水力分析與計(jì)算主講人：沈漢水工建筑物下游消能水工建筑物下游消能消能必要性消能形式分類(lèi)底流消能水力計(jì)算一、消能必要性泄水建筑物下泄水流流速很高，動(dòng)能很大，下泄至下游河道時(shí)與河道中的水流狀態(tài)不相適應(yīng)。經(jīng)泄水建筑物下泄水流會(huì)對(duì)泄水建筑物及下游河道的運(yùn)行安全產(chǎn)生一定的不利影響，如不妥善解決，將會(huì)導(dǎo)致以下嚴(yán)重的后果：下游河床及其岸坡將遭受高速水流的沖劇破壞，會(huì)危及建筑物本身的安全。因溢流寬度便窄，單寬流量集中，下游水流運(yùn)動(dòng)的平面分布更加復(fù)雜化，不利于整個(gè)樞紐的運(yùn)行。因此，從水力分析與計(jì)算角度看，必須解決水流從高水位向低水位過(guò)渡時(shí)的水流銜接問(wèn)題和減小因單寬流量集中以及較大的水位差轉(zhuǎn)化為較大動(dòng)能時(shí)水流對(duì)下游河道的沖刷(即消能)問(wèn)題。只有解決好上述問(wèn)題，才可保證建筑物的安全以及避免下泄水流對(duì)樞紐其他建筑物的不利影響。所以，需在泄水建筑物下游設(shè)置消能工程，以消除下泄水流能量，保護(hù)建筑物的安全。一、消能必要性拱壩壩身挑流消能（二灘原型）二、消能形式分類(lèi)工程中常采用的銜接與消能方式按照泄出水流與尾水及河床的相對(duì)位置，可以將常見(jiàn)的銜接消能方式分為如下三種基本形式。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(guò)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。底流式消能

二、消能形式分類(lèi)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。(新安江水庫(kù))挑流式消能二、消能形式分類(lèi)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(kāi)，可避免高速主流對(duì)河床的沖刷。余能主要通過(guò)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(富春江水庫(kù))。面流式消能二、消能形式分類(lèi)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。三、底流消能水力計(jì)算閘、壩等泄水建筑物下泄水流要經(jīng)過(guò)收縮斷面并且發(fā)生水躍，以水躍的形式與下游水流銜接，研究表明：當(dāng)水躍發(fā)生在收縮斷面前后的位置不同，將會(huì)發(fā)生不同的水躍銜接形式，而水躍銜接形式?jīng)Q定了是否需要采取消能措施。

要判斷會(huì)發(fā)生哪一種水躍銜接形式，需先知曉收縮斷面水深

hc，再由hc推求躍后斷面水深hc”而后作判斷。

所以底流式銜接與消能的水力計(jì)算第一步要求計(jì)算hc，第二步由hc計(jì)算hc”，并判斷水躍銜接形式，由水躍銜接形式?jīng)Q定是否需要進(jìn)行消能，第三步是進(jìn)行消能水力計(jì)算。三、底流消能水力計(jì)算第一步：計(jì)算收縮斷面水深hc通過(guò)列能量方程，得到收縮斷面水深計(jì)算公式為：式中，q為單寬流量、φ為流速系數(shù)、E0為堰前總水頭（相對(duì)于下游地板高度），該公式是hc的三次方程，不便直接求解，可以采用逐次漸近法求解hc。三、底流消能水力計(jì)算第二步：計(jì)算躍后斷面水深hc”，并判斷水躍銜接形式求出收縮斷面水深hc之后，可由水躍方程算出hc”。比較hc”與下游水深ht的大小，判斷發(fā)生何種水躍。令σ=ht/hc”，稱(chēng)σ為水躍的淹沒(méi)系數(shù)。它表示水躍的淹沒(méi)程度。遠(yuǎn)離式水躍銜接形式最為不利，工程實(shí)踐中要避免出現(xiàn)；臨界式水躍銜接形式不穩(wěn)定，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)離式水躍銜接，也應(yīng)避免出現(xiàn)；所以最好選取淹沒(méi)系數(shù)σ=1.05~1.10的淹沒(méi)式水躍作為底流銜接消能形式。三、底流消能水力計(jì)算第三步：經(jīng)判別為臨界或遠(yuǎn)離式水躍時(shí)擬建消力池，并計(jì)算消力池池深S、池長(zhǎng)Lk當(dāng)建筑物下游水流的自然銜接形式經(jīng)判斷為遠(yuǎn)離式水躍或臨界式水躍銜接時(shí)，則需要設(shè)置消能工(消能工程)，即要進(jìn)行相應(yīng)的消能水力計(jì)算，避免出現(xiàn)這兩種水流銜接形式。設(shè)置底流式消能工的目的就是迫使建筑物下游發(fā)生淹沒(méi)系數(shù)σ=1.05~1.10的稍有淹沒(méi)程度的淹沒(méi)式水躍。池深S由公式S=σhc”-ht進(jìn)行估算，再計(jì)算建池后的hc、hc”以及出池水流到下游水面的跌落高度ΔZ，驗(yàn)算是否為1.05~1.10，如果是則消力池深度S滿(mǎn)足要求，否則調(diào)整S，重復(fù)上述步驟，直到滿(mǎn)足要求為止。三、底流消能水力計(jì)算消力池除需具有足夠的深度外，還需有足夠的長(zhǎng)度，以保證水躍不沖出池外，而對(duì)下游河床產(chǎn)生不利影響。試驗(yàn)表明，池內(nèi)淹沒(méi)水躍因受池末端豎立壁坎產(chǎn)生的反向作用力，由池內(nèi)收縮斷面算起的水躍長(zhǎng)度L‘j比平底渠道中產(chǎn)生的同樣的自由水躍長(zhǎng)度Lj要短20%~30%。當(dāng)泄水建筑物為曲線型實(shí)用堰時(shí)，消力池長(zhǎng)度Lk，等于池內(nèi)水躍長(zhǎng)度L’j，即

Lk=L‘j=(0.7~0.8)Lj

。第三步：經(jīng)判別為臨界或遠(yuǎn)離式水躍時(shí)擬建消力池，并計(jì)算消力池池深S、池長(zhǎng)Lk小結(jié)本節(jié)課主要介紹了泄水建筑物下游消能的主要形式與原理、底流街接與消能的水力計(jì)算。

通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)