第13章泄水建筑物下游的水流衔接与消能

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1、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，

2、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

3、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的共轭水深与下游水深的相对大小，可能出现下列三种衔接形式：1）当时，产生临界水跃；2）当时，产生远驱水跃；3）当时，产生淹没水跃。工程中，一般用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，用表示，（13.1）当时为淹没水跃；时为临界水跃；时为淹没水跃。在进行建筑物的消能设计时，一般要求（13.2）2.收缩断面水深的计算14在靠近泄水建筑物的下游常形

4、成一个最小水深，称为收缩水深。如图13-1所示。对于实用堰和跌坎下的收缩断面水深，其一般公式为（13.3）图13-114对于矩形断面，，为单宽流量，则（13.4）对于宽顶堰上的闸孔出流，收缩断面水深为（13.5）式中，为流量；为收缩断面的断面面积；为收缩断面底部以上总水头；为流速系数；为闸孔出流的垂直收缩系数；为闸孔开度。3.流速系数的计算溢流坝流速系数的经验公式很多，这里介绍两个公式（13.6）上式适用于实用剖面堰的自由溢流无显著掺气现象，且的情况。陈椿庭根据国内外一些高坝的实测资料，提出的公式为（13.7）式中，为坝的上游库水面至收

5、缩断面底部的高差。在初步设计时，流速系数也可以查表12-5和表13-1。表13-1流速系数建筑物泄流方式图形无闸门的曲线实用堰1.溢流面长度较短2.溢流面长度中等3.溢流面较长1.000.950.90折线形实用堰（多边形断面）0.80~0.90宽顶堰0.85~0.95跌水1.0013.1.3消力池的水力计算加大下游水深的工程措施，主要有以下三种：1）降低护坦高程，使在下游形成消力池；2）在护坦末端修建消力坎来壅高水位，使坎前形成消力池；3）综合式消力池。1.降低护坦高程所形成的消力池1)消力池坎高的计算公式降低护坦形成的消力池如图13-

6、2所示。图中0-0线为原河床底面线，0'-0'线为挖深后的护坦底面线。当池中形成淹没水跃后，水流出池时，其水流现象类似于宽顶堰的水流现象，水面跌落高度为，然后与下游水面相衔接。计算公式：（13.8）14图13.-2（13.9）（13.10）式中，为单宽流量；为护坦高程降低后收缩断面水深的跃后共轭水深；；为下游河床水深；为消力池深度；池末水深；为消力池的流速系数，一般取。当、、已知时，即可用式（13-8）、（13-9）和（13-10）联立求解消力池深度。一般需要试算法。对于中小型工程，（，）消力池深度可近似利用下式估算：（13.11）式中

7、，是以河床为基准面，按总水头求得的的共轭水深。2）消力池长度的计算消力池的长度为（13.12）式中，为平底渠道中的完全自由水跃的长度，其计算公式见第10章。对于具有垂直跌坎的宽顶堰，其池长除外还应计及跌坎壁到收缩断面的距离，则池长为（13.13）可近似的按下式计算（13.14）式中，为宽顶堰的流量系数；为宽顶堰的下游堰高；为堰上总水头。3）消力池设计流量的选择当为最大时，对应的流量即为消力池的设计流量，但在计算时须注意，计算和时，应是护坦降低前的和。消力池中水跃的长度随流量的增大而增大。所以消力池长度的设计流量为建筑物通过的最大流量。1

8、42.在护坦末端修建消力坎形成的消力池在河床不宜开挖或开挖太深造价不经济时，可在护坦末端修建消力坎，壅高坎前水深形成消力池，如图13-3所示。图13-3建消力坎后水流受坎壅阻，池末水深大于下游水深，池内形成