9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,*,*,9,泄水建筑物下游的水流衔接与消能,一、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。,下泄水流的特点如下：,1.,建坝后的水头也增加,下泄水流（比未建坝前的水流）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。（,消能问题的提出视频,）,1,三、工程中常采用的衔接与消能方式,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,、底流式消能,就是在建筑物下游采取,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。,2,2,、挑流式消能,利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。,3,3,、面流式消能,当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。,4,水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。,5,9.1,底流消能的水力计算,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，通常是知。,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。底流消能是通过水跃消能。,6,一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算,（一）计算公式推导,以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面,0,0,及收缩断面,c,c,的能量方程式，可得,由图可以看出,7,令,流速系数 则,以 代入上式得,上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用。其中流速系数,可按经验公式计算或查表确定。,对于矩形断面，。取单宽流量计算，则,8,（二）收缩水深的计算方法,1,、任意断面,试算法；试算,图解法；电算解法（二分法、迭代法等）。,2.,等腰梯形断面,试算法；试算,图解法；电算解法（二分法、迭代法等）；查图法，图见教材附图,。,9,二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响,水跃的位置决定于坝趾收缩断,面水深 的共轭水深 与下游水,深 的相对大小。可能出现下列,三种情况,第一种情况：临界水跃,第二种情况：远驱水跃,第三种情况：淹没水跃,以 表示水跃的淹没程度。,10,三、控制水跃位置的工程措施消能池的水力计算,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，为了改变这种不利的水面衔接形式，必须增加下游水深，迫使远驱水跃变为工程需要的稍有淹没的水跃。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。,11,1,、降低护坦高程所形成的消能池,挖深式消能池的设计,(1),消能池深度,d,的计算,12,消能池内末端水深应为,式中：为水跃的淹没系数，一般取,护坦高程降低后，收缩水深变为 ，相应的跃后水深变为 。,由几何关系可知，消能池内的水深,h,T,为,则消能池深度,d,的计算公式：,13,确定,对消能池出口上游断面,11,及下游断面,22,列能量方程，以通过,22,断面底部的水平面为基准面，则得到,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,0.95,。引入连续方程化简可得：,14,池深,d,的计算公式：,计算方法：,这四个公式构成了复杂隐函数关系，必须试算才能求得,d.,具体方法：初估池深：,计算,E,01,、,d,若求得的,池深,d,和初估池深近似相等，试算完成，否则，继续试算。详见例题。,15,（,2,）消能池长度,L,K,的计算,式中，为平底渠道中的自由水跃长度。,（,3,）消能池设计流量的选择,池深,d,是随 增大而增加。所以，可以认为，相当于 为最大时的流量即为池深的设计流量。,池长的设计流量一般选用建筑物通过的最大流量。,池深与池长的设计流量可能不是一个值，更不见得就是泄水建筑物的设计流量。这是消能池水力设计中需要注意的问题。,16,2,、护坦末端建造消能坎形成的消能池,消能坎式消能池的设计,(1),坎高,c,的计算,17,消能池内末端水深应为,式中：为水跃的淹没系数，一般取,不降低护坦高程，所以收缩水深及相应的跃后水深都不变。,由几何关系可知，消能池内的水深,h,T,为,则消能池深度,c,的计算公式：,18,式中，为消能坎的坎顶水头，可由堰流公式求得,式中，为消能坎的流量系数，与坎的形状及池内水流状态有关，目前尚无系统资料，初步设计时可取 ；为消能坎的淹没系数，其值与 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有所不同。消能坎的淹没判定条件是：，消能坎为非淹没堰，；，消能坎为淹没堰，此时淹没系数 ，其值可参考表,92,确定。,19,坎高,c,的计算公式：,2,2,3,2,1,2,2,10,1,),(,2,),2,(,),(,2,c,j,s,c,j,h,g,q,g,m,q,h,g,q,H,H,-,=,-,=,s,s,s,20,（,2,）消能池长度,L,K,的计算,式中，为平底渠道中的自由水跃长度。,（,3,）消能池设计流量的选择,在流量范围内选择几个有代表性的流量值，分别计算坎高，然后取坎 高 的最大值作为设计值，相应的流量即为坎高,c,的设计流量。或者取 对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。,21,3,、综合式消能池的设计,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）。,22,四、辅助消能工,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。,23,