1、水力學 下冊第9章 泄水建筑物下游的水流銜接與消能第10章 有壓管中的非恒定流第11章 明渠非恒定流第12章 流體運動的流場理論第13章 邊界層理論基礎第14章 恒定平面勢流第15第17章 高速水流1第九章 泄水建筑物下游的水流銜接與消能9.1 底流消能的水力計算9.2 挑流消能的水力計算9.3 面流及消能戽消能簡介2第九章 泄水建筑物下游的水流銜接與消能問題的提出天然河道中的水流，一般多屬于緩流，水流流量沿河寬方向的分布較均勻。但河道中修建了閘、壩等泄水建筑物后，水流條件必然會發生較大變化，從而引起一系列水力學問題。具有如下特點：1.建壩后的水頭增加,下泄水流的流速增大，即流速高；2.建壩時

2、，為節省工程造價，使泄水建筑物的泄水寬度比原河床寬度小，使泄水時的單寬流量加大，即水流集中。泄水時形成的高速集中水流，破壞性大，對下游河床具有較大的破壞力。3則單位寬度河床上每秒應消耗能量： N=qE=9 800N/m380m2/s60m=47 000 KNm/s例如，對于某溢流壩，設其單寬流量 q = 80 m3/sm， Z =Z1Z2=60m4 引起河床嚴重沖刷例如奧地利的列伯令(Lebring) 壩，上下游水位落差為11.35米，砂卵石河床，沖刷坑的深度達到12米，可見沖刷之嚴重性。 因此，在設計水工建筑物時，要選擇合理的水流銜接形式，采取必要的工程措施，將泄水建筑物下泄水流的部分動能加

3、以消除和轉變為勢能，即所謂消能問題，以改善水流狀態，保證建筑物的安全。可能引起的不良后果：5 發生折沖水流 如圖某水利樞紐平面布置圖，由于主流偏向左岸，右岸就造成巨大的回流區，而靠近左岸的主流過水斷面減小，流速加大，導致對河床及岸壁的沖刷。如在樞紐中設有船閘，則折沖水流對船閘的下游會造成不利的航行條件。而回流往往把主流沖刷的泥沙帶到水電站下游形成淤積，影響水電站發電。6常用的水流銜接與消能方式 葛洲壩底流消能 新安江挑流消能 富春江面流消能 底流消能 挑流消能 面流消能 71、底流消能 消能機理： 通過水躍產生的表面漩滾和強烈的紊動來消能。實質：水躍特點： 主流位于底部 常用的水流銜接與消能方

4、式應用：各種地質條件的泄水建筑物 在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水躍發生的位置，通過水躍產生的表面旋滾和強烈的紊動以達到消能的目的。82、挑流消能 利用下泄水流本身的動能，在建筑物的出流部位采用挑流鼻坎，將下射的水流挑射到遠離壩址，以確保建筑物的安全。 常用的水流銜接與消能方式優點：布置簡單，一般不需下游人工保護，工程造價低。缺點：泄洪霧化較嚴重、尾水波動大。應用：下游地質條件較好的中高水頭泄水建筑物。兩個消能過程：空中消能水墊消能 （主要）93、面流消能 在建筑物的末端，設一個比下游水位低的、水平的或仰角較小的底坎，將下泄高速水流引向下游河道的水流表面，并逐漸向下游擴散，而靠近河底則流

5、速較小，同時壩后主流區下部形成激烈漩滾，以消耗部分下泄水流能量。常用的水流銜接與消能方式應用：下游河道水深較大、水位變幅不大且上下游落差不太大。 優點：利于排冰，對河床沖刷作用小。缺點：下游水面波動大，對岸坡穩定和航運不利。特點： 主流靠近水面 消能機理： 底部漩滾 10 水利工程中有時需結合具體工程的需要，將消能方式結合應用。下圖采用消能戽就是一種底流和面流結合應用的實例。常用的水流銜接與消能方式戽斗11第九章 泄水建筑物下游的水流銜接與消能9.1 底流消能的水力計算9.2 挑流消能的水力計算9.3 面流及消能戽消能簡介129.1.1建筑物下游收縮斷面水力要素(hc、vc )的計算 以收縮斷

6、面c c處槽底的水平面為基準面，列壩前斷面0 0和收縮斷面c c的能量方程：(9.1) 令流速系數 ，則 可得收縮斷面的平均流速表達式(9.2) 由圖可以看出 (9.3)9.1 底流消能的水力計算P213以 vc = Q / Ac 代入(9.3)式，則得 對于矩形斷面，Ac = b hc ，取單寬流量計算，則(9.4) (9.4) 借助本章末附圖圖解曲線來簡化計算：對于矩形斷面，有hk3=q2/g，用hk除(9.4) 式兩端，則有令0=E0/hk， c=hc/hk，則有 ksai(9.5) (9.3)14(9.5) 0.325.82.315 例題 9-1 某分洪閘如圖所示，底坎為曲線型低堰，泄

7、洪單寬流量qc=11m3/sm，流速系數=0.90。計算其下游收縮斷面處的水深hc。34.0029.0027.0030.00HH0v0Pcchcht16解：應用式(9.4)求收縮斷面水深hc。(9.4)其中：。取01，則已知 =0.90，故有可采用試算法、迭代法或圖解法計算 hc依題意有：34.0029.0027.0030.00HH0v0Pcchcht17（a）試算法計算的具體過程： 取hc=1.0m，則上式右邊=7.622 左邊取hc=1.1m，則上式右邊=7.399 左邊取hc=1.2m，則上式右邊=6.493 左邊取hc=1.15m，則上式右邊=6.913 左邊取hc=1.125m，則上

8、式右邊=7.147 左邊取hc=1.127m，則上式右邊=7.128 左邊所以，取hc=1.127m18（b）迭代法計算的具體過程： 令hc1=0，代入上式，得令hc2=1.034m，代入上式，得再令hc3=1.118m，代入上式，得再令hc4=1.126m，代入上式，得最后，取hc5=1.127m19（c）圖解法計算的具體過程： 依據：本章末附圖圖解曲線對于矩形斷面，有hk3=q2/g，用hk 除(9.4)式兩端，則有(9.5) 0=E0/hkc=hc/hk(9.4) 200.4893.089.1 底流消能的水力計算21流速系數：水頭損失局部損失：沿程損失：堰型、壩高、入流條件單寬流量、壩面

9、流程壩面粗糙度、反弧曲率計算流速系數 的兩個經驗公式：(1)(2)適用于P/H30的無顯著摻氣現象的實用剖面堰自由溢流高壩，其中s為上游水位與收縮斷面底部的高程差，以m為單位。確定方法：（1）經驗數據 （2）經驗公式（見表1）229.1.2泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對消能的影響 當水流經泄水建筑物(如閘、壩等)下泄時，勢能逐漸減小，動能逐漸增加，在建筑物下游某過水斷面上水深達到最小值、平均流速達到最大值，這個斷面稱為收縮斷面，該斷面的水深用hc表示，因下泄水流速度較大，所以收縮斷面水深hc常小于臨界水深hk，水流屬于急流狀態239.1.2泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對消能的影響

10、如建筑物下游水深ht也小于hk，水流為急流，則在這種情況下水流為：急流急流，可按河渠非均勻流水面線進行分析研究。249.1.2泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對消能的影響 一般情況下，下游水深ht常大干臨界水深hk，水流為緩流、則下泄水流與下游水泥為由急流到緩流的水面銜接，必然有水躍發生按水躍發生的位置將底流式水面銜接分為三種情況。25 (a) ht = hc 臨界式水躍銜接 三種銜接形式 (b) ht hc 淹沒式水躍銜接收縮斷面為躍前斷面缺點：不夠穩定水躍向下游移動，躍前斷面遠離收縮斷面水躍涌向上游并淹沒了收縮斷面缺點：保護段長，不經濟缺點：隨著淹沒程度的增加，消能 效果下降修消能池9.

11、1.2泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對消能的影響26水躍淹沒系數j：1，淹沒水躍1，臨界水躍 ht=3.5m，故壩下游產生遠驅式水躍銜接，需要修建消能池。(1) 求坎高先假設消能坎為自由溢流，此時s=1.0，m=0.42，j=1.05，則消能坎的坎頂全水頭為 于是 將H1代入(9.14)式可得坎高c 45校核坎后的銜接形式： 取消能坎的流速系數0.90，由附圖1查得 則 則消能坎后收縮斷面水深的躍后水躍為 因為 則坎后為淹沒式水躍銜接。又 故消能坎為淹沒溢流，應考慮淹沒系數s 的影響。 46按坎為淹沒溢流計算坎高 假設c=2.02m，在所假設坎高情況下，為保證池內產生淹沒程度不大的水躍，應

12、有的坎頂水頭H1為 消能坎淹沒度 ，查表9.2得s=0.956 于是 試算得到的單寬流量與給定的單寬流量一致，于是坎高c2.02m。 相應的坎頂全水頭H10為 47(2)求池長 按(9.13)式求池長，即Lk=(0.70.8)Lj。故得消能池長度為 Lk=(0.70.8) 24.2=(16.9519.35)m最后確定坎高 c=2.02m，池長Lk=18m。48 綜合式消力池 當地質或施工條件受到限制，單做消力池或消力墻不適合時，可以把池和墻結合起來做成綜合式消力池以增加下游水深。使水流在池中發生淹沒式水躍進行消能。49輔助消能工定義：為提高消能效率而在消能池中設置的墩或檻。50護坦下游河床的保

13、護519.2 挑流消能的水力計算沖刷坑深度的估算挑坎型式及尺寸的選擇挑流射程的計算529.2 挑流消能的水力計算 對中、高水頭的泄水建筑物，由于水頭和單寬流量都較大，如采用底流消能往往護坦工程的費用很大；如采用面流消能，下游水深往往不能滿足形成面流的要求，這時可采用挑流銜接與消能。 挑流時水流的能量消耗主要有以下兩個過程： 1空中消能：水股從挑流坎被拋向空中，并逐漸擴散，與空氣接觸面積越來越大，在空氣阻力以及水舌內部的摩擦、撞擊作用下，消耗了水流的部分能量。在這一過程中、往往形成大片霧氣，迷漫四周空間。 2.水下消能：擴散了的水股在建物下游較遠處射入水中，由于它仍有較大的動能，故可能沖刷河床，

14、形成沖刷坑。沖刷坑內水深隨著坑深的增加而增大，形成較厚的水墊，并對入流水股起著緩沖和消能的作用。水股在沖刷坑內形成一較大漩渦，并由于漩滾的強烈紊動而消耗了入流水股的大部分能量。53定義：在泄水建筑物的下游端修建挑流坎，利用下泄水流的巨大動能，將水流挑入空中，然后降落在遠離建筑物的下游，主要通過入水后主流周圍的強烈漩滾達到消能的目的。優點：布置簡單，一般不需下游人工保護，方便經濟。缺點：泄洪霧化較嚴重、尾水波動大。應用：中高水頭泄水建筑物大量采用。水力計算的主要任務：計算挑流射程和下游沖刷坑深度， 選定合理的挑坎型式，確定挑坎高程、反弧半徑和挑射角。9.2 挑流消能的水力計算消能過程：空中消能和

15、水墊消能54一、挑流射程的計算挑流射程：指挑坎末端至沖刷坑最深點間的水平距離。L = L0 + L1L L0 + L1(9.21)圖 9.19551、空中射程 L0 按自由拋射體理論計算從圖9.19可知，當y =aht+(h1/2)cos時，x=L0，則(9.23)設ll 斷面流速為均勻分布，即u1=v1 ；對0-0及1-1斷面列能量方程，得 (9.24)00圖 9.19將第二個方程t的大根代入第一個方程，得 56(9.25)將(9.24)式代入(9.23)式，則對于高壩，S1h1，略去hl 后，(9.24)及(9.25)式變為(9.26)(9.27)00圖 9.19(9.23)(9.24)5

16、7流速系數 值的確定：根據原型觀測射程的資料，代入理論公式反求。 (1)(2)582、水下射程 L1 近似認為水舌自22斷面起沿入水角方向直線運動，則(9.30) 圖 9.1959入水角 的計算：對(9.22)式求一階導數，整理得在水舌入水處： ，將(9.25)式中的L0代入上式，整理后可得 ，即(9.31) (9.25)60(9.32) 于是可得水下射程的計算公式為將式(9.25)及式(9.32)代入式(9.21)，即可求出挑坎末端至沖坑最深點間的水平距離，即挑流射程高壩，h10(9.33) (9.33) 略去h1后得61二、沖刷坑深度的估算 由于影響因素的多樣性和地質條件的復雜性。目前，對

17、沖刷坑深度的計算，工程上還只能依據一些經驗公式進行估算1對于砂卵石河床 (9.34) 式中：ts 為沖刷坑深度，m； ht 為沖刷坑后的下游水深，m； 為反映流速脈動的某一系數值，可取1.52.0； vt為水舌進入下游水面的流速，m/s；叫為河床顆粒的水力粗度，m/s； z 為上下游水位差，m；62二、沖刷坑深度的估算2對于巖石河床 (9.37) 式中： z 為上下游水位差，m； ht 為沖刷坑后的下游水深，m； q 為單寬流量，m3/sm； ks 為反應巖基特性的系數， 其具體取值見表9.3。 63三、挑坎型式及尺寸的選擇1、常見的挑坎型式連續式： 差動式：射程較遠 ，水的擴散較差以致沖刷坑

18、較深。擴散好，減輕河床刷，齒坎側面易空蝕。642、連續式挑坎尺寸的選擇 反弧半徑 r0 至少應大于反弧最低點水深 hc 的4倍 一般多采用 r0 =（610）hc 有資料表明，不減小挑流射程的最小反弧半徑為： 其中h1 和Fr1 分別為挑坎末端的水深和水流佛勞德數 挑坎最低高程等于或略低于下游最高尾水位1、挑坎高程2、反弧半徑65若欲使挑流射程最大，可按下式計算挑角：其中符號如下圖所示S1P3、挑角我國所建成的一些大中型工程，挑角一般在15-35之間669.3 面流及消能戽消能簡介消能戽消能面流消能67一、面流消能 在泄水建筑物的末端設置一鼻坎，將下泄的高速水股引向下游水流的表層，并逐漸向下游

19、擴散，使靠近河底的流速較小，同時由于下游水位高于坎頂，故在坎后的主流區下部形成激烈的旋滾，可以消耗下泄水流的能量 鼻坎末端的切線與水平線之間夾角較小，一般坎角 =010。鼻坎可以做成連續式或差動式的形式。68一、面流消能定義：在泄水建筑物的末端位設置低于尾水水位并有適當高度的平頂或小挑角的跌坎，將下泄的高速水流引向下游水流表層，主要通過底部旋滾和表面旋滾的作用來消能。優點：對下游河床的防護要求較低，節省工程投資。缺點：水面波動大、對岸坡的穩定和航運條件不利。應用：下游河道水深較大、水位變幅不大，上下游落差不太大的豐水河流。69面流的流態：隨著尾水深度的變化出現多種銜接形式： (a)下游水深較小

20、，水流在坎下游河床中形成遠離式水躍。隨著水深增大，變為臨界水躍和淹沒水躍。70面流的流態：隨著尾水深度的變化出現多種銜接形式： (b)下游水深增加，使主流升到表層，底部有一個較長的漩渦區，表面無旋滾，但有劇烈波浪。71面流的流態：隨著尾水深度的變化出現多種銜接形式： (c)下游水深繼續增加，出坎水流受到下游水流的頂托，使坎上水股向上彎曲，再因重力影響，而潛入河底，在坎下和下游水面分別出現旋滾，形成面流和底流的混合流。72面流的流態：隨著尾水深度的變化出現多種銜接形式： (d)下游水深再增大，在坎上、坎下和下游水面分別出現三個旋滾，鼻坎被旋滾淹沒，形成淹沒混合流73面流的流態：隨著尾水深度的變化出現多種銜接形式： (e)下游水深再