1、1,水力学 下册,第9章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 第10章 有压管中的非恒定流 第11章 明渠非恒定流 第12章 流体运动的流场理论 第13章 边界层理论基础 第14章 恒定平面势流 第15章 渗流 第17章 高速水流,2,第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能,9.1 底流消能的水力计算 9.2 挑流消能的水力计算 9.3 面流及消能戽消能简介,3,第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能,问题的提出 天然河道中的水流，一般多属于缓流，水流流量沿河宽方向的分布较均匀。但河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生较大变化，从而引起一系列水力学问题。具有如下特点： 1.建坝后的水
2、头增加,下泄水流的流速增大，即流速高； 2.建坝时，为节省工程造价，使泄水建筑物的泄水宽度比原河床宽度小，使泄水时的单宽流量加大，即水流集中。 泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床具有较大的破坏力。,4,则单位宽度河床上每秒应消耗能量：N=qE=9 800N/m380m2/s60m=47 000 KNm/s,例如，对于某溢流坝，设其单宽流量 q = 80 m3/sm， Z =Z1Z2=60m,5,引起河床严重冲刷 例如奥地利的列伯令(Lebring) 坝，上下游水位落差为11.35米，砂卵石河床，冲刷坑的深度达到12米，可见冲刷之严重性。因此，在设计水工建筑物时，要选择合理的水流衔接
3、形式，采取必要的工程措施，将泄水建筑物下泄水流的部分动能加以消除和转变为势能，即所谓消能问题，以改善水流状态，保证建筑物的安全。,可能引起的不良后果：,6,发生折冲水流 如图某水利枢纽平面布置图，由于主流偏向左岸，右岸就造成巨大的回流区，而靠近左岸的主流过水断面减小，流速加大，导致对河床及岸壁的冲刷。如在枢纽中设有船闸，则折冲水流对船闸的下游会造成不利的航行条件。而回流往往把主流冲刷的泥沙带到水电站下游形成淤积，影响水电站发电。,7,常用的水流衔接与消能方式,葛洲坝底流消能 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,8,1、底流消能,消能机理：通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动
4、来消能。,实质：水跃,特点：主流位于底部,常用的水流衔接与消能方式,应用：各种地质条件的泄水建筑物,在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动以达到消能的目的。,9,2、挑流消能,利用下泄水流本身的动能，在建筑物的出流部位采用挑流鼻坎，将下射的水流挑射到远离坝址，以确保建筑物的安全。,常用的水流衔接与消能方式,优点：布置简单，一般不需下游人工保护，工程造价低。,缺点：泄洪雾化较严重、尾水波动大。,应用： 下游地质条件较好的中高水头泄水建筑物。,两个消能过程：,空中消能,水垫消能,（主要）,10,3、面流消能,在建筑物的末端，设一个比下游水位低的、水平
5、的或仰角较小的底坎，将下泄高速水流引向下游河道的水流表面，并逐渐向下游扩散，而靠近河底则流速较小，同时坝后主流区下部形成激烈漩滚，以消耗部分下泄水流能量。,常用的水流衔接与消能方式,应用：下游河道水深较大、水位变幅不大且上下游落差不太大。,优点：利于排冰，对河床冲刷作用小。,缺点：下游水面波动大，对岸坡稳定和航运不利。,特点：主流靠近水面,消能机理：底部漩滚,11,水利工程中有时需结合具体工程的需要，将消能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。,常用的水流衔接与消能方式,戽斗,12,第九章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能,9.1 底流消能的水力计算 9.2 挑流消能的水
6、力计算 9.3 面流及消能戽消能简介,13,9.1.1建筑物下游收缩断面水力要素(hc、vc )的计算,以收缩断面c c处槽底的水平面为基准面，列坝前断面0 0和收缩断面c c的能量方程：,(9.1),令流速系数,，则,可得收缩断面的平均流速表达式,(9.3),9.1 底流消能的水力计算,P2,14,以 vc = Q / Ac 代入(9.3)式，则得,对于矩形断面，Ac = b hc ，取单宽流量计算，则,(9.4) ,(9.4),借助本章末附图图解曲线来简化计算：,对于矩形断面，有hk3=q2/g，用hk除(9.4) 式两端，则有,令0=E0/hk， c=hc/hk，则有 ksai,(9.5
7、),(9.3),15,(9.5),0.32,5.8,2.3,16,例题 9-1 某分洪闸如图所示，底坎为曲线型低堰，泄洪单宽流量qc=11m3/sm，流速系数=0.90。计算其下游收缩断面处的水深hc。,17,解：应用式(9.4)求收缩断面水深hc。,(9.4),其中：,。,取01，则,已知 =0.90，故有,可采用试算法、迭代法或图解法计算 hc,依题意有：,18,（a）试算法计算的具体过程：,取hc=1.0m，则上式右边=7.622 左边,取hc=1.1m，则上式右边=7.399 左边,取hc=1.2m，则上式右边=6.493 左边,取hc=1.15m，则上式右边=6.913 左边,取hc
8、=1.12m，则上式右边=7.196 左边,取hc=1.125m，则上式右边=7.147 左边,取hc=1.127m，则上式右边=7.128 左边,所以，取hc=1.127m,19,（b）迭代法计算的具体过程：,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=1.127m,20,（c）图解法计算的具体过程：,依据：本章末附图图解曲线,对于矩形断面，有hk3=q2/g，用hk 除(9.4)式两端，则有,(9.5),0=E0/hk,c=hc/hk,(9.4),21,0.489,3.08
9、,9.1 底流消能的水力计算,22,流速系数：,水头损失,局部损失：,沿程损失：,堰型、坝高、入流条件,单宽流量、坝面流程,坝面粗糙度、反弧曲率,计算流速系数 的两个经验公式：,(1),(2),适用于P/H30的无显著掺气现象的实用剖面堰自由溢流,高坝，其中s为上游水位与收缩断面底部的高程差，以m为单位。,确定方法：（1）经验数据（2）经验公式,（见表1）,23,9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响,当水流经泄水建筑物(如闸、坝等)下泄时，势能逐渐减小，动能逐渐增加，在建筑物下游某过水断面上水深达到最小值、平均流速达到最大值，这个断面称为收缩断面，该断面的水深用hc表示，因
10、下泄水流速度较大，所以收缩断面水深hc常小于临界水深hk，水流属于急流状态,24,9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响,如建筑物下游水深ht也小于hk，水流为急流，则在这种情况下水流为：急流急流，可按河渠非均匀流水面线进行分析研究。,25,9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响,一般情况下，下游水深ht常大干临界水深hk，水流为缓流、则下泄水流与下游水泥为由急流到缓流的水面衔接，必然有水跃发生按水跃发生的位置将底流式水面衔接分为三种情况。,26,(a) ht = hc 临界式水跃衔接,三种衔接形式,(b) ht hc 远离式水跃衔接,(c) ht hc 淹
11、没式水跃衔接,收缩断面为跃前断面,缺点：不够稳定,水跃向下游移动，跃前断面远离收缩断面,水跃涌向上游并淹没了收缩断面,缺点：保护段长，不经济,缺点：随着淹没程度的增加，消能效果下降,修消能池,9.1.2泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响,27,水跃淹没系数j：,1，淹没水跃,1，临界水跃,1，远驱式水跃,非淹没水跃,护坦长度： 远驱式水跃 临界式水跃, 工程设计中，要求下游产生一定淹没程度（ j 1.051.10）的水跃。这时，护坦长度较小，消能效果也比较好，并能得到较为可靠的淹没水跃。,28,平底闸孔下游水流衔接的三种形式：,29,9.1.3消能池的水力计算,从工程的经济和安全要
12、求出发，希望在泄统建筑物下游河道中产生淹没式水跃。产生淹没式水跃要求水工建筑物下游要有足够的水深，而要增加下游水深就需要修建一些辅助建筑物，常用的有以下几种：,消力池 在靠近建筑物下游降低河床高程，形成水池，增加水深。,消力墙 在靠近建筑物下游河床上修筑档水墙，抬高建筑物与挡水墙间水位，增加水深,30,9.1.3.1降低护坦高程形成的消能池,(1) 消能池深度 d,消能池内的水深 hT 应为,水跃的淹没安全系数，一般取为1.051.10。,消能池深度 d 的计算公式为,(9.10),d =j hc1(ht+z),hT =j hc1,=ht + d + z,(9.9),图 9.10,9.1.3消
13、能池的水力计算,31,应用水跃方程，有,其中收缩断面水深hc1可由下式计算,图 9.10,消能池的水力计算,d =j hc1(ht+z),32,以2-2断面底部的水平面作基准面，对消能池出口水流段(1-1断面至2-2断面)列能量方程,可整理为,消能池的流速系数，,，并令,代入上式，则得,，,(9.11),33,池深 d 的计算公式 :,(9.10),d =j hc1(ht+z),池深 d 的近似计算公式：,(9.12),(9.11),34,(2) 消能池长度 Lk,式中 Lj 为平底自由水跃的长度。,(9.13),35,(3) 消能池的设计流量,(9.12),池深d是随 (hcht) 的增大而
14、加深,池深 d 的设计流量 ：,(hcht) max所对应的流量,36,例题 9-4某溢流坝为WES剖面，坝顶部设闸门控制流量，今保持坝顶水头H=3.2m，调节闸门开度，使单宽流量的变化范围为(312) m3/sm， 相应的下游水深ht可由图中查得。己知坝高P1及P2均为10m。试判别坝下游水跃的衔接形式；若需设置消能时，试计算降低护坦式的消能深度及长度。,37,解： （1）判别坝下游水跃的衔接形式。因为P110 m1.33H=4.3m，故可不计行近流速，即令H0=H3.2m。则E0P2十H10 3.213.2m。由表9.1可知，对图示的溢流坝，可取 =0.90 。当q3 m3/sm时，可求得
15、,查，附图I得,38,同理可得其他流量所相应的参数,从图中可以看出，在所讨论的流量范围内， 故下游产生远驱式水跃衔接。为使下游产生淹没水跃衔接，现拟设计一降低护坦高程的消能池。,39,(2)消能池深度的计算,从右图中曲线，不难求出 最大时q=6 m3/sm，故消能池深度的设计流量为 qd6 m3/sm相应于qd6 m3/sm， hk=1.54m,hc=0.42m, ht=3.05m,首先按近似公式(9.12)约估池深的数值，即,设d1=1.0m，则,40,由附图1查得,再按(9.11)式计算 (取消能池流速系数 ),池深：,再设d2=1.1m，则,与d2假设符合，故所求池深d1.10m,41,
16、（3）消能池长度Lk的计算,按(9.13)式求池长，即Lk=(0.70.8)Lj。,故得消能池长度为 Lk=(0.70.8) 33.4=(23.426.7)m,取，池长Lk=25m。,查，附图I得,池长的设汁流量为最大流量、即qd=qmax=12 m3/sm,42,9.1.3.2在护坦末端修建消能坎所形成的消能池,坎高 c 的计算方法,消能坎的高度应满足,消力墙上的出流可看作实用堰出流(可以是自由出流，也可以是淹没出流)，则H0为总水头，用实用堰流量公式计算,43,9.1.3.2在护坦末端修建消能坎所形成的消能池,坎高 c 的计算方法,式中，m1为消能坎的流量系数，与坎的形状及池内水流状态有关
17、，目前尚没有系统资料，初步计算时可取为0.42；,s为消能坎的淹没系数，它的大小取决于消能墙的淹没程度，即,，可查表9.2取用。,图 9.13,44,消能墙的淹没条件：,若,，则,，消能坎水流为非淹没堰流,消能坎高的计算方法：,（1）先暂设坎顶为自由溢流，即s1，根据(9.14)式和(9.15)式求得墙高c0 。,（2）验算流态：若消能坎是自由溢流，此c0值即为所 求；若属淹没溢流，则必须考虑淹没系数 s的影 响重新求c。,图 9.13,45,例题 9-4 某溢流坝，在单宽流量q为6 m3/sm时，已求得坝趾收缩断面水深及其共轭水深分别是：hc为0.42m， 为3.96m。若下游水深ht为3.
18、50m。试设计一消能坎式消能池。,解： hc=3.96m ht=3.5m，故坝下游产生远驱式水跃衔接，需要修建消能池。,(1) 求坎高,先假设消能坎为自由溢流，此时s=1.0，m=0.42，j=1.05，则消能坎的坎顶全水头为,于是,将H1代入(9.14)式可得坎高c,46,校核坎后的衔接形式：,取消能坎的流速系数0.90，由附图1查得,则,则消能坎后收缩断面水深的跃后水跃为,因为,则坎后为淹没式水跃衔接。又,故消能坎为淹没溢流，应考虑淹没系数s 的影响。,47,按坎为淹没溢流计算坎高,假设c=2.02m，在所假设坎高情况下，为保证池内产生淹没程度不大的水跃，应有的坎顶水头H1为,消能坎淹没度
19、,，查表9.2得s=0.956,于是,试算得到的单宽流量与给定的单宽流量一致，于是坎高c2.02m。,相应的坎顶全水头H10为,48,(2)求池长,按(9.13)式求池长，即Lk=(0.70.8)Lj。,故得消能池长度为 Lk=(0.70.8) 24.2=(16.9519.35)m,最后确定坎高 c=2.02m，池长Lk=18m。,49,综合式消力池 当地质或施工条件受到限制，单做消力池或消力墙不适合时，可以把池和墙结合起来做成综合式消力池以增加下游水深。使水流在池中发生淹没式水跃进行消能。,50,辅助消能工,定义：为提高消能效率而在消能池中设置的墩或槛。,51,护坦下游河床的保护,52,9.
20、2 挑流消能的水力计算,冲刷坑深度的估算,挑坎型式及尺寸的选择,挑流射程的计算,53,9.2 挑流消能的水力计算,对中、高水头的泄水建筑物，由于水头和单宽流量都较大，如采用底流消能往往护坦工程的费用很大；如采用面流消能，下游水深往往不能满足形成面流的要求，这时可采用挑流衔接与消能。,挑流时水流的能量消耗主要有以下两个过程：1空中消能：水股从挑流坎被抛向空中，并逐渐扩散，与空 气接触面积越来越大，在空气阻力以及水舌内部的摩擦、撞击作用下，消耗了水流的部分能量。在这一过程中、往往形成大片雾气，迷漫四周空间。2.水下消能：扩散了的水股在建物下游较远处射入水中，由于它仍有较大的动能，故可能冲刷河床，形
21、成冲刷坑。冲刷坑内水 深随着坑深的增加而增大，形成较厚的水垫，并对入流水股起着缓冲和消能的作用。水股在冲刷坑内形成一较大漩涡，并由于漩滚的强烈紊动而消耗了入流水股的大部分能量。,54,定义：在泄水建筑物的下游端修建挑流坎，利用下泄水流的巨大动能，将水流挑入空中，然后降落在远离建筑物的下游，主要通过入水后主流周围的强烈漩滚达到消能的目的。,优点：布置简单，一般不需下游人工保护，方便经济。,缺点：泄洪雾化较严重、尾水波动大。,应用：中高水头泄水建筑物大量采用。,水力计算的主要任务：计算挑流射程和下游冲刷坑深度， 选定合理的挑坎型式，确定挑坎高程、反弧半径和挑射角。,9.2 挑流消能的水力计算,消能
22、过程：空中消能和水垫消能,55,一、挑流射程的计算,挑流射程：指挑坎末端至冲刷坑最深点间的水平距离。,L = L0 + L1L, L0 + L1,(9.21),图 9.19,56,1、空中射程 L0,按自由抛射体理论计算,从图9.19可知，当y =aht+(h1/2)cos时，x=L0，则,(9.23),设ll 断面流速为均匀分布，即u1=v1 ；对0-0及1-1断面列能量方程，得,(9.24),将第二个方程t的大根代入第一个方程，得,57,(9.25),将(9.24)式代入(9.23)式，则,对于高坝，S1h1，略去hl 后，(9.24)及(9.25)式变为,(9.26),(9.27),(9
23、.23),(9.24),58,流速系数 值的确定：,根据原型观测射程的资料，代入理论公式反求。,(1),(2),59,2、水下射程 L1,近似认为水舌自22断面起沿入水角方向直线运动，则,(9.30),图 9.19,60,入水角 的计算：,对(9.22)式求一阶导数，整理得,在水舌入水处：,，,将(9.25)式中的L0代入上式，整理后可得,，即,(9.31),(9.25),61,(9.32),于是可得水下射程的计算公式为,将式(9.25)及式(9.32)代入式(9.21)，即可求出挑坎末端至冲坑最深点间的水平距离，即挑流射程,高坝，h10,(9.33),(9.33) ,略去h1后得,62,二、
24、冲刷坑深度的估算,由于影响因素的多样性和地质条件的复杂性。目前，对冲刷坑深度的计算，工程上还只能依据一些经验公式进行估算,1对于砂卵石河床,(9.34),式中：ts 为冲刷坑深度，m；,ht 为冲刷坑后的下游水深，m；,为反映流速脉动的某一系数值，可取1.52.0；,vt为水舌进入下游水面的流速，m/s；,叫为河床颗粒的水力粗度，m/s；,z 为上下游水位差，m；,63,二、冲刷坑深度的估算,2对于岩石河床,(9.37),式中： z 为上下游水位差，m；,ht 为冲刷坑后的下游水深，m；,q 为单宽流量，m3/sm；,ks 为反应岩基特性的系数，,其具体取值见表9.3。,64,三、挑坎型式及尺
25、寸的选择,1、常见的挑坎型式,连续式：,差动式：,射程较远 ，水的扩散较差以致冲刷坑较深。,扩散好，减轻河床刷，齿坎侧面易空蚀。,65,2、连续式挑坎尺寸的选择,反弧半径 r0 至少应大于反弧最低点水深 hc 的4倍一般多采用 r0 =（610）hc有资料表明，不减小挑流射程的最小反弧半径为：其中h1 和Fr1 分别为挑坎末端的水深和水流佛劳德数,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、反弧半径,66,若欲使挑流射程最大，可按下式计算挑角：其中符号如下图所示,3、挑角,我国所建成的一些大中型工程，挑角一般在15-35之间,67,9.3 面流及消能戽消能简介,消能戽消能,面流消
26、能,68,一、面流消能,在泄水建筑物的末端设置一鼻坎，将下泄的高速水股引向下游水流的表层，并逐渐向下游扩散，使靠近河底的流速较小，同时由于下游水位高于坎顶，故在坎后的主流区下部形成激烈的旋滚，可以消耗下泄水流的能量,鼻坎末端的切线与水平线之间夹角较小，一般坎角 =010。鼻坎可以做成连续式或差动式的形式。,69,一、面流消能,定义：在泄水建筑物的末端位设置低于尾水水位并有适当高度的平顶或小挑角的跌坎，将下泄的高速水流引向下游水流表层，主要通过底部旋滚和表面旋滚的作用来消能。,优点：对下游河床的防护要求较低，节省工程投资。,缺点：水面波动大、对岸坡的稳定和航运条件不利。,应用：下游河道水深较大、
27、水位变幅不大，上下游落差不太大的丰水河流。,70,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,(a)下游水深较小，水流在坎下游河床中形成远离式水跃。随着水深增大，变为临界水跃和淹没水跃。,71,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,(b)下游水深增加，使主流升到表层，底部有一个较长的漩涡区，表面无旋滚，但有剧烈波浪。,72,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,(c)下游水深继续增加，出坎水流受到下游水流的顶托，使坎上水股向上弯曲，再因重力影响，而潜入河底，在坎下和下游水面分别出现旋滚，形成面流和底流的混合流。,73,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种
28、衔接形式：,(d)下游水深再增大，在坎上、坎下和下游水面分别出现三个旋滚，鼻坎被旋滚淹没，形成淹没混合流,74,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,(e)下游水深再增大，底流部分水股重新升到水面，而坎上漩流不变，称为淹没面流。,75,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,(f)下游水深再增大，坎上表面漩流越来越大，以致把主流压到底部，又成为底流，称为回复底流,76,面流的流态：,随着尾水深度的变化出现多种衔接形式：,典型面流流态,从消能角度看：,自由面流和淹没面流最有利；其次是自由混合流； 不利和不允许出现的是底流和回复底流,77,二、消能戽消能,消能戽是指在泄水
29、建筑物末端建造的一个具有较大反弧半径和挑角的低鼻坎。在一定下游水深时，从泄水建筑物下泄的高速水流，由于受下游水位的顶托作用在戽斗内形成旋滚，主流沿鼻坎挑起，形成涌浪并向下游扩散，在戽坎下产生一个反向旋滚，有时涌浪之后还会产生一个微弱的表面旋滚。,78,二、消能戽消能,消能戽：建筑物的出流部位设置低于尾水水位的具有较大反弧半径和较大挑角的凹面挑坎（戽斗）。,优点：消能效率高于平底自由水跃，不需要护坦。,79,二、消能戽消能,随着下游水深t由小增大，消能戽的流态变化：,(a)当下游水深较小时，出戽水股被挑出，在水股与河床之间形成空腔，然后产生水跃。,(b)当下游水深逐渐加大，至某一个水深时，出戽水股上仰角也加大，射流减小，部分水流失去前进速度，而在戽内形成旋滚，主流沿戽面继续射出时，在下游形成涌浪，然后扩散，开始形成戽流态。,80,二、消能戽消能,(c、d)形成戽流态后，如继续增加下游水深，戽内及戽后底部旋滚体积加大，涌浪增高，涌浪后旋滚逐渐减小，形成典型戽流或淹没戽流。(e)如再增加下游水深，形成回复底流流态。,
