挑流式消能課件

第十一章泄水建筑物下游水流的

銜接與消能

第一節(jié)概述為控制水流，合理開發(fā)利用水資源等目的，在河渠上修建水閘，堰等建筑物。修建后，由于建筑物縮窄了河道，改變了水流的特征，抬高上游水位，勢(shì)能增大。當(dāng)建筑物泄水時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使下泄水流具有較高的速度，動(dòng)能較大。而下游一般為緩流，存在兩種流態(tài)如何銜接，如果處理不當(dāng)將會(huì)帶來沖刷等嚴(yán)重后果。1第十一章泄水建筑物下游水流的

銜接與消能第一節(jié)概述1天然河道中水流一般屬緩流，但當(dāng)河道中修建了閘、壩等泄水建筑物后，下泄水流往往具有很高的流速，單位總量水體所具有的能量也比下游河道中水流的正常比能大得多，對(duì)下游河床具有明顯的破壞能力。2天然河道中水流一般屬緩流，但當(dāng)河道中修建了閘、壩等泄水建筑物因此，必須對(duì)泄水建筑物下游水流的銜接進(jìn)行判斷和處理，選擇適當(dāng)?shù)南芊绞?。在下游較短距離內(nèi)消除余能。3因此，必須對(duì)泄水建筑物下游水流的銜接進(jìn)行判斷和處理，選擇適當(dāng)下游水流銜接與消能的方式有多種，常見的為：1、底流式銜接消能當(dāng)水流從急流向緩流過渡時(shí)，產(chǎn)生水躍，產(chǎn)生的表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)消除大量的余能，使速度急劇下降，與下游水流能良好的銜接。由于主流在底部，稱之為底流消能。2、挑流式銜接與消能采用建筑物末端的挑流鼻坎，利用高速下泄水流的動(dòng)能，將水流挑射到遠(yuǎn)離建筑物的下游河床中，與下游水流銜接。消能分為三個(gè)部分，壩面摩擦——空中擴(kuò)散——水墊。適用于中高水頭，q大，下游基巖完整堅(jiān)硬。4下游水流銜接與消能的方式有多種，常見的為：4

3.面流式銜接與消能利用建筑物末端的導(dǎo)流坎，將高速水流送入下游河道的水流表層，坎后形成尺度很大的底部漩滾，將主流與河床隔開。另外，戽流式消能，孔板式消能，豎井渦流式消能，豎軸式消能。以上幾種是由三種基本消能型式的結(jié)合或發(fā)展。底流式消能挑流式消能面流式消能5

3.面流式銜接與消能底流式消能1、底流式消能

就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水躍發(fā)生的位置，通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)以達(dá)到消能的目的。61、底流式消能6

2、挑流式消能利用下泄水流所挾帶的巨大動(dòng)能，因勢(shì)利導(dǎo)將水流挑射至遠(yuǎn)離建筑物的下游，使下落水舌對(duì)河床的沖刷不會(huì)危及建筑物的安全。72、挑流式消能73、面流式消能當(dāng)下游水深較大而且比較穩(wěn)定時(shí)，可采取一定的工程措施，將下泄的高速水流導(dǎo)向下游水流的上層，主流與河床之間由巨大的底部旋滾隔開，可避免高速主流對(duì)河床的沖刷。余能主要通過水舌擴(kuò)散，流速分布調(diào)整及底部旋滾與主流的相互作用而消除。83、面流式消能8

水利工程中有時(shí)需結(jié)合具體工程的需要，將三種消能方式結(jié)合應(yīng)用。下圖采用消能戽就是一種底流和面流結(jié)合應(yīng)用的實(shí)例。9水利工程中有時(shí)需結(jié)合具體工程的需要，將三種消能方式結(jié)第二節(jié)底流消能

從泄水建筑物下泄的水流一般為急流，存在一個(gè)收縮斷面，水深為最小，為hc0，且一般hc0<hc，即處于急流狀態(tài)。根據(jù)下游河道水深ht與躍后水深hc02的相對(duì)大小，水流存在有三種水躍型式。ht＝hc02臨界式水躍ht<

hc02遠(yuǎn)離（遠(yuǎn)驅(qū)）式水躍ht>hc02淹沒式水躍遠(yuǎn)離式水躍對(duì)工程最不利，急流段長，加固河段長，工程量大。淹沒式水躍消能效率低。臨界式水躍位置不穩(wěn)定。一般采用稍有淹沒的水躍進(jìn)行消能較理想。10第二節(jié)底流消能從泄水建筑物下泄的水流一般為急流，存在一個(gè)水躍淹沒系數(shù)σ’=ht/

hc02臨界式水躍σ’=1遠(yuǎn)離（遠(yuǎn)驅(qū)）式水躍σ’<1淹沒式水躍σ’>1消能設(shè)計(jì)要求：σ’=1.05～1.111水躍淹沒系數(shù)σ’=ht/hc0211泄水建筑物下游收縮斷面水深的計(jì)算以通過收縮斷面底部的水平面為基準(zhǔn)面，列出壩前斷面0－0及收縮斷面c－c的能量方程式，可得由圖可以看出12泄水建筑物下游收縮斷面水深的計(jì)算12令流速系數(shù)則以代入上式得對(duì)于矩形斷面，。取單寬流量計(jì)算，則13令流速系數(shù)則13泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對(duì)消能的影響水躍的位置決定于壩趾收縮斷面水深的共軛水深與下游水深的相對(duì)大小。可能出現(xiàn)下列三種情況第一種情況：＝第二種情況：＜第三種情況：＞14泄水建筑物下游水躍的位置與形式及其對(duì)消能的影響14平底閘孔下游三種水躍銜接形式的示意圖15平底閘孔下游三種水躍銜接形式的示意圖15控制水躍位置的工程措施－消能池的水力計(jì)算加大下游水深的工程措施，主要有下列兩種：（1）降低護(hù)坦高程，使在下游形成消能池；（2）在護(hù)坦末端修建消能坎來壅高水位，使坎前形成消能池。16控制水躍位置的工程措施－消能池的水力計(jì)算161、降低護(hù)坦高程所形成的消能池(1)消能池深度d的計(jì)算消能池內(nèi)的水深應(yīng)為式中：為水躍的淹沒系數(shù)，一般取為護(hù)坦高程降低后收縮水深的躍后水深。171、降低護(hù)坦高程所形成的消能池17消能池內(nèi)的水深hT為確定消能池深度d的計(jì)算公式略去，并用護(hù)坦降低前收縮斷面水深的共軛水深代替?？傻玫酱致怨浪愠厣畹慕乒?8消能池內(nèi)的水深hT為18（2）消能池長度LK的計(jì)算式中，為平底渠道中的自由水躍長度。（3）消能池設(shè)計(jì)流量的選擇池深d是隨增大而增加。所以，可以認(rèn)為，相當(dāng)于為最大時(shí)的流量即為池深的設(shè)計(jì)流量。19（2）消能池長度LK的計(jì)算19第三節(jié)挑流消能的水力計(jì)算

挑流消能的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約下游護(hù)坦，構(gòu)造簡單，便于維修；缺點(diǎn)是霧氣大，尾水波動(dòng)大。挑流消能水力計(jì)算的主要任務(wù)是：按已知的水力條件選定適宜的挑坎型式，確定挑坎高程、反弧半徑和挑射角，計(jì)算挑流射程和下游沖刷坑深度。20第三節(jié)挑流消能的水力計(jì)算20挑流射程的計(jì)算1、射程L0的計(jì)算公式式中：a為坎高，即下游河床至挑坎頂部的高差；ht為沖刷坑后的下游水深；h1為1－1斷面的水深。21挑流射程的計(jì)算2122222、水下射程L1

其中，ts為沖刷坑的深度。沖刷坑深度的估算1、對(duì)于砂卵石河床，沖刷坑深度可用下式計(jì)算：232、水下射程L123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(dòng)的某一系數(shù)值，可取1.5~2.0；為水舌進(jìn)入下游水面的流速（單位為m/s）2、對(duì)于巖石河床，計(jì)算沖刷坑深度的經(jīng)驗(yàn)公式為式中：ts為沖刷坑深度，m；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，；24式中：ts為沖刷坑深度，m；ht為沖刷坑后的下游水深挑坎型式及尺寸的選擇

常用的挑坎有連續(xù)式和差動(dòng)式。25挑坎型式及尺寸的選擇

常用的挑坎有連續(xù)式和差動(dòng)式采用較多的是連續(xù)式挑坎。(1)挑坎高程挑坎高程愈低，出口斷面流速愈大，射程愈遠(yuǎn)。(2)反弧半徑反弧半徑