消能资料收集

第七章水跃第一节 水跃现象及分类一、水跃现象水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时发生的水面突然跃起的局部水力现象。 闸、坝下泄的急流与天然河道的缓流相衔 接时，都会出现水跃现象。水跃区的水流可分为两部分：一部分 是急流冲入缓流所激起的表面旋滚，翻腾 滚动，饱掺空气，叫做表面水滚。另一部 分是表面水滚下面的主流，流速由快变 慢，水深由小变大。但主流与表面水滚并 不是截然分开的，因为两者的交界面上流 速梯度很大，紊动混掺非常强烈，两者之间不断地进行着质量交换。在发生水跃的突变过程 中，水流内部产生强烈的摩擦混掺作用，水流的内部结构要经历剧烈的改变和再调整，消耗 大量的机械能，有的高达能量的60%70%，因而流速急剧下降，水流很快转化为缓流状态。 由于水跃的消能效果较好，所以常常被采用作为泄水建筑物下游水流衔接的一种有效消能方 式。在确定水跃范围时，通常将表面水滚开始的断面称为跃前断面或跃首，相应的水深称为 跃前水深；表面水滚结束的断面称为跃后断面或跃尾，相应的水深称为跃后水深。表面水滚 的位置是不稳定的，它沿水流方向前后摆动，量测时取时段内的平均位值。跃后水深与跃前 水深之差称为跃高。跃前断面与跃后断面之间的距离称为水跃长度，简称跃长。二、水跃的分类水跃的形式与跃前断面水流的佛汝得数F1有关。为此，根据跃前断面佛汝得数F的 大小对水跃作一分类，具体如下。111 Fr1 1.7时，水跃成为具有表面水滚的典型水跃，具有典型形态的水跃称为完全水 跃。此外:根据跃前断面佛汝得数F,的大小，还可将完全水跃再作细分。但这种分类只是 水跃紊动强弱表面现象上有所差别，看不出有什么本质上的区别。1.7 Fr 2.5，称为弱水跃。水面发生许多小旋滚，消能效果不大，消能效率小于120%，但跃后断面比较平稳。消能效率是指通过水跃消耗掉的能量占跃前断面总机械能的百 分数。2.5 Fr1 4.5，称为不稳定水跃或摆动水跃。底部射流间歇地往上窜，旋滚较不稳 定，消能效率20%45%，跃后断面水流波动大，需设辅助消能工。4.5 Fr1 9.0，称为强水跃。消能效率可达到85%，但高速主流挟带的间歇水团不断滚向下游，产生较大的水面波动，需设辅助消能工。第二节 棱柱体水平明渠中的水跃一、棱柱体水平明渠中的水跃方程在棱柱体明渠中不借助任何障碍物而形成的水跃称为自由水跃。由于水跃现象属于明渠急变流，发生水跃时伴随着较大的能量损失，对它既不能忽略不 计，又没有一个独立于能量方程之外的能用来确定水头损失的公式，因此，在推求水跃方程 时，应用动量方程而不用能量方程。棱柱体水平明渠中的水跃方程Q 2Q 2J + Ah =二 + AhgA 1 c1 gA2 c 2上式表明，在水跃区内，单位时间内流入跃前断面的动量和该断面上动水总压力之和与 单位时间内从跃后断面流出的动量与该断面上动水总压力之和相等。Q 2,在流量和断面形状尺寸一定时，云+ Ahc只是水深h的函数。为便于讨论，把这个函 数称为水跃函数，并用J (h)表示，即Q2J (h) = Q + AhgA c上述水跃方程可表示为J (hi) = J (h2)上式说明：在平底棱柱体明渠中，对某一流量Q，存在着具有相同水跃函数值的两个 水深(跃前水深气和跃后水深h)，这一对水深就是共轭水深。二、水跃函数曲线对任意断面形状的棱柱体明渠，在流量一定的条件下，可以计算绘制J(h) h关系曲线，这个曲线就称为水跃函数曲线。如图所示。水跃函数曲线的特点：水跃函数曲线的两端均向右方 无限延伸，中间必有一极小值。水跃函数曲线的极小值对 应的水深为临界水深。水跃函数曲线的上支水流为缓流， h h，代表跃后断面，水跃函数为增函数；曲线下支水 k流为急流，hh，代表跃前断面，水跃函数为减函数。 k跃前水深越小，对应的跃后水深越大；借助水跃函数曲线 可以计算共轭水深。三、共轭水深的计算1、任意断面共轭水深的计算应用水跃方程求解共轭水深时，由于A及h都是水深h的函数，这就构成了复杂的隐 函数关系，故需要试算求解。常用的方法有：试算一一图解法，电算解法。试算一图解法的基本内容是先计算出已知的跃前水深hi (或跃后水深h/相对应的水 跃函数值J(hi)(或J(h2)，然后假定35个不同的水深h，计算出相应的水跃函数值J(h)，使求得的J(h)值将已知的共轭水深h (或h )相对应的水跃函数值J(h )(或 121J(h2)包含在其中，作出h J(h)函数曲线，由已知的J(hi)(或J(h2)从曲线上可查 出相对应的共轭水深h (或h)。注意，求跃前水深h时，假定的水深h需小于临界水深h，211k求跃后水深h2时，假定的水深h需大于临界水深，所作出的h J(h)也只是水跃函数曲线的一支。2k电算解法常用的有二分法、迭代法。2、等腰梯形断面共轭水深的计算等腰梯形断面共轭水深的计算除了前面介绍的试算一图解法和电算解法外，还可以用查 图法。3、矩形断面共轭水深的计算对矩形断面而言，A = bh，h = 2 h，q = Q，将其代入水跃共轭方程，化简整理可得h =纭1 + 8空-1 = 2L.1 + 8Fr2 -112gh 32、2或h =幺：1 + 8空-1=幺：1 + 8Fr2 -122 gh 32 *11h如果引入共轭水深比n =-2-h11: ；贝 0n =- M1 + 8 Fr2 -1显然，共轭水深比与跃前断面的佛汝得数成正比。从矩形断面明渠共轭水深计算公式可以看到，如果测量出了跃前水深h1和跃后水深h2， 并知道了渠道的底宽b，就可以利用水跃推算出渠道通过的流量，这一点在野外踏勘时可3总 用到，具体计算公式为Q = qb = b 色(h 2h + h 2h )2 122 1实际上在梯形明渠中发生水跃时，除表面横轴(水面轴)的旋滚之外，由于跃后水深较 跃前水深大，水面宽度随面积加大而增大，水流在槽宽方向也要扩散，并在两侧方向形成立 轴(垂直轴)旋滚，因而使水跃带有空间性质，其位置和状态很不稳定。工程上为保证泄水 建筑物下游高速水流的水跃稳定，通常都尽可能地使水跃消能段做成矩形断面。因此，矩形 断面明渠的水跃共轭水深的计算就具有比较重要的工程实际意义。四、水跃长度的确定由于水跃段中，主流靠近底部，并且紊动强烈，因此对渠底有较大的冲刷作用，工程实 际中必须对水跃段进行加固设计。水跃长度与建筑物下游加固保护段长度(护坦)有密切关 系。但由于水跃现象复杂性，其理论分析还没有成熟的结果，水跃长度的确定只能依靠实验 得到的经验公式。下面介绍一些常用的水跃长度计算公式。1、矩形断面的水跃长度公式(1) 以跃后水深表示L. = 6.1h适用范围：4.5 Fr1 h 时L = 6 42j B1式中，A、A分别为跃前断面、跃后断面的过水断面面积，B为跃前断面的水面宽 121度。最后需要指出的是：由于水跃段中的水流紊动强烈，因此，所有的跃长公式都是完全 水跃跃长的时均值；水跃长度随槽壁粗糙程度的增加而缩短，上述公式可用于混凝土护坦 上的跃长确定；当棱柱体明渠底坡较小时，也可近似应用。第三节棱柱体水平明渠中水跃的能量损失一、水跃能量损失的机理水跃是水流流态的突变，其运动要素的变化非常剧烈。跃首断面流速最大，分布比较均 匀；水跃段的流速分布呈S型，近底流速大，但值要比跃首断面小一些；跃尾断面的流速 会进一步降低，但近底流速仍然大于表面部分的流速；在跃后段内，流速分布将不断调整， 近底流速逐渐减小，上部流速逐渐增大，直到跃后段结束时，断面流速分布才呈现出紊流的 流速分布，跃后段的长度一般为水跃长度的23倍，即L = (23)L。在水跃段主流与表面水滚的交界面附近时均流速梯度很大，紊动混掺非常强烈，这个区 域是产生漩涡的发源地。流速梯度愈大，紊动愈强烈，产生的紊动附加切应力也就愈大。紊 动混掺的结果，一方面使水流的动量、能量以及紊动涡体本身沿横向和纵向扩散，使水流的 运动特征沿水深、沿流向不断获得调整，这中间必然伴随着能量及动量的变化。另一方面， 强烈的紊动混掺产生了很大的紊动附加切应力，使水流的部分机械能很快转化为热能消耗 掉，即产生可很大的能量损失。主流与表面水滚的交界面附近既是强烈漩涡的发源地，又是 水流机械能消耗最集中的所在。这就是水跃的能量损失机理。水跃的水头损失应该是水跃段的水头损失E与跃后段水头损失E的和。二、水跃段水头损失的计算E = (h +2) + (h +a)j 12g 22g式中，跃前断面水流为渐变流，可取a 1 = 1.0。跃后断面的动能修正系数远大于1.0, 对矩形断面，可用下列经验公式计算。2a = 0.85m + 0.25a = 3.52 工33： n+1=3-2式中，门为共轭水深比，n = h。h1在工程实际中，水跃多产生于矩形断面棱柱体水平明渠当中。由矩形断面的特点，结合 连续方程可得m_i)3_(a2-i)m+1)三、跃后段水头损失的计算a v 2八 a v 2、E - (h + 顶 2) - (h + 2 3) 由于可以认为h = h，v = v，a = 1.0。23233上式将化简为E = (a -1)生 22 g矩形断面棱柱体水平明渠中跃后段的能量损失Ejj = h-(a 2-1)(门+1)四、水跃总水头损失E = E + E对棱柱体矩形断面水平明渠中的水跃，其水头损失可用下式计算。E =纸”1)3j 4门水跃段水头损失在水跃总水头损失中所占的比例为En +1苫=1-(气-1)(目前只能近似按下式计算。对于非矩形断面明渠中的水跃，由于现在缺乏跃后断面动量修正系数a 2的计算公式，v 2v 2E = (h + -) - (h + )j 1 2g2 2 g即以水跃段的水头损失代替水跃的总水头损失。实践证明，当跃前断面的佛汝得数较大 时，这种替代产生的误差是不大的。五、水跃的消能效率水跃总水头损失E与跃前断面总水头E的比值成为水跃的消能效率。即K = x 100%j E1K .值愈大，水跃的消能效率愈大，消能效果愈好。J棱柱体矩形断面水平明渠水跃的消能效率可表示为h /八1 一1)3.E _ 知(.1 + 8Fr2 -3)3K = 一= 1j 气 h+-28(J1 + 8Fr2 -1)(2 + Fr：)可见，消能效率K,也是跃前断面佛汝得数的函数。第九章泄水建筑物下游水流的衔接与消能第一节概述、问题的提出为了达到灌溉、发电、防洪等兴利目标，往往要在河渠上建造水闸、挡水坝等水工 建筑物，用来调节河渠的水位和流量。但这些水工建筑物的兴建，必然会改变天然河流原有 的水流状态，主要表现在以下两个方面： 修建挡水建筑物之后，必然壅高上游水位，使挡水建筑物上游积聚了较大的水流 能量(主要是势能)，而挡水建筑物又不可能将上游源源不断的来水全部拦蓄在水库以内， 必然要从溢洪道、泄洪洞、坝身泄水孔等泄水建筑物泄出一部分水流，在泄水工程中，上游 水流积聚的势能必将转化为动能，使下泄水流具有较高的流速。 由于水利工程枢纽布置的要求和为了节省工程造价，建筑物泄水宽度总是小于原 有河床宽度，这就使得下泄流量相对集中，单宽流量较大。而下游河道对同样流量有其与原 河床的断面形状、尺寸、底坡、粗糙系数及其它地形地质条件相适应的正常流动情况，一般 来讲，这种正常流动情况下，水流分布比较均匀，流速较小。如此一来，就产生了从泄水建 筑物泄出的高速集中水流如何顺利地衔接过渡到下游正常流动情况这一问题，即泄水建筑物 下泄水流的衔接过渡问题。如果对水流的衔接过渡不加控制，或者控制措施不当，都可能给工程建设造成严重 的后果。概括起来讲，会产生这样两个问题：第一，集中泄出的水流可能严重冲刷河床、河岸，甚至危害建筑物 的安全。第二，水流集中泄出，可能使下游水流在平面上形成不良的流动情况， 影响枢纽的正常运行。水力学中泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要任务就是在确保闸坝安全、 工程费用较省而又合乎流态要求的条件下，研究消除余能的具体方式。通过采取 一定的工程措施，利用有效的衔接方式，使下泄水流挟带的余能在较短的距离内 转化为热能、声能逸散于空气之中，避免冲刷河床岸坡，保证水工建筑物的安全。 而实现消能的唯一方式就是依靠水流内部的相互摩擦和碰撞，促使水流分散掺 气。因为水流内部相对运动越是急剧紊乱，消能效果就越好。因此，工程实际中 常常利用下泄水流形成的大的漩滚来消能。另外，水流扩散之后，既使射入下游 河道的水量分散，也使能量分散，况且水流掺气之后密度减小，对河床的冲刷作 用也会相应地减弱。根据这样一个原则，工程实践中已形成了一些有较好消能效 果的衔接消能方式。二、泄水建筑物下游水流衔接消能的主要方式水工实践中的衔接消能措施种类繁多，但从水力学角度来看，研究衔接消能 问题实质上是分析从泄水建筑物泄出的高速射流按不同方式射入下游河道的低 速广阔水域中，通过扩散、混掺作用消耗大量余能的过程。按照泄出水流与尾水 及河床的相对位置，可以将常见的衔接消能方式分为如下三种基本形式：（1）底 流型衔接消能；（2）挑流型衔接消能；（3）面流型衔接消能实际工程中的消能措施有时不是单一的某一种衔接消能方式，而是两种甚至 三种衔接消能方式的混合应用。如消力戽消能就是底流型衔接消能与面流型衔接 消能的结合。1、底流型衔接消能底流式消能就是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使沿建筑物下泄的急流贴槽底射出，利用水跃原理，有效地控制水跃 发生的位置，使下泄的高速水流通过水跃转变为缓流，通过主流在水跃区的扩散、 混掺达到消能的目的。这种衔接消能方式中，高流速的主流位于底部，故称为底 流型衔接消能。如图所示。2、挑流型衔接消能挑流型衔接消能就是利用下泄水流所挟带的巨大动能，采用挑流鼻坎因势利 导将水股挑射空中，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的冲刷坑不会 危及水工建筑物的安全。下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分则在水股跌 入下游冲刷坑水垫塘之后，通过水股前后两侧的水滚而消除。如图所示。3、面流型衔接消能面流型衔接消能就是在建筑物的出流部分采用跌坎，将泄出水流导入下游水 域表层（当然要求下游水深比较大而且比较稳定），主流和河床之间由巨大的底 部漩滚隔开，避免了高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布 的调整以及底部漩滚主流之间的相互作用而消除。由于衔接消能段高速主流位于 表层，故称为面流型衔接消能。如图所示。4、戽流型衔接消能伽时 5 戽流型衔接消能是在溢流坝末端建造一个具有 较大反弧半径和挑角的形同戽勺的鼻坎，下泄水流由于受到下游水位的顶托，在 戽内形成表面漩滚，主流则仍然贴着戽壁沿鼻坎挑起，形成涌浪，并向下游扩散， 同时在鼻坎下产生一个反向漩滚，涌浪后面产生一个微弱的表面漩滚，即“三滚 一浪”是戽流型衔接消能的典型流态。其余能主要是依靠戽内漩滚、鼻坎下底部 漩滚以及涌浪后的掺气和扩散过程来消除。如图所示。第二节底流式衔接与消能底流消能是借助一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的表面漩滚和强烈紊 动来消除余能。泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特性，又与 下游河道中的水深及流速大小有关。当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流 速最大的过水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流量相应的下游 水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、粗糙系数等参数，通常是已知的。底流 消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式，即确定水跃发生的具体位置; 其次决定要采取的工程措施。一、泄水建筑物下游收缩水深的计算对矩形断面，收缩水深计算公式从上式可以看到，收缩水深hc取决于E0、q、e。其中，流速系数*主要决定于堰顶入口部分的局部水头损失和沿溢流面的沿程水头损失、局部水头损失与堰型、堰高及入流 条件有关，影响因素复杂，目前一般仍采用经验公式估算。上式是由综合系统试验资料得出的，适用于实用剖面堰自由溢流无显著掺气现象，且1H 30的情况。收缩水深计算公式对那些流程较短的泄水建筑物（如溢流坝、宽顶堰、水闸等）都适用，只是泄水建筑物不同，其收缩断面的位置和流速系数。要视具体情况来确定。平顶堰 上闸孔出流，闸后收缩水深也可按按1c =e 2 e确定。一 ，、.h ，一， 一一一.一，一一收缩水深公式是关于hc三次函数，不能直接求解，需采用试算法求解，也可采用查图法或电算解法求解。qe-J2g h =,-矩形断面的收缩水深也可采用迭代法求解，其迭代公式如下：+1E 0 hcn迭代计算时，hc初值可取0,迭代35步可得到准确结果。二、泄水建筑物下游水跃衔接形式下游河槽中的水流一般多属缓流，其水深大于临界水深hk。而闸坝或其它泄水建 筑物泄出的水流往往为急流，其收缩断面水深hc常小于临界水深hk，故泄水建筑物下游必 然发生水跃。当泄出流量一定时，随下游水深的变化，泄水建筑物下游水跃衔接方式就有如 下三种情况。, h 一， , hh 、h，h设收缩水深匕相共轭的跃后水深为hc，下游水深为ht，根据hc与ht之间的大小关 系，可判定泄水建筑物下游水跃衔接方式。（1）当当11=hc时，水跃恰好在收缩断面发生，这种衔接形式称为临界式水跃衔接。,h h ，. h h 、一皿.（2）当七 hc时，收缩水深hc与下游水深t之间不满足水跃共轭条件，故水跃将 不在收缩断面处产生。由水跃共轭方程可知，在流量一定的条件下，跃前水深越小，所要求 的跃后水深越大，反之，跃后水深越小，相共轭的跃前水深越大。既然 hh , h 、 皿 ，一，（3）当ht hc时，收缩水深hc与下游水深t之间也不满足水跃共轭条件，故水跃 也不在收缩断面处产生。由水跃共轭方程可知，htl时，为淹没水跃；当bj 1时，为临界水跃，当bj L2，淹没水跃的消能效率小于佛汝 得数相同的自由水跃的消能效率，而淹没水跃的水跃长度却大于自由水跃的水跃长度。因此， 工程实际中采用的是稍有淹没的水跃衔接方式，通常取淹没系数 j =1.051.10。三、消能池的水力计算消能池是控制水跃并利用水跃消除余能的水工建筑物。当底流式衔接为远驱水跃时， 消能池可迫使远驱水跃变为稍有淹没的水跃，从而缩短下游河床上急流保护段的长度，达到 在最短距离内集中消能以确保主体建筑物安全的目的。这种衔接消能方式安全可靠，下游水 面波动小，当4.5 F1 9.0时，消能效率可达到（45%70%）。形成消能池的首要条件是在泄水建筑物下游造成能发生稍有淹没水跃所要求的跃后 水深，通常是采用局部增大下游水深的办法来实现。工程实际中，增大下游局部水深的措施 有两方面：一是降低护坦高程，在下游形成消能池；二是在护坦末端设置消能坎或消能墙用 来壅高水位，使坎前形成消能池。另外，也有同时采用这两种措施的综合方式。此外，为了有效而又经济地将水跃控制在消能池内，消能池还应有足够的长度。故消能池水力计算的任务就在于确定能够满足以上两个条件的池深和池长，即解决消能池轮廓尺寸的水力设计问题。（一）降低护坦高程形成的消能池 1、池深d确定降低护坦高程形成消能池后，为使消能池内产生稍许淹没的水跃，则消能池末端水深为= h：式中， j为淹没系数，一般取 j =L5； hC1为护坦高程降低后收缩水深hc1相共 轭的跃后水深。形成消能池后，水跃将发生在池内，离开消能池的水流，由于竖向收缩，水面将跌落一个Az值，其水流特性与淹没宽顶堰流相同，水流状况如图所示。由几何关系可知：h = d + H = d + h + Az联立上两式可得到消能池池深计算公式d = h - （h + Az）式中，hCi、Az都是未知量，故需建立hCi及a的关系式。hhc1的计算：由水跃共轭方程可知 h = % ：1 + 8令-1c12gh 31c1式中，hc1可由收缩水深公式求得，即01 c12 g 2 h 2c1E 01 = E + da _q211】Az =2g（”h）2 （ h）2Aztj c1式中，为消能池流速系数，它决定于消能池出口处的顶部形式，一般取.95。由于是复杂的函数关系，当已知E、q、时，联立上式试算可求得池深d。注意， 初步估算时，可取池深d = jhc ht。2、池长Lk的确定消能池长度必须保证水跃不越出池外。由于降低护坦高程形成的坎对水跃有一个反 向作用力，该力的存在可使水跃长度减小，实验表明，消能池中水跃的长度要比无升坎阻挡 的完全水跃缩短（2%3%），故从收缩断面算起的消能池长度为Lk = （.7 .8）L式中，Lj为平底完全水跃的长度。3、消能池设计流量的选择上面讨论的池深及池长设计都是针对某一个给定的流量及相应的下游水深，但建成 的消能池必须在不同的流量情况下工作。为使所设计的消能池在不同流量情况下，都能形成 稍许淹没的水跃，就必须选择一个恰当的设计消能池尺寸的设计流量。d = h一h一 .（h h ）.从 j ct可以看到，池深d随着（hc ht ）的增大而增大。所以，可以认为相当于(：”max时的流量勺即为消能池池深的设计流量。据此求得的池深d应该是各种流 量下所需消能池深度的最大值。实践表明，消能池池深d的设计流量不一定是建筑物所通 过的最大流量。实际计算时，应在给定的流量范围内，找出(：”max时的流量，以此作 为池深的设计流量。池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量，其原因是水跃长度随流量的增大 而增大。(二)护坦末端建造消能坎形成的消能池当河床开挖困难或开挖太深不经济时，可在护坦末端建造消能坎，壅高坎前水位， 形成消能池内具有一定淹没程度的水跃。其水力计算的主要任务是确定消能坎高度C及池长1、坎高c的确定护坦末端建造消能坎形成消能池之后的水流情况如图所示。消能坎一般做成折线形实用堰或曲线型实用堰形式，流经坎顶的 水流一般属于实用堰流，这一点与降低护坦高程形成的消能池的水流现象不同。要使消能池内产生稍许淹没的水跃，其消能坎前水深应为h =O h由几何关系可知hT = c + H1式中，H1为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得。即H = H -q=()3 -q110 2g(b h)2b m 2g2g(b h)2j cs 1 Vj c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，目前尚无系统资h c h料，初步设计时可取m1=0.42 ； b s为消能坎的淹没系数，其值与H10H10有关。由于消能坎前存在水跃，它与一般的实用堰前水流状态不同。故淹没系数及淹没判定条件也应上 0.45H10，消能坎为淹没堰，此时淹没系数?1，其值可参考下表确定。表9-2消能坎的淹没系数sH10w0.450.500.550.600.650.700.720.740.76s1.0000.9900.9850.9750.9600.9400.9300.9150.900hsHin0.780.800.820.840.860.880.900.920.95s0.8850.8650.8450.8150.7850.7500.7100.6510.535计算坎高C时，先假定消能坎自由出流，即取 s=1,直接求出坎高C。然后再根h cH据 10的值判断上述假定是否成立。若消能坎为非淹没堰，则前面算出的坎高c即为所求， 但要校核消能坎后的水流衔接状况。即将消能坎看作溢流堰，计算坎后收缩水深及其共轭水 深，并与下游水深相比较，若为远驱式水跃衔接，则需要设置第二道消能坎或采取其它消能 措施，并注意校核第二道消能坎后水流衔接状况，直至消能坎后产生淹没水跃衔接为止。校 核消能坎后水流衔接状况时，消能坎的流速系数可取0.900.95。若消能坎为淹没出流，则 需考虑淹没系数之后重新计算坎高，此式坎高c需要试算求解。2、池长Lk的确定池长Lk仍由水跃长度确定，即Lk =（0.7 8）七。3、设计流量的选择当所设计的建筑物在qmin与 qmax之间运用时，则应在流量范围内选择几个有代表性的 流量值，分别计算坎高c，然后取坎高c的最大值作为设计值，相应的流量即为设计流量。 池长的设计流量仍应是建筑物通过的最大流量。有些水工建筑物（如跌水），由泄流进口至收缩断面之间尚有一段距离，这段距离需根 据实际情况确定，其长度也不包括在上述消能池长度计算公式当中。如果单纯降低护坦高程开挖量太大，单纯建造消能坎，坎又太高，坎后容易形成远驱式 水跃衔接。在这种情况下，可以考虑适当降低护坦高程，同时修建高度不大的消能坎，这种型式的消能池称为综合式消能池。综合式消能池的设计原则是消能池中及坎后均产生临界水 跃，据此计算坎高和池深，然后，为了产生稍许淹没的水跃，将消能坎和池底整体地降低一 个高程（必要时应校核消能池中水跃的淹没程度）。四、辅助消能工为提高消能效率而附设在消能池中的墩或槛统称辅助消能工。其体型繁多，这里仅介绍常用的几种辅助消能工，如图所示。1、分流齿墩（也称趾墩）布置在消能池进口，其作用是分散入池水股，增加水跃区中主流与漩滚的交界面，加剧紊动混掺来提高消能效率。2、消能墩：布置在消能池内（32）池长的护坦上，它的作用除分散水流，形成更多的漩涡以增加消能效率之外，还有迎拒水流，对水流的冲击产生反作用力。根据动量方程可 知，这个反力降低了水跃共轭水深的要求，具有减小池深和池长的作用。3、尾槛：设置在消能池末端，其作用是将池末流速较大的底部水流挑起，导入下游水体上层，以改善消能池后的水流流速分布，减轻对下游河床的冲刷。这些辅助消能工可以根据具体情况分别采用或合并采用。一般能起到缩短池长，减小挖 深的作用。但必须注意到在流速较高时，设置在护坦前部的消能工容易产生空蚀，一般地说， 设置趾墩和消能墩处的流速应小于（1518）m/s，其布置方式与位置以及型体和尺寸一经 过实验验证。另外，有漂浮物或推移质的河道，辅助消能工常遭撞击破坏。第三节挑流式衔接与消能挑流式削能是通过泄水建筑物底端的鼻坎，将下泄水流挑至空中，然后跌入远离建筑物的下游，利用水流在溢流堰面的摩擦，空中扩散，掺气，跌入冲坑后形成两股巨大的漩涡 进行消能。一般适用于中，高水头的泄水建筑物。其优点：结构简单，不需修建大量的护坝工程，易于维修。缺点：挑流引起较大雾化，尾水波动大。主要计算任务：计算挑距，冲坑深度，校核是否安全。一.挑距的计算一挑流射程。挑距一一挑流鼻坎下游壁面至冲刷坑最深点的水平距离。L = L0+ L1 - LL一般很小，忽略不计。L = L0+ L1式中/0空中射程L1水下射程平滑连续式挑坎，出坎断面1-1流速分布均匀，1，忽略空气阻力和扩散影响，此时射流运动为自由抛射体的运动。利用质点自由抛射体的运动原理导出空中挑距L0的计算公式:L =8 2 S sin 20 1 + i1 + -_1 s”S1上游水面至挑坎顶部的高差。挑坎高度，下游河床底部至挑坎顶部的高差。鼻坎挑射角。冲刷坑后下游水深。 坝面流速系数，按经验公式计算。长科院0.0554 = .1 -七 K 0.5流能比Ke适用范围：ke=0.0040.15，当 ke 0.15 时，0.95二.水下射程L1为水舌轴线与下游水面交点至冲坑最深点的水平距离。水股潜入下游水体属潜没扩散射流，不属自由抛射运动，所以沿方向作直线运动。L = L + ht水下射程。：1tg Pts 冲刷坑深度。下游水深水舌入水角，tan 8= : tan2 0 +a 一 h14 2S C0S2 01三. 挑流射程影响因素分析。1、鼻坎的挑角0 = 45。在物理学观点，对于自由抛体理论，挑角时，挑距最远，但由于挑流不0 45。0 = 15。35。是一个质点，而是一般扩散和掺气的水流。所以，一般。主要工程要试验确定。2、鼻坎高程根据工程布置而定，从增加挑距，减小砼方量的角度讲，挑坎高程愈低愈好,Si越大， v越大，但为保证水舌下缘于水面之间有足够的空间，避免出现真空，压低水舌，减小挑距， 甚至出现贴面流，冲刷坝址，设计中一般取挑坎最低高程等于或略低于下游最高水位。3、反弧半径RR大小一定程度影响射程，经验R = ( 4 - 10 ) h, h为校核洪水水位时反弧段最低处的 水深。当v , q较大时，取R较大值。t四冲刷坑深度S的计算。ts取决于冲刷能力和河床的抗冲能力，其影响因素较复杂，工程中采用经验公式进 行计算。冲刷坑对坝身的影响用平均坡度计算。