第一講：水工建筑物下游消能

水力分析與計算主講人：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底流消能水力計算一、消能必要性泄水建筑物下泄水流流速很高，動能很大，下泄至下游河道時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對泄水建筑物及下游河道的運行安全產(chǎn)生一定的不利影響，如不妥善解決，將會導(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，下游水流運動的平面分布更加復(fù)雜化，不利于整個樞紐的運行。因此，從水力分析與計算角度看，必須解決水流從高水位向低水位過渡時的水流銜接問題和減小因單寬流量集中以及較大的水位差轉(zhuǎn)化為較大動能時水流對下游河道的沖刷(即消能)問題。只有解決好上述問題，才可保證建筑物的安全以及避免下泄水流對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位置，可以將常見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，通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強烈的紊動以達(dá)到消能的目的。底流式消能

二、消能形式分類利用下泄水流所挾帶的巨大動能，因勢利導(dǎo)將水流挑射至遠(yuǎn)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。(新安江水庫)挑流式消能二、消能形式分類當(dāng)下游水深較大而且比較穩(wěn)定時，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，可避免高速主流對河床的沖刷。余能主要通過水舌擴散，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)。面流式消能二、消能形式分類水利工程中有時需結(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)用的實例。三、底流消能水力計算閘、壩等泄水建筑物下泄水流要經(jīng)過收縮斷面并且發(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算第一步要求計算hc，第二步由hc計算hc”，并判斷水躍銜接形式，由水躍銜接形式?jīng)Q定是否需要進行消能，第三步是進行消能水力計算。三、底流消能水力計算第一步：計算收縮斷面水深hc通過列能量方程，得到收縮斷面水深計算公式為：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、底流消能水力計算第二步：計算躍后斷面水深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σ為水躍的淹沒系數(shù)。它表示水躍的淹沒程度。遠(yuǎn)離式水躍銜接形式最為不利，工程實踐中要避免出現(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)；所以最好選取淹沒系數(shù)σ=1.05~1.10的淹沒式水躍作為底流銜接消能形式。三、底流消能水力計算第三步：經(jīng)判別為臨界或遠(yuǎn)離式水躍時擬建消力池，并計算消力池池深S、池長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，則需要設(shè)置消能工(消能工程)，即要進行相應(yīng)的消能水力計算，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)生淹沒系數(shù)σ=1.05~1.10的稍有淹沒程度的淹沒式水躍。池深S由公式S=σhc”-ht進行估算，再計算建池后的hc、hc”以及出池水流到下游水面的跌落高度ΔZ，驗算是否為1.05~1.10，如果是則消力池深度S滿足要求，否則調(diào)整S，重復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。三、底流消能水力計算消力池除需具有足夠的深度外，還需有足夠的長度，以保證水躍不沖出池外，而對下游河床產(chǎn)生不利影響。試驗表明，池內(nèi)淹沒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度L‘j比平底渠道中產(chǎn)生的同樣的自由水躍長度Lj要短20%~30%。當(dāng)泄水建筑物為曲線型實用堰時，消力池長度Lk，等于池內(nèi)水躍長度L’j，即

Lk=L‘j=(0.7~0.8)Lj

。第三步：經(jīng)判別為臨界或遠(yuǎn)離式水躍時擬建消力池，并計算消力池池深S、池長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算。

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)