如图1所示。2、挑流型衔接消能图2挑流型衔接消能就是利用下泄水流所挟带的巨大动能，采用挑流鼻坎因势利导将水股挑射空中

8、，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的冲刷坑不会危及水工建筑物的安全。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冲刷坑水垫塘之后，通过水股前后两侧的水滚而消除。如图2所示。3、面流型衔接消能图38面流型衔接消能就是在建筑物的出流部分采用跌坎，将泄出水流导入下游水域表层（当然要求下游水深比较大而且比较