第九章 消能(zhu,2013)

1、Hydraulics 如圖所示一溢流壩，單寬流量 q=80m3/s m，上下游水位差為Z= 60m，若不計流速水頭及壩面能量損耗，上下游能量差近似等于上下游水位差，即E=60m。那么單位寬度河床上每秒鐘應消除的能量為9800 80 604700000047000Ngq EWkWZ選用適當?shù)拇胧谙掠屋^短的距離內消除多余能量E，并使高速下泄的集中水流安全地轉變?yōu)橄掠蔚恼＞徚?。問題的提出問題的提出9.1 9.1 概述概述泄水建筑物下游的水流特性泄水建筑物下游的水流特性 1）流速高；）流速高；2）水深??；）水深??；3）單寬流量大；）單寬流量大；4）能量集中。）能量集中。下泄水流對河床具有極大的破

2、壞性，直接威脅大壩的下泄水流對河床具有極大的破壞性，直接威脅大壩的安全。安全。一般泄水建筑物工程費用占總投資的一般泄水建筑物工程費用占總投資的40%60%，而，而消能設施工程費則占泄水建筑物費用的消能設施工程費則占泄水建筑物費用的40%50%。消能原理：消能原理：面流式銜接與消能面流式銜接與消能9.2 9.2 泄水建筑物下游水流的銜接形式與消能方式泄水建筑物下游水流的銜接形式與消能方式將動能轉化為勢能；將動能轉化為勢能；水流旋滾，通過水流內部碰撞摩擦消能水流旋滾，通過水流內部碰撞摩擦消能水流在空中擴散，與空氣摩擦、摻氣消能水流在空中擴散，與空氣摩擦、摻氣消能與下游水流碰撞消能與下游水流碰撞消能

3、與河床碰撞消能與河床碰撞消能1 1、底流式消能、底流式消能(underflow energy dissipation)(underflow energy dissipation) 通過水躍產(chǎn)生的表通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強烈的紊面旋滾和強烈的紊動來消除余能。動來消除余能。2 2、挑流式消能、挑流式消能(ski-jump energy dissipation)(ski-jump energy dissipation) 利用挑流鼻坎將水流挑射至遠離建筑物的下游，利用挑流鼻坎將水流挑射至遠離建筑物的下游，使下落水舌對河床的沖刷不會危及建筑物的安全。使下落水舌對河床的沖刷不會危及建筑物的安全。效能原理

4、：效能原理：與空氣摩擦、水氣交換；與下游水面與空氣摩擦、水氣交換；與下游水面碰撞；與河床碰撞。碰撞；與河床碰撞。3 3、面流式消能、面流式消能( (surface flow energy dissipation)surface flow energy dissipation) 面流式消能：將面流式消能：將下泄的高速水流下泄的高速水流導向下游水流的導向下游水流的上層，主流與河上層，主流與河床被巨大的底部床被巨大的底部旋滾隔開。余能旋滾隔開。余能主要通過水舌擴主要通過水舌擴散，流速分布調散，流速分布調整及底部旋滾與整及底部旋滾與主流的相互作用主流的相互作用而消除。而消除。 在建筑物末端設置一個大反

5、弧的低鼻坎，下游水位高于鼻坎，在建筑物末端設置一個大反弧的低鼻坎，下游水位高于鼻坎，高流速的水流通過鼻坎挑離河床，在反弧及坎后分別形成戽內漩高流速的水流通過鼻坎挑離河床，在反弧及坎后分別形成戽內漩滾、底部漩滾和浪尾三個大漩滾及涌浪（三滾一浪），以達到消滾、底部漩滾和浪尾三個大漩滾及涌浪（三滾一浪），以達到消能目的。能目的。 4、戽流型銜接消能戽流型銜接消能一種底流和面流結合的消能形式一種底流和面流結合的消能形式。9.3 泄水建筑物下游收縮斷面水深的計算泄水建筑物下游收縮斷面水深的計算CCP1H2002VgEE0CC2che依能量方程式22022ccccVVEhgg20()2cccVEhg令流速

6、系數(shù)1c則有22022222ccccVQEhhggA查表9-1對于矩形斷面20222ccqEhgh102 ()ciciqhg Eh計算收縮水深的迭代公式泄水建筑物下游水躍的位置及其對消能的影響泄水建筑物下游水躍的位置及其對消能的影響CChththttchh則躍前斷面恰好在收縮斷面處，稱為臨界式水躍水躍的位置仍然取決于水躍的位置仍然取決于收縮斷面水深收縮斷面水深hc的共軛的共軛水深水深 與下游水深與下游水深ht的的相對大小。相對大小。chtchh則躍前斷面在收縮斷面的下游，稱為遠離式水躍tchh則躍前斷面在收縮斷面的上游，稱為淹沒式水躍水躍的淹沒系數(shù)tjchh工程上采用稍有淹沒的水躍,j取值為1

7、.051.109.4 底流型銜接與消能底流型銜接與消能cthh cthh cthh 臨界式水躍臨界式水躍 遠驅式水躍遠驅式水躍 淹沒水躍淹沒水躍 水躍的位置與形式水躍的位置與形式例題：某溢流壩為WES剖面，上、下游壩高均為10m，壩頂部設閘門控制流量。今保持壩頂水頭H=3.2m，調節(jié)閘門開度，使單寬流量q=6m3/s.m，相應的下游水深ht=3.05m。試判別壩下游水躍的銜接形式。htHP1解：（1）計算hc102 ()ciciqhg Eh2012113.22 ()qEPHmg PH取 ，0.900ch第一次迭代計算10060.4142 ()0.9 19.6 (13.20)ccqhg Eh第二

8、次迭代計算20160.4212 ()0.9 19.6 (13.20.414)ccqhg Eh第三次迭代計算30260.4212 ()0.9 19.6 (13.20.421)ccqhg Eh所以取hc=0.421m。（2）計算臨界水深hk223361.549.8kqhmgckthhh所以水流將從急流過渡到緩流，故在溢流壩下游將產(chǎn)生水躍（3）判別水躍位置（水躍的銜接形式）22330.4216( 1 81)( 1 81)3.972229.8 0.421ccchqhmgh3.05cthhm故溢流壩下游將發(fā)生遠離式水躍銜接控制水躍位置的工程措施控制水躍位置的工程措施 當建筑物下游產(chǎn)生遠離當建筑物下游產(chǎn)生

9、遠離(驅驅)式或臨界式水躍銜接時，式或臨界式水躍銜接時，為了改變這種不利的銜接形式，必須采取一定的工程措為了改變這種不利的銜接形式，必須采取一定的工程措施，加大建筑物下游水深。施，加大建筑物下游水深。CChthtCChtv降低護坦高程，降低護坦高程，在下游形成在下游形成消能池消能池htv在護坦末端修建消在護坦末端修建消能坎來壅高水位，使能坎來壅高水位，使坎前形成坎前形成消能池消能池一、降低護坦高程一、降低護坦高程所形成的消能池的水力計算所形成的消能池的水力計算dTthdhz1Tjchh1Tjchh1()jctdhhz以下游水面為基準面列能量方程式222122222VVVzggg 2221222

10、VVzgg 消能池出口處流速系數(shù)，可取0.95。初估池深的近似公式jctdhh消能池長度Lk的計算(0.7 0.8)kjLL2221112()()tjcqghh1012 ()ccqhg Eh 1 1、池深確定、池深確定例題：某溢流壩為WES剖面，上、下游壩高均為10m，壩頂部設閘門控制流量。今保持壩頂水頭H=3.2m，調節(jié)閘門開度，使單寬流量q=6m3/s.m，相應的下游水深ht=3.05m。試判別壩下游是否需要設置消能措施？若需要設置消能措施，且采用降低護坦式的消能池深d=1.1m時，能否滿足要求？htHP1解:（一）判別下游是否需要設置消能措施同上例計算，溢流壩下游將發(fā)生遠離式水躍，故需要

11、采取工程措施，控制水躍位置。(1)計算新的收縮斷面水深及其共軛水深0014.3EEdm 取 ，0.9(0)10ch第一次迭代計算(1)1(0)060.3980.9 19.6 (14.30)2 ()ccqhg Eh C1CChTC1ZdhtHP1（二）計算消能池深d=1.1m時，是否滿足要求第二次迭代計算(2)1(1)0160.4040.9 19.6 (14.30.398)2 ()ccqhg Eh 1.1jctdhhm初試：第三次迭代計算(3)1(2)0160.4040.9 19.6 (14.30.404)2 ()ccqhg Eh 所以取hc1=0.404m。(2)計算d=1.1m時,z2211

12、3310.4046( 1 81)( 1 81)4.07229.8 0.404ccchqhmgh2222221116110.122()()19.6 (0.95 3.05)(1.05 4.07)tjcqzmghh 池中躍后水深1.1 0.123.054.27Tthdzhm 池中水躍的淹沒程度14.271.054.07Tjchh滿足要求（3）計算池中躍后水深及水躍的淹沒程度確定池深確定池深d d的步驟：的步驟：1 1、根據(jù)設計流量、根據(jù)設計流量Q Q設，設，初估一個初始值初估一個初始值d1 1；2 2、計算、計算100dEE3 3、根據(jù)、根據(jù) 確定確定 和和 ；0E1ch1ch4 4、計算、計算 ；

13、1z5 5、計算、計算 ；2d6 6、比較、比較 ； 較大時，重新假設較大時，重新假設d d進行試算，進行試算，重復步驟重復步驟2 26 6，直到誤差，直到誤差 滿足要求。滿足要求。21,dd21dddd)(1zhhdtcj 初估池深：初估池深：1jctdhh取1.051.1解:（一）判別下游是否需要設置消能措施（2）求池深）求池深 利用能量方程利用能量方程（3）列表試算）列表試算2 2、消能池長度、消能池長度Lk的確定：的確定：L Lk k（0.70.70.80.8）L Lj j3 3、消能池設計流量的確定：、消能池設計流量的確定：1 1）池深設計流量的確定：）池深設計流量的確定：2 2）池

14、長設計流量：）池長設計流量：Qhthc”h(hc”- ht)maxQdQ長長d(hc1-hc1)max (hc-ht)maxQ深深d93. 011) 1(8 .10FrhLjtcjhhd 二二 在護坦末端修筑消能坎形成的消能池在護坦末端修筑消能坎形成的消能池主要內容：主要內容：1 1、確定坎高、確定坎高c c；2 2、確定池長、確定池長L Lk k；特點特點: : E0 0保持不變保持不變; ; 坎后水流的銜接坎后水流的銜接; ;1 1、坎高、坎高c的設計的設計1) 1) 滿足的條件滿足的條件: :消能要求消能要求: :幾何要求幾何要求: :出池水流看成折線型實用堰堰流，堰上水頭出池水流看成折

15、線型實用堰堰流，堰上水頭cjThh1HchT222 3111101121222sjcqqHHHgmggh/v()()出池能量條件出池能量條件: :2213/211)(2)2(cjshgqgmqH坎的流量系數(shù)坎的流量系數(shù); ;45.045.0)(42.01010101HhHhHhfmssss坎后淹沒系數(shù)坎后淹沒系數(shù); ;自由出流自由出流; ;查表查表9-2;9-2;由實用堰堰流公式由實用堰堰流公式321102sqmgH2) 2) 坎高坎高c的計算步驟的計算步驟: :QdE0hchc0 . 1s42. 01mH10, H1校核校核11Hhccj出流出流10Hhs45. 010Hhs45. 010H

16、hsdcc 1坎后為自由出流，一級坎設計合理坎后為自由出流，一級坎設計合理: Adcc 1坎后為淹沒出流，試算坎高坎后為淹沒出流，試算坎高: B假設假設c111THHc10H20Hhss2320122 Hgmqs計實計qq實計qq1dcc1dcc,qqc計實,qqc計實21012TvHHg2 2、消能池長、消能池長Lk的計算的計算Lk（0.70.8）Lj3 3、設計流量的確定、設計流量的確定 在不同流量范圍內假定不同的流量，確在不同流量范圍內假定不同的流量，確定不同定不同c c，取較大的坎高值。，取較大的坎高值。溢流壩溢流壩水利工程的泄流建筑物水利工程的泄流建筑物 和下游消能設施和下游消能設施

17、消消 力力 池池三三 綜合式消能池綜合式消能池設計：先按坎后產(chǎn)生臨界水躍設計設計：先按坎后產(chǎn)生臨界水躍設計c，由由c c和和H H1 1確定確定dhtdLkc（1）計算坎高）計算坎高利用能量方程：利用能量方程：（2）池深確定）池深確定四四 輔助消能工輔助消能工目的：加劇擴散，紊動，混摻，目的：加劇擴散，紊動，混摻，方法：趾墩，消能墩，尾方法：趾墩，消能墩，尾坎坎等等綜合式消力池綜合式消力池消力墩消力墩9.5 挑流型銜接與消能挑流型銜接與消能( (ski-jump energy dissipation) ) 挑流消能的水力計算挑流消能的水力計算 主要任務是：挑坎型式，確定挑坎高程、反弧半徑和挑射

18、角，計算挑流射程和下游沖刷坑深度。 一、挑流消能水力計算 1）挑流射程的計算2）沖坑深度的計算3）挑坎的設計 一、挑流射程的計算一、挑流射程的計算由能量方程可得挑流鼻坎處流速11112,ugs稱第一挑流系數(shù)，由式9-28或9-29確定1、射程射程 L0 的計算公式的計算公式 2211210sincos2211cossinuhhagguLttan1tshtL2、水下射程、水下射程 L1其中，其中，ts 為沖刷坑的深度。為沖刷坑的深度。 112ugs二、沖刷坑深度的估算二、沖刷坑深度的估算tsshzqkt25. 05 . 0tsshtd三、挑坎型式及尺寸的選擇三、挑坎型式及尺寸的選擇常用的挑坎有連續(xù)式和差動式。常用的挑坎有連續(xù)式和差動式。二灘水電站位于中國四川省、雅礱江干流下游河段上，距攀枝花市約40km。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240m，水庫總庫容58億m3，水電站裝機容量330萬kW，保證出力100萬kW，多年平均發(fā)電量170億kWh。工程以發(fā)電為主，兼有其他等綜合利用效益。1991年9月開工，1998年7月第一臺機組發(fā)電，2000年完工。二灘壩址河谷狹窄,兩岸陡峻,泄洪消能問題十分突出.經(jīng)過各方面的比較,二灘工