1、泄水建筑物出流与下游衔接和消能,MF2Hs0b2*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,(水流衔接，简答题),泄水建筑物下游水流的衔接形式，即水跃发生的位置取决于建筑物下游收缩断面水深 hc的共轭水深 与下游水深 ht 的相对关系。存在 3 种情况：,题 目,试叙述泄水建筑物下游的水流衔接形式及其产生的条件,答：,(1) 当下游水深 ht ：这时水跃发生在收缩断面，如图（a）所示，这种衔接为临界水跃衔接。,解题步骤,(2) 当ht ：这时下游水深 ht 与 构不成共轭水深， 水跃不能发生在收缩断面。 由于跃后水深为ht， 跃前水深 h1 应大于 hc。于是从收缩断面水流以c1 型壅水曲线向下游延
2、续， 至水深等于ht的共轭水深 h1 处,水跃在此发生，如图 (b) 所示，称为远驱式水跃衔接。,解题步骤,令j = ht / ，称为水跃淹没系数，用来判别建筑物下游水流的衔接形式，即,(3)当 ht : 这种情况与 (2) 正好相反。水跃被水深较大的下游水流向上推移，收缩断面被淹没，从而形成了淹没水跃衔接，如图(c)所示。,当j = 1时，为临界水跃式衔接；,当j 1时，为远驱水跃式衔接；,当j 1时，为淹没水跃式衔接。,实验研究表明，临界水跃消能率最高，但不稳定。远驱式水跃消能率降低，而且下游存在一定长度的急流段，对建筑物的安全不利。淹没式水跃的淹没系数j 1.2 时，淹没水跃的消能率低于
3、相同弗汝德数的自由水跃，且水跃长度大于自由水跃。,解题步骤,综上所述，远驱水跃衔接最为不利，工程中应该避免；临界水跃衔接不稳定；而淹没度不大(j =1.051.10) 的淹没水跃衔接最为理想。,解题步骤,MF2Hs0b3*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,(消能形式，简答题),试叙述泄水建筑物下游泄流消能的形式、水流特征和适用条件；,答：,泄水建筑物下游泄流消能形式主要有 3 种：即底流消能、挑流消能和面流消能，另外还有戽流消能。,(1) 底流消能(即水跃消能)：底流消能就是在建筑物下游修建消能池控制水跃发生的位置，减小急流范围，并利用水跃消除水流多余的能量，使水流安全地与下游缓流衔接，见图
4、 1 所示。,题 目,底流消能的主流位于河床底部，表面为急剧翻腾的旋滚，通过旋滚的强烈摩擦紊动掺混，消耗水流多余的能量。底流消能方式大多应用于中、低水头及地质条件较差的泄水建筑物下游。,解题步骤,(2)挑流消能：挑流消能是利用修建在泄水建筑,解题步骤,物末端的反弧挑坎，将下泄水流挑入空中，使之落入下游距泄水建筑物较远的下游河道，如图 2所示。挑射水流在空中受到空气阻力，水舌紊动、扩散、掺气，消耗一部分能量，落入下游河道后与水体碰撞产生剧烈的混掺紊动，冲刷河床，消耗大量的能量，从而达到消能 目的。挑流消能多用于 高水头、下游河床地质 条件好的建筑物下游消 能。,(3) 面流消能：当下游水流较深而
5、且较稳定时，常将建筑物末端做成水平垂直跌坎，跌坎顶部低于下游水位，如图 3 所示。下泄的水流被送到下游水流表层，底部形成巨大的旋滚，表层主流在垂直方向逐渐扩散，并与下游水流衔接。其消能是在,底部旋滚和表层主流扩散的过程中实现的。因为主流位于表层，故称为面流消能与衔接。,解题步骤,(4) 戽流消能：这是底流消能与面流消能的组合形式，其挑坎的挑角较大，典型的水流特征为三滚一浪，即在水流出挑坎后形成涌浪，涌浪的前后和底部形成三个旋滚，通过强烈的旋滚和涌浪消耗水流大量多余能量。见图4。戽流消能方式在工程中较少采用。,解题步骤,MF2Hs0b4*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,（挖深式消能池计算）,
6、题 目,某 WES 堰,顶设计水头Hd = 3.2 m，设计水头下溢流堰流量系数 md = 0.502, 流速系数 为0.95，上下游堰高均为 30 m,下游水深 ht = 4.6 m。,（1）不考虑侧收缩影响，求通过溢流堰的单宽设计流量q ；,（2）判断通过设计流量时，堰下游水流衔接形式，若需要建消能工，则进行挖深式消能池的水力计算。,解：,解题步骤,为了判断溢流坝下游水流衔接形式，先计算下游收缩水深 及其共轭水深 。可用查图法或迭代法。,1. 判断溢流坝下游水流衔接形式,（1）计算堰顶水头作用下通过溢流堰的单宽流量,当不计侧向收缩影响及行进流速水头时，由实用堰流量公式可得,解法一：采用查图
7、法计算 及,解题步骤,因下游水位低于堰顶，溢流堰为自由出流。取淹没系数s= 1.0 。,于是,（2）计算临界水深 hk,对于矩形断面有 ，故,（3）计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E0,解题步骤,查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得,由 及参变量,（4） 查图计算 及,因为溢流坝较高，行近流速水头可以忽略不计。,解题步骤,于是收缩水深,hc的共轭水深,（1） 以溢流堰下游收缩断面底部为基准，对堰 前断面与下游收缩断面建立能量方程,解法二：采用迭代法计算 及,解题步骤,解题步骤,于是有,即,采用迭代法计算得到 hc0.517m,（2）由水跃方程计算hc的共轭水深hc,比较查图法与
8、迭代法所求的hc 及 ，可见两者比较吻合。由于查图法易产生误差，建议采用迭代法。,解题步骤,解题步骤,因为hc= 7.55 m ht= 4.6 m ，故溢流堰下游为远驱式水跃衔接，需要修建消能池。,现根据题意要求设计一降低护坦高程的消能池。,解题步骤,首先按池深近似公式估算池深大小，并取淹没系数j 为1.05, 即,d估= jhc“ht = 1.057.55 m4.6 m = 3.33 m,设 d = 3.30 m。,2. 消能池深度 d 的计算,接着计算护坦降低 d 值后的收缩断面水深 hc1。,解题步骤,从上图可见 = E0+ d = 33.2 m + 3.3 m = 36.5 m,于是有
9、,由迭代法求得 hc1= 0.492 m,解题步骤,利用水跃方程求得hc1的共轭水深,下面，计算消能池出口处水面跌落z 。通过对消能池出口上游断面及下游断面建立能量方程推得,式中 为消能池出口流速系数，一般取0.95。,于是,解题步骤,代入池深 d 计算式 有,小于前设的 d = 3.3 m。,又设 d = 3.25 m，求得相应的各值为,解题步骤,则 d = 1.057.76 m(4.6 + 0.29) m = 3.26 m,由此可见，d 计算值与假设值十分接近，故所求池深 d 为3.25 m。,3. 消能池池长Lk计算,Lk=(0.70.8) Lj,= 36.45 m ， hc1= 0.4
10、92 m= 7.76 m , z = 0.29 m,解题步骤,其中，水跃长度 Lj 为,Lk=(0.7 0.8)47.31m = 33.11 37.85 m,故取 Lk= 36 m,讨 论,1. 在实际工程中，堰顶水头 H 及下游水深 ht 往往 随着上游来水流量的不同是变化的，那么应如何选取消力池的设计流量？,根据实际情况，在给定流量范围内，对不同的,为了建筑物的安全，保证在各种情况下都发生水跃消能，消能池应选取最不利情况对应的流量作为设计流量。从以上计算可见，消能池池深 d 随着（ ）的增加而增大，故选取池深 d 设计流量的方法是：,图中 为最大值时的相应流量，即为消能池深 d 的设计流量
11、，见示意图。,讨 论,流量计算 hc 及 （即护坦降低前，坝趾断面的收缩水深和跃后水深）。 在直角坐标上绘上 的关系曲线； 同时将已知的关系曲线 也绘在同一坐标上。,池长 Lk 的设计流量根据理论计算与实验量测可知，随着流量 Q 增加，池长 Lk 相应增大，故池长 Lk 的设计流量往往取泄水建筑物所通过的最大流量。,讨 论,MF2Hs0b4*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,（消能墙式消能池计算）,某顺直河道上的溢流坝，溢流宽度等于河宽。已知：坝高 P1 = P2 = 8.0 m，单宽流量 q = 6 m 2/s，溢流坝的流量系数 m = 0.49，流速系数 = 0.95，坝下游河道水深为h
12、t = 3.0 m,试判断溢流坝下游水深衔接形式，若需要建消能工，试设计一消能墙式消能池。,题 目,（1）计算临界水深 hk,对于矩形断面有 ，故,解：,解题步骤,为了判断溢流坝下游水深衔接形式，先计算下游收缩水深 及其共轭水深 。可用查图法或迭代法。,1. 判断溢流坝下游水流衔接形式,解法一：采用查图法计算 及,（2）计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E0,解题步骤,故为自由出流，取s1.0,由已知条件知溢流宽度等于河宽，故取11.0,又因为,由于,于是,将已知数据代入上式可得堰顶水头：,解题步骤,故,解题步骤,查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得,于是收缩水深,hc的共轭水深
13、,解题步骤,解法二：采用迭代法计算 及,（1） 以溢流堰下游收缩断面底部为基准，对堰 前断面与下游收缩断面建立能量方程,于是有,代入已知条件可得,采用迭代法求得,（2）由水跃方程计算hc的共轭水深,解题步骤,因为 ，故坝下游产生远 驱式水跃衔接，需要修建消能工,如下图所示：,解题步骤,比较查图法与迭代法所求的 hc 及 ，可见两者十分吻合。由于查图法易产生误差，建议采用迭代法。,解题步骤,2. 消能墙高度 c 的计算,根据消能要求，墙高应满足：,由于墙顶水头H1的计算与墙顶流态有关，故先假设消能墙为非淹没堰，即令 ,并取消能墙的流量系数 。则消能墙顶全水头为:,式中 取1.05,于是,故消能墙
14、高,解题步骤,现在来校核墙后的衔接形式。,解题步骤,由能量方程,于是,因为,由水跃方程求得,取消能墙的流速系数 ，代入其他已知条件，则,由迭代法求得,解题步骤,因为,故墙后为淹没式水跃衔接。,又,所以，墙为淹没堰， 与原假设不符，故消能墙高度必须按淹没堰计算。,解题步骤,先假设墙高c1.7 m。,相应的墙顶全水头为,在所设的墙高情况下，为保证池内产生淹没水跃相应的墙顶全水头为,解题步骤,把消能所要求的墙前水深作为已知水深，即,根据 ，查消能墙的淹没系数表可得：,则,解题步骤,下面来校核在上述墙顶水头作用下，消能墙能否通过已知的流量,所求得消能墙的过水能力大于已知流量，故初设墙高c1.7 m 偏
15、小，需另外假设墙高 c 值进行试算。现列表试算如下,解题步骤,从以上结果可见，墙高c1.86 m 时，消能墙的过水能力与给定流量 q 十分接近。,故取消能墙墙高为:,c1.86 m,因为消能墙是淹没出流，不需要再校核墙下游水流的衔接状态。,解题步骤,注意：若消能墙为自由出流时，则需要对墙下游水流的衔接状态进行校核计算。若下游为远驱式水跃衔接时，还需要修建第 2 道墙，直至达到淹没式水跃为止。,解题步骤,消能墙式消能池的长度与降低护坦 式消能池相同, 即,3. 消能池长度Lk 的计算,又,故得,可以取,解题步骤,讨 论,1. 若消能墙为非淹没堰时，应怎样进行墙后水流衔接计算与第2 道消能墙墙高计
16、算？,对消能墙墙后水流衔接进行计算的方法是：将消能墙当作一溢流堰，计算墙后的收缩水深 hc1 及其共轭水深 ，并与下游水深 ht 进行比较。当墙后为远驱式水跃衔接时，必须设置第 2 道消能墙或采取其它消能措施。第 2 道消能墙墙高计算方法同第 1 道墙相同。,讨 论,2. 消能池长度 Lk与水跃长度 Lj 成正比，计算水跃长度的经验公式较多，在具体计算中应如何选用？,在选用水跃长度计算式时，首先应注意各经验公式的适用条件。在满足适用条件的情况下，宜选用几个常用的公式进行计算比较。根据计算值并结合工程经验，最终确定消能池长度。必要时，应进行水工模型试验，验证所设计的消能池长度。,MF2Hs0b4
17、*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,（跌水消能池计算）,题 目,某渠道通过一陡坡地段处，为减少填方工程量，采用跌水形式进行渠道连接。已知渠道为矩形断面，流量Q 为8.0 m3/s，渠宽 b 为3.5 m ，跌水的渠底落差 S 为3.5 m，下游渠道水深 ht 为1.35 m， 跌水进口为无坎宽顶堰，流量系数 m 为0.365。若该跌水消能池采用消能墙式消能池，试确定消能池尺寸。,跌水消能池墙高及池长应足以容纳跌落水舌，并使之产生淹没水跃。墙高 c 计算方法同消能墙式消能池墙高计算相同；池长 Lk 应该包括水舌跌落的射程 L0 与淹没水跃长度（0.8 Lj ）两部分，即,解题步骤,解：,1.
18、墙高 c 计算,单宽流量,因为跌水进口为无坎宽顶堰，流量系数 m 为 0.365，故跌水进口水头为,解题步骤,解题步骤,于是,由能量方程可得消能池收缩断面水深,利用迭代法求得 hc= 0.274 m,解题步骤,计算收缩 hc 的共轭水深 ，由水跃方程得,解题步骤,由于墙高计算与墙顶流态有关，故先假定消能墙为非淹没堰流，即令 。,并取消能墙流量系数 m1= 0.42, 则墙顶全水头H01为,解题步骤,于是,解题步骤,根据淹没水跃条件，可得消能墙高度,现在对墙顶自由出流的假设进行检验,解题步骤,墙后收缩水深,下面，还需对墙下游水流衔接形式进行校核。取消能墙的流速系数 = 0.9，计算墙下游收缩水深
19、hc1及其共轭水深hc1。,其中:,解题步骤,代入其它已知条件，并采用迭代法求得,因为,故墙后为淹没式水跃衔接，不需要建第二道墙。,计算hc1的共轭水深 ，由水跃方程求得,解题步骤,2. 池长Lk的计算,取坐标如图，按质点抛射运动计算水舌射程 L0,式中：m 为宽顶堰流量系数，这里 m 为0.365 ；,P2 为下游堰高，这里 P2 = S = 3.5 m; hA为跌坎顶部 A-A 断面水深，对于宽顶堰hA= 0.5 H0,解题步骤,代入已知条件，则,自由水跃长度Lj由下式计算,解题步骤,于是，消能池长度Lk为,讨 论,1. 当下游渠道水深 ht 大于1.35 m，为1.45 m，其它条件不变
20、时，消能墙的计算高度c 值是否仍为0.85 m?,当下游渠道水深ht1.45 m 1.35 m时，消能墙的淹没系数为,可见，墙顶为淹没出流。此时，消能墙的过流能力将减小，即墙前通过同样流量时壅高的水深 hT 增大。因此为满足产生淹没水跃条件 ，消能墙高度 c 将小于 0.85 m。,2. 当消能墙后为淹没式水跃衔接时，为何不能确定消能墙就是淹没出流？,讨 论,因为消能墙后淹没水跃与墙顶淹没出流是两个不同的概念。墙后淹没水跃是对墙后收缩断面而言，墙顶淹没出流是对墙顶计算断面而言。当墙后为淹没出流时，墙顶可以为自由出流，也可为淹没出流。,MF2Hs0b3*,泄水建筑物出流与下游 衔接和消能,（挑流
21、消能计算）,题 目,解题步骤,解:,本题首先确定在设计水位167.15 m时，溢流坝下泄流量 Q ; 然后进行挑流射程 L 及冲刷坑深度 ts 的估算，最后进行冲刷坑后坡 i 的验算。,挑流射程 L 为空中射程 L0 与水下射程 L1 之和。若 忽略坎顶水深 h1 , 则空中射程 L0 及水下射程 L1可分别按以下计算式估算：,解题步骤,解题步骤,1.溢流坝下泄流量 Q 的计算,因溢流坝较高，行近流速水头可忽略不计，即H0H = 167.15 m161m = 6.15 m; 同时下游水位较低，溢流坝为自由泄流，故下泄流量计算式为：,代入已知条件：,解题步骤,2.冲刷坑深度 ts 的估算,为了计算水下射程 L1，先计算冲刷坑深度 ts,冲刷坑深度估算式为：,解题步骤,式中, 岩基冲刷系数 ks= 1.10 ，其它各参数计算如下:,因此,计算流速系数 的经验公式较多，这里采用长江流域规划办公室的经验公式计算,解题步骤,3. 射程估算 L,根据已知数据求得：,解题步骤,式中流能比,因此,于是,解题步骤,解题步骤,4. 检验冲刷坑后坡 i,故认为冲刷坑不致于危及大坝的安全。,由于,讨 论,挑坎型式及尺寸是影响挑流射程 L 与冲坑深度ts的重要因素，在挑流消能设计中应如何选择？,
